浅部煤层开采下渗带形成机理及计算方法分析

罗江发

摘要：煤层开采，特别是在含水层下开采的浅部煤层，新生界含水层对该类煤层安全开采影响极大。若下渗带与导水裂隙带连通，含水层会通过开采后形成的导水裂隙带与在上部含水成水头压力作用下形成的下渗带充入工作面，给煤矿安全生产带来影响，本文通过分析下渗带带的形成机理及计算方法，为浅部煤层开采防止新生界含水层充入工作面合理留设防水煤柱提供一点个人认识。

关键词：煤层开采；下渗带；承压含水层；水压；

中图分类号：TD82文献标识码：A文章编号：1674-3520（2014）-06-00283-02一、下渗带形成机理

煤系地层属于沉积岩层，其中性质较为脆硬的砂岩层主要分布有成岩裂隙水，且多以层状出现，当浅部砂岩层直接与上覆松散承压含水层直接接触的时候，上覆松散承压含水层水体将向浅部砂岩层渗透补给。研究表明：随着埋深的增加，深部岩石渗透性能越差，隔水性能则越好。

对潘一矿1111(3)、1421(3)、1402(3)，潘三矿17110(3)、1221(3)等与下含水有关的出水工作面的地质资料进行初步分析后，发现这些工作面共同具有以下三个特点：

（一）这些工作面位于新生界下含沉积时期古河床中心地区，该地区下含砂砾层、砂层发育，沉积厚，富水性强。

（二）第四系下部砂砾承压含水层均直接覆盖在煤系地层之上，构成“天窗”区，该含水层与煤系地层有一定的水力联系。

（三）煤层顶板均以砂岩为主，且裂隙发育。

通过分析出水工作面的特点，可以断定在煤层开采前，承压含水层水体向煤系砂岩层面产生“下渗带”需要有一定的水文工程地质条件作前提。其次煤系地层上部的砂岩层需与松散层底部直接接触，其间不存在粘性土等隔水层。在具备上述前提条件的同时，还需做一假定：高承压松散含水层水体在砂岩中的渗流均是沿着层面进行的。

图1“下渗带”形成示意图

在具备了上述水文工程地质条件的前提下，承压含水层的水体在高水头压力的作用下沿着煤系砂岩层层面缓慢向其下部砂岩层渗透，由于砂岩裂隙含水层在一定深度处，其渗透性方面呈封闭状态，导致渗流量降低，根据达西定律，其渗透速度非常的缓慢，从而出现了快速而完全的压力传递与缓慢的渗流速度并存的现象，即“渗压不渗流”的现象。承压水水压在煤系地层的传递使得砂岩层层面在水压力的作用下产生一定程度的破坏，当在一定深度处，砂岩层层面在地应力和水压力共同作用下，达到了极限平衡状态，即砂岩层层面不再因为有水压的作用而遭到破坏，在这里把这个深度称之为“下渗带”深度，在此深度下的煤系砂岩层中没有流出口的情况下(如煤层开采前的天然状态)，便形成了一个无通畅渗流出口的封闭系统，则水不能流出，形成一种研究区内承压含水层水向下入渗深度不同、大范围的高承压、缓流动的承压渗流现象，这便是研究中提出的煤系地层采前形成“下渗带”的机理(见图1煤层开采前)。

在煤层开采之后，煤系上覆岩层遭到破坏，形成以冒落带、导水裂隙带为主的覆岩破坏带，当导水裂隙带的高度没有达到或没有高出“下渗带”的情况下，此封闭系统未被破坏，在这个无通畅渗流出口的封闭系统中，煤系地层上覆含水层的水体还是不能流向采场工作面中；当导水裂隙带的高度达到或高出“下渗带”的情况下，此封闭系统被破坏，煤系地层上覆含水层的水体便通过“下渗带”和导水裂隙带、冒落带为主的覆岩破坏带流向采场工作面中(见图1煤层开采后)。

二、下渗带计算

在浅部煤层开采之前，松散层下部含水层与煤系地层直接接触时，下含水在高水头压力下与煤系地层发生采前出现“渗压不渗流”的现象，形成“下渗带”深度。

由于繁琐和大量的指标会给工程技术人员增加很多工作上的困难，在计算“下渗带”深度时，应当在遵循简单、实用、指标不宜过多且容易获得的原则下进行，这样所获得的计算公式可使煤矿工程技术人员容易掌握和操作，具备推广应用的价值。

