陕北浅埋煤层绿色保水开采技术研究

2020-03-30余学义张冬冬

煤炭工程 2020年3期

余学义，张冬冬，2，陈辉，3，穆驰，2

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安 710054；2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安 710054；3.陕西能源职业技术学院能源工程系，陕西咸阳 712000)

陕北矿区大规模开发以来，为国家经济建设贡献了大量的煤炭资源。煤炭资源采出致使地表水体破坏，加剧土地沙漠化，煤炭大规模开采引起的生态环境问题日益严峻。实现陕北矿区绿色保水开采、环境友好与经济协调发展成为地区和采矿行业重大研究课题[1-5]。国外进行保水开采的研究较早，最早可追溯至16世纪比利时烈日城的地下饮用水源由于开采活动被破坏，责任者被处以死刑，并规定地下开采深度必须大于100m。19世纪以后煤炭资源开采强度加大，主要采煤大国都非常重视采煤对地下水体的影响，由于煤炭开采引起地下水体破坏、地表水体消失、生态环境损害，为此美国学者开始研究开采引起的水资源和环境破坏问题[6，7]。澳大利亚、波兰等国家针对煤炭开采引起地下水破坏的问题进行了深入研究[8]，为了管理矿区污水建造地下防渗帷幕进行集中处理。格威尔兹曼通过相似模拟试验确定覆岩导水裂隙带高度[9]。澳大利亚B.霍勃尔瓦依特博士等通过对浅埋煤层覆岩规律进行研究认为，浅埋煤层开采以后采空区迅速压实、覆岩出现整体移动的现象[10]。浅埋煤层在国内大范围开采，由于其特殊的覆岩运动特征，引起了国内学者的广泛研究。范立民认为保水开采的核心是保水位，保护隔水层的稳定是保水开采的关键，通过保水分区选用不同的采煤方法，但分区指标选取不明确，实际应用仍有困难[11]。黄庆享通过对浅埋煤层上行及下行裂隙发育规律的研究认为上下行裂隙贯通是隔水层保水的关键，给出隔水层保水开采判据，同时对榆神矿区开采条件不同进行指标分类[12]。李亮、王新伟等提出旺格维利采煤法、房柱式采煤法、巷式开采充填法等开采方法，取得了较好的实践效果，但采出率低、经济效益不高[13，14]。赵兵朝、余学义通过关键层理论判断关键层稳定性，引入广义损伤因子建立了保水开采识别系统，能够很好解释覆岩运动规律，与现场实测相吻合[15]。本文以王家沟煤矿地表含水层保水开采为背景，采用理论计算和相似模拟试验相结合的方法，研究采动导水裂隙带发育规律，提出了留煤柱限高开采的方式，保护地下含水层不受采动损害。探索保水开采新思路，为陕北矿区绿色保水开采技术提供理论依据。

1 工程概况

王家沟煤矿位于陕北榆神矿区，为厚基岩薄松散层浅埋煤层。可采煤层为3、4、5煤层，5煤平均开采厚度为4.6m，工作面长度200m，平均埋深98m。煤层顶板以粉砂岩为主，岩层坚硬致密，属中硬岩层，厚度可达60m。地表为风积沙松散层，为萨拉乌苏组潜水含水层，地下水大量赋存其中，厚度20m。松散层底部有10m红土，包含大量的蒙脱石等黏土矿物，是良好的天然隔水层。5煤顶板柱状图如图1所示。

图1 地层综合柱状图

2 覆岩力学模型分析

2.1 覆岩结构及移动变形规律分析

煤层开采之后原始应力破坏，覆岩发生移动变形，向内部深处延伸，直至发育至地表。根据覆岩移动变形最终形态可分为垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。若覆岩中存在厚而坚硬的控制性岩层即关键层，由于其对上覆岩层的控制作用，能够有效的控制顶板的破断失稳，进而抑制顶板导水裂隙带的发育。只要导水裂隙带位于隔水层之下或裂隙不发育至隔水层顶端便能实现保水开采。王家沟煤矿顶板覆岩以粉砂岩为主，存在关键层。运用关键层理论对岩层进行分层判别，认为王家沟煤矿覆岩存在两层关键层，亚关键层在下，主关键层在上。亚关键层位于直接顶之上，厚17m；主关键层位于红土之下，厚24m。

由于采高较大煤层开采以后，形成巨大离层空间，顶板在上覆岩层载荷作用下冒落失稳。亚关键层亦随后破断失稳，只能在其上位岩层形成“铰接岩梁结构”控制局部岩层移动。随着开采尺寸逐渐增大，亚关键层逐步垮落，稳定后处于裂隙带，无法控制上覆岩层运动。随着岩体移动变形向上传递，主关键层下位岩层与亚关键层同步运动。但由于岩体的碎胀以及“铰接岩梁结构”的支撑作用，致使离层空间逐渐减小。由于各岩层岩性及结构差异，在发生弯曲变形时挠度不同，岩层极限挠度小于岩层下部离层空间时岩体内部产生拉应力容易破断，反之发生挠曲变形但依然连续，形成弯曲下沉带。结合研究区覆岩结构特征，弯曲下沉带极有可能位于主关键层位置，因此主关键层的稳定性决定了导水裂隙带发育高度。

