浅埋煤层保水开采岩层控制研究

黄 庆 享

(西安科技大学 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

浅埋煤层保水开采岩层控制研究

黄 庆 享

(西安科技大学 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

我国西部浅埋煤层保水开采的核心理念是保护生态水位，保水开采岩层控制的理论基础是隔水层的稳定性。基于陕北浅埋煤层煤水赋存条件，通过物理模拟和地裂缝实测分析，揭示了浅埋煤层隔水岩组的“上行裂隙”和“下行裂隙”发育规律，发现了“上行裂隙”和“下行裂隙”的导通性决定着隔水岩组的隔水性。通过理论分析，给出了“上行裂隙带”发育高度和“下行裂隙带”发育深度的计算公式，建立了以隔水岩组厚度与采高之比(隔采比)为指标的隔水岩组隔水性判据。据此，提出了保水开采分类方法，基于神府矿区条件给出了分类指标范围。

浅埋煤层；隔水岩组；隔水性；采动裂隙；保水开采

我国西部毛乌素沙漠边缘的神府煤田煤炭储量丰富，仅陕西境内的储量就达到2.4×1011t，被列为世界七大煤田之一[1-2]。神府矿区煤层埋深40～580 m，初期开发的煤层埋深一般在100～200 m以内，属于浅埋煤层。黄庆享在1998年以埋深、覆岩垮落特征和基载比为指标，提出了岩层控制意义上的浅埋煤层概念[3]。2002年以关键层为指标对浅埋煤层进行了科学定义[4](2003年编入教科书《矿山压力与岩层控制》[5])：① 煤层埋藏浅，顶板具有单一关键层，覆岩垮落表现为垮落带和裂隙带“两带”，顶板破断形成“台阶岩梁”结构的煤层定义为典型的浅埋煤层[6]；② 煤层埋藏较浅，顶板具有两组关键层，单双关键层破断导致大小周期来压，大周期来压具有台阶下沉特点，覆岩垮落具有“三带”特征，此类煤层定义为近浅埋煤层[7]。浅埋煤层开采裂隙带导通含水层或地表水体，引起隔水层失稳，导致大量的地下水流失，对生态造成了严重破坏[8-10]。目前，神府矿区正在大规模开发，2015年核定生产能力已经达到3.49×108t/a，采煤与保水并举成为浅埋煤层岩层控制的重要课题。钱鸣高于2003年提出了绿色开采技术方向[11]，保水开采是其重要技术途径，2007年又提出了科学采矿思想[12]，强调了提高采出率和保护环境是科学采矿的重要指标。缪协兴等应用关键层理论，研究了裂隙带内隔水关键层结构稳定性的概念模型[13]。杨泽元等研究表明，地表植被生长与地下水位埋深密切相关，地下水位下降是地表生态恶化的主要原因[14]。据此，王双明等提出，陕北神府煤田的保水开采重点是保护地表生态水位不下降，关键是确保采动过程中隔水层的隔水性不被破坏[15-16]。

神府煤田的煤水地质特征是“水在上，煤在下”，煤层覆岩由基岩和黏土层组成，共同构成隔水岩组[17]。掌握采动顶板裂隙发育规律，揭示隔水岩组的稳定性是浅埋煤层保水开采岩层控制的核心；根据隔水岩组的稳定性进行保水开采分类控制，是实现神府煤田可持续发展的科学途径。

笔者以神府矿区浅埋煤层地层条件为工程背景，采用应力应变全程相似和水理性相似固液耦合模拟技术[18-19]，揭示了浅埋煤层采动覆岩裂隙发育规律[20-22]，确定了“上行裂隙”和“下行裂隙”的计算方法；建立了以“下行裂隙”和“上行裂隙”为主要指标的隔水层稳定性判据，提出了以隔水岩组厚度与采高比(隔采比)为指标的保水开采分类方法，系统地形成了浅埋煤层保水开采岩层控制基本理论，为浅埋煤层保水开采提供科学依据。

1 煤层覆岩隔(含)水岩组分类

神府矿区可采煤层和局部可采煤层12层，全区储量最大的主采煤层是2-2煤层，位于煤系顶部，煤层倾角近水平。根据煤层覆岩的组合形态，划分为3类：

(1) 沙层-土层-风化层-基岩层类型，约占全区的65%，主要分布于榆神矿区；

(2) 沙层-风化层-基岩层类型，占全区的20%，主要分布于神北矿区；

(3) 土层-风化层-基岩层类型，占全区的15%，主要分布于新民区。

其中，沙层包括风积沙及萨拉乌苏组，厚度一般在10 m以内。沙土层含有潜水，水位埋深为0.9～9.27 m，是矿区主要含水层，该含水层的潜水是地表植被赖以生存和人民生活用水的宝贵水源；土层指离石黄土及三趾马红土，厚度一般20～80 m，是良好的隔水层；风化层指基岩顶面风化带，一般厚度20～25 m，为弱含水层；基岩层为主采煤层上覆未风化基岩，主要由砂岩构成，厚度变化较大，一般为30～380 m，与土层共同构成隔水岩组。