由“下渗带”的形成机理我们知道：高承压松散含水层水体向下部煤系砂岩渗透补给到“下渗带”深度时，承压含水层的压强水头快速而完全的传递到该深度处，高承压松散含水层水体的压强水头是形成“下渗带”的关键因素， 因此，我们选择承压含水层水体在含水层处的水压值作为一个计算指标。

煤系地层在形成过程中所呈现的层状特性决定了其最主要的软弱面就是层面，对于软弱面的描述涉及到空间分布、力学性质等各种方面，对于煤层开采这样一个地下工程，获得上述描述软弱面的指标是非常的困难的；层面作为一个沉积结构面，其产状一般与岩层一致，而岩层产状尤其是岩层倾角的获得，相对来说比较容易，因此，我们选择岩层倾角来描述层面这个软弱结构面的空间分布特性；层面的抗拉强度作为描述层面这个软弱结构面的力学性质特征。

煤系地层中原岩地应力是影响煤矿采场工程稳定性的重要影响因素，煤层开采前，煤系地层中的层面在原岩地应力的作用下处于稳定状态，且该层面中任一小单元体的地应力状态，一般都可简化为三个方向大致相互垂直的主应力。因此，我们选择原岩地应力作为描述层面这个软弱结构面的力学性质方面的指标。

综上所述，我们选择承压含水层水体所承受的水压值、原岩地应力值，岩层的倾角和层面的抗拉强度四个指标来计算“下渗带”深度值。

煤系地层中出现“渗压不渗流”现象时，水体仅缓慢渗流到“下渗带”深度处，该深度处砂岩层层面在地应力和水压力共同作用下，处于平衡状态。由此，我们可以利用这个平衡状态，建立关系式求得“下渗带”深度，下面对具体推导过程做一简要阐述。

从图1煤层开采前图中“下渗带”深度处的砂岩层面中取一微小单元体，分析该单元体的受力情况(见图2)。

根据弹性力学中对任意斜面法向应力的计算公式，经过三角运算整理可以求得层面上的法向应力为：

在“下渗带”深度处层面中受到的水压力为：

通过分析，可以得到淮南煤田潘集矿区地应力值随深度变化的计算公式：

由于该层面在水压和原岩地应力的共同作用下处于平衡状态，所以下式成立：

以上各式中：σ1、σ3——分别为最大最小主应力；

α——层面的倾角；

H——砂岩层层面微元体的埋深；

γ——水的重度(这里取0.01MN/m3)；

P水压——承压含水层的水头压力；

h——承压水头埋深(结合现有实测资料可取10m)；

σT——岩体弱面的抗拉强度(如无实测值的情况下，可根据矿区经验取值)。

综合以上各式，并设松散层厚度为 ，从而求得“下渗带”深度的数值：

三、下渗带理论应用于出水工作面实例计算分析

对潘一矿1111(3)、1421(3)、1402(3)，潘三矿17110(3)等与下含水有关的出水工作面的调查资料进行汇总，并使用“下渗带”深度理论计算公式，计算求得这些工作面的“下渗带”深度的理论计算值(见表1)。

由表1可以看出，出水工作面上覆承压含水层的水头压力值在2.76～3.21MPa之间变化，高承压松散含水层水体在高水头压力的作用下，向煤系地层渗流，并产生快速而完全的“渗压不渗流”与缓慢的渗流速度并存的现象，从而形成了数值在23.90m～29.42m变化的“下渗带”深度，在这个深度之内下含水与煤系地层的砂岩裂隙水产生了一定的水力联系，工作面在回采过程中均不同程度的出现了出水现象。

四、结束语

在浅部煤层开采中，特别是在Ⅰ类水体下采煤，若工作面开采的导水裂隙带发育高度与新生界下部含水层的下渗带发育不互相沟通，工作面开采一般不会出现新生界水充入工作面现象，从而能够为合理留设安全防水煤柱提供依据。

参考文献：

[1]煤矿防治水规定,2009

[2]徐芝纶.弹性力学.高等教育出版社,2006

[3]李义昌.地下水动力学.中国矿业出版社1995

[4]房佩贤,卫中鼎,廖资生,等.《专门水文地质学》,地质出版社,北京,2002

[5]潘谢矿区中部矿井合理开采上限研究