厚煤层综放开采对覆岩含水层影响评价及防治水措施研究

2019-06-24昝军才窦桂东吴章涛刘明武

煤炭工程 2019年6期

昝军才，窦桂东，吴章涛，刘明武

(陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西咸阳 713500)

小庄煤矿地处黄陇侏罗纪煤田彬长矿区，煤厚平均为18.01m，区内主要的含水层为白垩系洛河组含水层，而该含水层主要特点为含水层厚度大、富水性中等、无隔水边界，并且区内岩层具有典型的弱胶结、易风化、塑性变形大、强度低等力学特性[1，2]。因此，在煤层开采时若开采方案选取不合适极易引发水害事故。小庄矿原设计采用分层开采方法，矿井为提高生产效率，将原分层开采改为综采放顶煤工艺，由于调整后的回采工艺开采强度大，对顶板覆岩破坏程度增加，存在导通洛河组含水层可能，从而增大矿井的水害事故以及破坏地下含水层系统的可能性。因此，客观评价采用综放开采对煤层顶板含水层影响，对小庄煤矿综放开采条件下防治水技术措施的实施和配套排水系统布设具有重要意义。

目前，科研工作者对综放开采覆岩破坏规律进行了大量的研究[3-13]，但是随着矿井生产水文地质条件的变化，仍需在前期科研工作者研究的基础上进一步研究。本文基于小庄煤矿洛河组含水层下厚煤层综放开采为工程研究背景，通过理论分析、数值模拟和比拟分析等方法，在同时考虑矿井高产高效、工作面不受巨厚洛河组含水层威胁的条件下，来探讨西部矿井厚煤层综放开采覆岩破坏对地下含水层影响和提出对应的防治水措施。

1 工程概况

小庄煤矿位于黄陇侏罗纪煤田彬长矿区，主采4#煤层赋存于延安组第一段，煤层平均厚度为18.01m，煤层夹矸为泥岩和炭质泥岩，煤层的伪顶为小于0.5m的炭质泥岩，直接顶类型较多，有泥岩、粉砂岩、细砂岩、粗砂岩及砾岩。在煤矿范围内属较稳定煤层，全区大部可采。

根据小庄井田勘探资料，按岩性组合、岩石裂隙发育程度、富水性大小、含水层的含水介质及其埋藏条件等，由上而下划分为以下七个主要含水层组：第四系全新统冲、洪积层孔隙潜水含水层(I)；第四系中更新统黄土孔隙～裂隙潜水含水层；第三系(新近系)砂卵砾含水层段；白垩系下统洛河组砂岩孔隙～裂隙含水层(Ⅳ)；白垩系下统宜君组砾岩裂隙含水层(Ⅴ)；侏罗系中统直罗组砂岩裂隙含水层(Ⅵ)；侏罗系中统延安组煤层及其顶板砂岩含水层(Ⅶ)。其中，对4#煤层开采威胁程度最大的是距离4#煤层190.07m处的巨厚洛河组砂岩孔隙～裂隙含水层，采用综放开采后，由于开采强度加大，覆岩破坏高度增大，极易对工作面造成水害影响。

2 综放开采覆岩裂采比确定方法

2.1 关键层理论确定裂采比

关键层理论[14]表明，要实现综放开采条件下含水层的控制，确保不形成导水通道，关键在于综放开采导水裂隙带高度的确定，确保开采在上覆岩层主关键层失稳的临界尺寸内进行，主隔水关键层判别公式如下：

式中，qn为承载层载荷，MPa；γn为第n层岩层的容重，g/cm3；hn为第n层岩层的岩厚，m；En为第n层岩层的弹性模量，MPa。

按照式(1)的原则，由下往上逐层判别，直至确定最上一层可能成为关键层的硬岩层位置，按照确定的硬岩层还必须满足关键层的强度条件，即满足下层硬岩层的破断距小于上层硬岩层的破断距，即：

lj+1

(2)

式中，lj为第j层硬岩层的破断距，其可按初次破断跨距公式(3)计算，m；L为岩层的破断距，m；Rt为岩层抗拉强度，MPa；q为承载层载荷，MPa。

根据煤层开采顶板破断理论结合“砌体梁”理论进行综合评价，计算得出小庄矿现开采条件下煤层顶板“导水裂缝带”发育高度。小庄矿初步设计工作面综放开采厚度12m，对回采过程中采场覆岩“导水裂缝带”发育高度进行分析可知：工作面推进至173.42m，亚关键层5破断，亚关键层5不满足抗滑落失稳条件，即亚关键层5不能形成“砌体梁”结构，此关键层及其随动层48.21m岩层仍属于裂缝带，岩层规则垮落，导水裂缝带高度发育至亚关键层5顶部岩层，导高243.51m，裂高采厚比为20.30倍。