2 采动覆岩裂隙发育规律与隔水性

2.1 隔水岩组采动导水裂隙发育规律与隔水性

在考虑黏土隔水层应力应变全程相似和水理性相似条件下，针对榆神矿区榆树湾煤矿、海湾煤矿三号井和大砭窑煤矿的开展了隔水层稳定性模拟实验。研究表明，上覆岩土体的采动导水裂隙主要由“上行裂隙”与“下行裂隙”构成。“上行裂隙”由采动后顶板自下而上的垮落和离层下沉形成，主要在开采边界形成较集中的裂隙，裂隙发育高度较大，呈“马鞍形”分布，即通常所说的导水裂隙带。“下行裂隙”则是由隔水岩组下沉作用而产生的，自上而下发育的张拉裂隙。最大的“下行裂隙”也发生于开采边界的上部，与最大上行裂隙位置相对应，如图1所示。

图1 采动覆岩“上行裂隙带”和“下行裂隙带”

当煤层埋深较大时，“下行裂隙”的作用不明显，隔水岩组主要受“上行裂隙”影响。对于浅埋煤层而言，由于隔水岩组较薄，“下行裂隙”的影响比较显著，分析隔水层稳定性时必须考虑。

“上行裂隙带”与“下行裂隙带”在隔水层内的导通性决定着隔水岩组的隔水稳定性，简称隔水性。如果“上行裂隙带”与“下行裂隙带”导通，隔水岩组的隔水性丧失，上覆含水层或地表潜水将溃入采空区，导致矿井水害或地表水流失。反之，则隔水性稳定(图2)。通过采用合理开采方法，控制“上行裂隙带”发育高度或降低“下行裂隙带”发育深度，使隔水岩组保持隔水性，就可实现保水开采。

2.2 上行裂隙带发育高度

(1) 单一煤层开采。上行裂隙带发育高度的确定可以借鉴导水裂隙带高度计算方法。根据浅埋煤层隔水层稳定性相似模拟实验，“上行裂隙”发育最高的区域是工作面煤壁上方的隔水岩组最大下沉区，该区域拥有最大下沉梯度和曲率。这与前苏联学者格维尔茨曼[23]大量实测研究的结论一致，他得出全部跨落法采煤时导水裂隙带顶部岩层极限曲率Kt与导水裂隙(上行裂隙)带高度Hs的关系为

其中，Kt为导水裂隙带顶部岩层极限曲率；Hs为上行裂隙带高度，m；q0为隔水岩组最大下沉系数；M为采高，m；δ0为岩层移动的极限角，(°)；φ3为充分采动角，(°)。根据实践经验，q0和cotδ0+cotφ3数值变化幅度不大，一般可取0.7和1.1，则式(1)可简化为

由此得出，导水裂隙带高度与采高成正比，与裂隙带顶部隔水岩组的极限曲率成反比。上行裂隙带顶部隔水岩组的极限曲率越大，即隔水岩组的柔性越大，导水裂隙带发育越小。

我国对裂隙带高度实测研究认为，缓倾斜煤层开采导水裂隙带的高度与采高近似呈正比关系，软弱顶板时为8～12倍采高，中硬岩层为12～18倍采高，坚硬岩层为18～28倍采高[24]。根据实测和模拟研究，神府矿区部分矿井覆岩“三带”高度见表1，导水裂隙带发育高度一般为18～28倍采高。

表1 浅埋煤层覆岩“三带”高度

Table 1 Height of “three zone” in shallow seam overburden

矿井工作面采高/m基岩厚度/m垮落带/m裂隙带/m弯曲下沉带裂隙带高度/采高大柳塔12034.0429>42无>10大砭窑矿3.0385>38无>12活鸡兔212013.566675无>21海湾3号井3.353570无>21榆树湾5.01201290有18