根据弹性薄板小挠度理论[16，17]，对顶板中可能出现离层的岩层，建立薄板挠曲变形坐标系如图2所示，则该均布荷载岩层的挠曲面微分方程需满足四边固支板边界条件。

图2 薄板挠曲变形坐标系

岩板任意一点挠度[18]为：

式中，w(x，y)为任一点挠度，m；w0为关键层极限跨距时最大挠度，m；D为薄板的挠曲刚度，kN·m；b为工作面开采长度，m；a为工作面走向开采长度，m；q为岩层承受上部均布荷载，kPa 。

经过计算王家沟煤矿关键层最大挠度(下沉)为0.62m，受到采动影响易变形破断。为了保障关键层稳定性，必须控制上覆岩层的运动，致使关键层位置离层空间小于关键层极限挠度。

2.2 协调开采原理

根据采场顶板垮落规律，顶板悬空到一定长度必然发生断裂。故构建“围岩-采场”协调开采力学模型，利用协调开采原理，限高开采留设部分煤柱，支撑上覆岩体。协调开采力学模型如图3 所示，走向长度由AB减小至CD，极限跨距LCD

依据协调开采原理，1502工作面采用限高留煤柱开采方法，协调开采示意图如图4所示。在工作面走向方向留设煤柱，协调减小关键层挠曲变形及关键层的极限跨距，确保关键层的稳定。因此留设煤柱高度需满足：

h柱>m-w0-(KS-1)hk

(3)

基于王家沟煤矿开采地质条件及覆岩力学参数：

h柱>4.6-0.62-(1.15-1)×

图3 协调开采力学模型

图4 协调开采示意图(m)

借鉴现有研究成果[5]，工作面正常采高4.6m，留设煤柱高度取2m，煤柱上方限高开采高度为2.6m，留设30m煤柱，煤柱间距70m，工作面开采时，直接顶随釆随落，围岩压力向深处转移至协调煤柱，作为新的支撑点，边界煤柱支撑压力转移至两个梯形带煤柱上。煤柱的支撑作用可减小覆岩破坏程度和范围，减小主关键层下部岩层变形形成的离层空间，主关键层和隔水层发生弯曲下沉时未达到极限挠度，关键层没有产生裂隙或发生破断，有效地保护关键层稳定性。

3 物理相似材料模拟实验

3.1 实验方案

根据实验室条件及工作面实际开采情况，实验采用长5m，高1.8m，宽0.2m的模型架，模型比例为1∶100。实验所采用相似材料骨料为河沙，辅料为水、大白粉和石膏，相似材料配方配比见表1。实验模型采用对比的方式展开研究，模型划分为1501、1502两个工作面，工作面之间留设30m煤柱。1501工作面长度200m，采高4.6m，采用一次采全高开采方法；1502工作面长度170m，正常采高4.6m，留煤柱限高开采时采高2.6m。开采模拟实际进尺，留煤柱开采时填充木条模拟留设煤柱。

表1 相似材料配方配比

3.2 试验结果分析

1)1501工作面开采过程中亚关键层未破断前，亚关键层控制着上覆岩层的运动，上覆岩层无离层现象；随着开采的进行，亚-主关键层依次破断失稳，导水裂隙高度逐渐增大，直至地表出现大面积下沉；至回采结束冒落带高度45m，导水裂隙带高度94m，导水裂隙最终形态为“马鞍形”，如图5所示。覆岩整体向下运动，覆岩呈冒落带和导水裂隙带两带分布，地表出现明显下沉盆地，盆地中心达3.3m。通过实验可知，导水裂隙高度呈间歇式变速增大，关键层能够很好的抑制导水裂隙带发育，关键层的稳定性决定着隔水层的稳定，随着关键层失稳，导水裂隙带贯穿整个隔水层，导致水体与裂隙贯通，进入采空区。因此一次采全高致使关键层失稳，破坏萨拉乌苏组含水层水体，导水裂隙发育最大高度与工作面开采宽度的关系如图6(a)所示。

图5 覆岩冒落带发育高度

2)1502工作面开采过程中，覆岩经历了与1501工作面相同的过程，但由于煤柱的支撑作用，压力显现及岩体破断程度减小。直至回采结束，关键层发生弯曲下沉，上覆松散层同步运动，裂隙发育至关键层内部闭合。最终冒落带高度35m，最大导水裂隙带高度60m，位于关键层中上部，未与隔水层贯通，最终形态为中间高两边低的“拱形”。覆岩呈现“三带”分布，地表下沉较为平缓，最大下沉值为1.8m，覆岩冒落带发育高度如图5所示。实验表明，限高留煤柱开采导水裂隙发育曲线较一次采全高平缓，导水裂隙发育最大高度与开采宽度的关系曲线如图6(b)所示，由图6(b)可知煤柱能够有效的控制主关键层运动，有协调主关键层的挠曲变形作用，保证主关键层的稳定，从而抑制导水裂隙带发育，使隔水层整体下沉未产生导通裂隙，达到保护含水层的目的。