2.2 数值模拟确定裂采比

2.2.1 数值模拟模型及模拟过程

结合小庄煤矿4#煤层水文地质资料，建立走向长度1400m、倾斜宽度240m、模型高度600m的计算模型，分析小庄煤矿煤层开采覆岩破坏变化规律，煤岩体物理力学参数见表1。考虑到边界效应，X方向和Y方向边界为固定边界，Z方向上边界为自由边界。模型开挖平衡采用solve求解平衡，工作面开挖平衡后，分析推进过程中覆岩破坏变化规律，得出小庄煤矿4#煤层开挖过程中覆岩破坏规律。

表1 模拟计算力学参数表

2.2.2 数值模拟结果及分析

本文分别选取了推进过程50m和360m处覆岩变化规律，具体结果分析如下：

1)当工作面向前推进至50m时，由于开采扰动范围小，破坏区范围比较小，仅在煤层上方小范围内发生剪切破坏，直接顶下部受到小范围的剪切力作用而发生破坏；随着工作面的不断推进，煤层顶底板首先发生剪切破坏，进而在双向拉应力的作用下发生拉断、冒落现象。随着采空区顶板裂隙进一步扩展，采空区上方塑性区高度增加到28m。

2)工作面回采360m时的塑性区分布如图1所示，由图1可以看出，随开采扰动范围的不断扩大，在采空区自下而上，依次发育表现出拉伸破坏、剪切破坏和弹性变形区域分布，每一次老顶周期性的破断和垮落都会使得发生拉伸破坏的区域范围逐渐变大，同时上部剪切破坏的区域也在不断扩大，当工作面开采达到两个“见方”时顶板导水裂缝带基本达到最大值，其顶板导水裂缝带发育高度为228m，裂采比为19倍。

图1 工作面推进360m塑性区分布图

2.3 比拟分析确定裂采比

根据收集到的与小庄煤矿毗邻并且已经投产的亭南、大佛寺及胡家河煤矿导水裂缝带高度实测资料，通过类比分析法，进行小庄煤矿4#煤层综放开采导水裂隙带高度计算。相关矿井综放采煤条件下部分裂高采厚比统计见表2。

表2 相关矿井综放条件下裂采比

由表2可以看出，同一矿区其他毗邻矿井顶板导水裂缝带发育裂采比为15.09～22.20，整体与小庄煤矿计算结果较为一致。但小庄煤矿与胡家河煤矿开采条件最为相近，两者均采用综采放顶煤开采方法，最大设计采厚均为12m，胡家河矿工作面宽度180m，小庄矿工作面设计宽度200m。胡家河煤矿40101工作面T5孔实测煤层采后顶板导水裂缝带最大发育高度为225.4m，计算裂采比为18.79倍。

3 综放覆岩破坏特征及含水层影响评价

3.1 综放覆岩破坏特征

由上述三种确定裂采比的方法可以分析得出，小庄煤矿4#煤层开采采用综放开采时，顶板覆岩裂采比最大为20.30，最小裂采比为18.79，而4#煤层平均设计采厚12m，因此覆岩最大破坏高度为243.6m，最小破坏高度为225.48m，具体见表3。而根据矿井含、隔水层赋存关系图可知，4#煤层距洛河组含水层距离为190.07m。因此，采用综采放顶煤开采时，覆岩破坏高度已经破坏了洛河组含水层，进而增大了对回采工作面的水害威胁。

表3 小庄煤矿顶板破坏特征研究成果

3.2 覆岩破坏对地下含水层影响评价

根据煤层到上覆各含水层距离和导水裂缝带发育高度，采用“三图-双预测法”中冒裂安全性分区的评价方法，分别评价小庄煤矿煤层综放开采对上覆宜君组含水层、洛河组下段含水层、洛河组上段含水层的影响，评价结果如图2—4所示。

图2 综放开采对上覆宜君组含水层影响评价结果

图3 综放开采对上覆洛河组下段含水层影响评价结果

图4 综放开采对上覆洛河组上段含水层影响评价结果

通过上述对各含水层影响评价研究成果可知，小庄煤矿采用综放开采上分层，采高为12m条件下煤层顶板导水裂缝带发育高度将波及到宜君组含水层和洛河组下段含水层，按照现设计开采条件，4#煤采用综放开采对洛河组下段含水层产生一定影响，对洛河组上段含水层总体影响有限。在不波及上段含水层的前提下，井下涌水量基本可控，煤层开采也不会改变洛河组含水层的潜在供水功能及供水能力，对区域水生态影响较小。因此，为防止在采用综放开采时波及上段含水层必须采取一定的防治措施，确保裂隙带高度不波及到洛河组上段含水层。