(2) 分层开采。根据柴里、梅河、淮南等矿区的实测[24]，在分层重复采动时，导水裂隙带高度随采高增加的幅度越来越小。相同厚度的第2,3和4分层开采的导水裂隙带高度增量分别为1/6,1/12和1/20。第1分层开采导致的导水裂隙带高度最大。因此，对于厚煤层开采，第1分层采高不宜过大。采用分层限高开采，可以降低导水裂隙带的总高度，提高隔水岩组的稳定性和保水开采的可能性。

2.3 下行裂隙带发育深度

(1)“下行裂隙”发育形态

工作面开采后，隔水岩组弯曲下沉将导致地表(或隔水岩组的上表面)出现张拉，产生向下发育的下行裂隙(图3)。地表最大下行裂隙一般位于采空区边界内侧，呈“O”形环绕。随着工作面的推进，环状下行裂隙将按照一定的距离周期性出现，并随着新裂隙的出现而回转闭合。裂隙的宽度和深度与采深、采高、顶板管理方法、土层性质及其厚度有关。采动地表的下行裂隙一般为楔形，上口大，越往深处宽度越小，在表土层一定深度处尖灭。

(2)“下行裂隙带”发育深度

对于神府矿区而言，隔水岩组由基岩层、风化层、黏土层组成，“下行裂隙带”的发育深度与隔水岩组厚度、性质、采高等参数有关。模拟实验研究发现，如果采用放顶煤开采或基岩直接出露地表时，地表下行裂缝深度可达数十米。因此，降低一次采高，有利于隔水层稳定。

图3 采动地表裂缝

根据榆树湾煤矿厚煤层开采(地层条件见表2)和海湾三号井多煤层开采的物理模拟，采高5 m时，有土层的地表下行裂隙可达20 m，去除地表沙土层厚度10 m，深入隔水岩组的裂隙深度达到10 m，约为2倍采高。榆树湾煤矿采用5.5 m分层大采高开采，降低了一次开采厚度，保障了隔水岩组的隔水性，实现了安全、高效、保水开采。

表2 榆树湾煤矿地层覆岩特征

Table 2 Overburden properties of Yushuwan Coal Mine

岩层平均厚度/m岩性描述风积沙10.0粉-细沙,粉-中沙黄土25.0亚黏土及亚砂土,隔水红土75.0黏土、亚黏土,隔水风化岩20.0砂岩和泥岩风化层,含水基岩100.0泥岩,中砂岩,粉砂岩煤层11.62-2煤层,f=2.44

(3)“下行裂隙”控制参数

榆树湾煤矿地表岩移实测得出，工作面后方存在主要下沉区，即图4中煤壁后方80 m范围内的区间。该区间约为覆岩厚度的1/2，该区间内下行裂隙最发育。柠条塔煤矿地表实测也得到这种规律。

图4 实测工作面地表下沉曲线

将下沉曲线中单位宽度上的下沉量称为下沉梯度Ts，则有

式中，w为最大下沉量，m；r为曲率半径，m。

可见，通过控制顶板运动，增大沉降区宽度，可以降低下沉梯度，减缓导水裂隙的产生。

(4)“下行裂隙”发育深度

根据力学原理可知，隔水岩梁拉应变超过极限拉应变εt时，便发生破坏并向下发展。

如图5所示，在裂隙尖部边缘取微元，设间距为dx的两个截面在变形后绕中性轴相对旋转了dθ，ρ为隔水岩组中性层曲率半径，bb应变为

图5 下行裂隙底部微元分析

设 “下行裂隙”深度为hx，顶板垮落后隔水岩组厚度为hg=H-hm，下行裂隙底端y=(hg-hx)/2处的应变最大，由式(4)和式(5)可得

实际应用中，由于下行裂隙计算公式中许多参数难以确定，一般采用物理模拟和数值计算确定。

3 隔水性判据与保水开采分类

3.1 隔水岩组的隔水性判据

当隔水岩组内“上行裂隙”和“下行裂隙”未贯通时，如果还存在一定厚度的有效隔水层，就不会透水。根据规程[25]，采动后最小安全隔水岩组厚度达到3倍采高(黏土隔水岩组)或5倍采高(基岩隔水岩组)时，可以达到工程安全。因此，采用有效隔水岩组厚度与采高之比作为隔水性指标，称为隔采比，记Gc。隔水岩组隔水性判据为

式中，H为隔水岩组厚度，m。

根据研究，神府矿区维系地表植被的合理生态水位为1.5～5.0 m[15]。根据大柳塔双沟泉域开采区的监测，自1993年相继开采1203,1205和1207等长壁工作面后，双沟泉流量逐年下降，2002年断流，到2007年(历经10多年)仅恢复到原流量的20%[26]。根据陕北生态脆弱矿区保护生态水位原则，保水开采必须保持隔水岩组的隔水性。

