厚土层浅埋煤层保水开采技术研究

张改亲

（山西汾西矿业集团有限责任公司，山西 介休 032000）

引 言

浅埋煤层保水开采技术历来是我国煤矿开采的重要研究方向之一。尤其是对于地处我国西部区域的煤矿来说，由于西部本身缺水较为严重，加之煤炭资源的大规模开采，煤炭开采后形成采空区，导致含水层被破坏，水资源随着开采后形成的导水裂隙带流失，不仅严重威胁井下开采安全，而且造成了大量的水资源浪费，给当地的生态环境带来了难以恢复的破坏［1］。因此，厚土层下浅埋煤层保水开采技术的研究具有重要而现实的意义。

1 浅埋煤层保水开采机理

保水开采的实质就是通过选择合理的采煤方法和技术手段，使煤层采空后顶板含水层不被破坏或者尽量少被破坏，以实现保护水资源和保障井下防治水的要求［2］。浅埋煤层的开采极易引起矿区水环境及整改生态环境的失衡，因此，要实现保水开采，应从其开采理论和方法本身入手。传统的保水开采方法包括留设防水煤岩柱、煤层限采、条带开采、房柱式开采、预先疏排水、充填开采等。有的方法在较高成本投入的前提下实现了保水开采：如，充填式开采；有的方法以牺牲煤炭资源回收率实现了保水开采，如，留设防水煤岩柱、煤层限采等。

根据覆岩关键层理论和“三带”理论，煤层开采后，直接顶垮落，老顶断裂，表土层等缓慢下沉，在采空区上方形成自上而下逐渐发育的张拉裂隙，并形成垮落带、导水裂隙带及弯曲下沉带。如果自上而下发育的张拉裂隙和自下而上发育的导水裂隙之间的隔水层厚度能够达到隔水要求，就可以实现厚土层浅埋煤层的保水开采［3］。

煤层开挖后，实现保水开采的关键就在于使采场覆岩关键层破断后能够整齐排列，实现隔水作用。当关键层断裂后，其附近的隔水层如果厚度较大，则能够抵消部分采动引起的变形，隔水层中的裂隙发展范围和程度均会减小，导致裂隙发展达不到上覆含水层，实现保水开采；而如果隔水层的厚度较小，则关键层的破断会引起隔水层内的裂隙高度发育，很快形成导通上覆含水层的导水通道，就不容易实现保水开采［4］。加之，浅埋煤层基岩较薄，关键层单一，关键层的隔水机理也较为简单，因此，浅埋煤层开采应该更加注重发挥关键隔水层的作用。

2 保水开采技术分类体系

导水裂缝带的发育状况对工作面水患及保水开采的成功与否影响极大，所以，要研究工作面的保水开采，就应首先对工作面的导水裂缝带发育状况进行预测研究。

2.1 覆岩导水裂缝带高度分析计算

目前，国内外有关导水裂缝带高度的研究方法主要有经验公式法、模拟计算法、变形分析法、现场实测法以及深井物探法等［5］。本文拟采用经验公式法对我国西部某矿1001工作面导水裂缝带高度进行计算。其中，9号煤层平均厚度3.2m，上覆最近含水层距煤层距离为58m。导水裂缝带高度的经验计算公式见表1。

表1 导水裂缝带高度经验计算公式

故工作面回采后导水裂缝带的预测高度为17.4m～25.4m，达不到上覆含水层的高度，预计可以实现保水开采。

2.2 保水开采技术分类体系

根据工作面回采后形成的覆岩导水裂隙带高度计算结果，进而分析长壁工作面和柱式工作面在不同基岩条件下的开采特征，可得到浅埋煤层保水开采分类体系［6］，如表2所示。

3 保水开采的模拟计算

根据1001工作面地质生产条件建立UDEC数值计算模型。本工作面煤层为近水平煤层，采用单一走向长壁后退式综合机械化开采，在对现场实际地质生产状况进行简化和抽象的基础上，设计数值模拟模型为水平模型，尽量规避无关因素的影响，以期模拟得到回采后顶板裂隙的发展效果。所建模型大小为300m×70m，本文模型及回采空间图如图1。本文的模拟计算中，煤岩体和节理的物理、几何参数是在现场的原岩参数的基础上确定的。

模拟结果分析如下：图2为导水裂缝带发育图，图3为覆岩铅垂位移图。根据图2所示的顶板破坏图可知，上层煤回采后，工作面顶板垮落，覆岩自下而上发生移动破坏，形成一定高度的导水裂缝带，裂缝带高度为27.0m～28.3m，均比经验公式计算所得高度上限值大。根据图3所示的铅垂位移值，也可大致判别出导水裂缝带的发展高度。在此高度下，导水裂隙带与含水层不形成沟通，为含水层下的回采提供了安全保障，也能够实现西部缺水地区的保水开采。

表2 浅埋煤层保水开采分类体系

图1 数值模型及回采空间图

图2 导水裂缝带发育图

图3 覆岩铅垂位移图

4 结语

根据浅埋煤层保水开采机理的理论分析，在前人研究成果的基础上，利用理论计算方法得出某矿1001工作面回采后导水裂缝带的预测高度为17.4m～25.4m，达不到上覆含水层的高度。同时，利用UDEC数值模拟软件，模拟得出裂缝带高度为27.0m～28.3m，均远未达到地质条件中给出的煤层至含水层的距离。预计在此高度下，导水裂隙带与含水层不形成沟通，能够实现本工作面的保水开采。并且，在工作面推采过程中，应尽量加快工作面推进速度，减少对覆岩的扰动，更好地确保实现保水开采。

［1］ 刘爱兰.浅埋资源绿色开采关键技术［J］.中国矿业，2009，18（7）：62-66.

［2］ 王悦平，胡永凯，李晓辉.浅埋煤层保水开采简述［J］.山东煤炭科技，2009（6）：74-75.

［3］ 师本强.陕北浅埋煤层砂土基型矿区保水开采方法研究［J］.采矿与安全工程学报，2011，28（4）：548-552.

［4］ 马立强，张东升，刘玉德，等.薄基岩浅埋煤层保水开采技术研究［J］.湖南科技大学学报：自然科学版，2008，23（1）：1-5.

［5］ 刘英锋，王世东，王晓蕾.深埋特厚煤层综放开采覆岩导水裂缝带发育特征［J］.煤炭学报，2014，39（10）：1970-1976.

［6］ 刘玉德.沙基型浅埋煤层保水开采技术及适用条件分类［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2008.