3.2 保水开采分类

覆岩隔水岩组的厚度、性质和采高不同，隔水岩组的稳定性不同。根据隔采比指标对保水开采进行分类，有利于从宏观上确立对应的开采方法。

(1)自然保水开采类。采用一次采全高长壁开采方法，隔水岩组位于弯曲下沉带并保持隔水性，称为自然保水开采类。神府矿区基岩的导水裂隙带高度一般为18～28倍采高，取上限28倍；下行裂隙深度取2倍采高，代入式(4)，则神府矿区自然保水开采的条件为

Gc≥28M+2M+(3～5)M=(33～35)M

即，有效隔水岩组为黏土层(或基岩)时，隔水岩组总厚度超过33(或35)倍采高才能实现自然保水开采。对于神府矿区厚度为10m的厚煤层，如果采用放顶煤开采，则隔水岩组厚度必须大于330～350m才能实现自然保水开采。显然，大部分工作面不能满足自然保水开采条件。

(2) 限高保水开采类。当隔水岩组厚度介于18～33倍采高时，上行裂隙一般不会导通隔水岩组，隔水岩组的隔水性处于安全～临界安全状态。此类区域，可以通过限制一次采高的分层开采或协调开采等方式，控制裂隙带发育高度，实现保水开采，称为限高保水开采类。

如果按照采高3m计算，隔水岩组厚度为54～99m属于限高保水开采类；采高为5m时，隔水岩组厚度处于90～165m。神府矿区的大部分区域属于此类。榆树湾煤矿采用限高5.5m分层开采11m厚的煤层，取得了保水开采的成功。

(3) 特殊保水开采类。如果隔水岩组很薄，采动后隔水岩组完全处于垮落带或裂隙带，采动将导致隔水岩组完全破坏，需要采取充填开采等特殊开采方式实现保水开采，称为特殊保水开采类。陕北神府煤田的煤层覆岩一般属于中硬—坚硬顶板，为了工程安全取其上限，按照坚硬的板考虑，则导水裂隙带发育高度将超过18倍采高。采用长壁全部垮落法开采，采高为3～5m时，隔水岩组厚度小于54～90m的区域，属于特殊保水开采区。

对于此类区域，可采用采空区条带充填，实现保水开采。根据研究，对于神府矿区特殊保水开采条件，充填20%左右可实现75%左右的地表减沉效果。关于条带充填保水开采的隔水岩组稳定性判据及具体充填参数确定，见文献[27-28]。

4 结 论

(1) 浅埋煤层工作面开采后，顶板隔水岩组的隔水性主要受“上行裂隙”和“下行裂隙”影响。上行裂隙为自下而上发育的导水裂隙，下行裂隙为隔水岩组上表面产生的自上而下发育的拉伸裂隙。最大的上行裂隙和下行裂隙都位于开采边界附近。

(2)“上行裂隙带”和“下行裂隙带”在隔水岩组内的导通性决定着隔水性，其主要影响因素是采高、隔水岩组的厚度和性质。隔水岩组与采高之比，即隔采比，是隔水岩组隔水性的主要指标。

(3) 隔水岩组的“上行裂隙”发育高度和“下行裂隙”发育深度都与采高成正比，合理限制一次采高可以控制裂隙带发育高度，提高隔水岩组稳定性。

(4) 基于隔采比建立了隔水岩组隔水性判据，将保水开采主要分为自然保水开采类、限高保水开采类和特殊保水开采类3种类型。对于神府矿区，隔采比大于35，属于自然保水开采类；隔采比小于18，属于特殊保水开采类；隔采比介于18～35，属于限高保水开采类。

(5) 采取合理的开采布置和顶板控制措施降低隔水岩组采动裂隙发育程度，充分利用裂隙弥合性质，可以实现经济的保水开采。

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Research on roof control of water conservation mining in shallow seam

HUANG Qing-xiang

(KeyLaboratoryofWesternMineExploitationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China)

The core idea of the shallow buried coal seams in Western China is to protect the ecological water level.The theoretical basis of the strata control in water conservation mining is the stability of the water resisting layer.According to simulation model tests and mining surface cracks observation,it reveals that the cracks of overburden strata induced by mining are mainly composed of “upwards cracks” and “downward cracks”.The water resisting property of overburden aquifer layer depends on the interpenetration of mining cracks band.The calculation formulas of the height of upward crack zone and the developing depth of downward crack zone are set up.Based on the thickness of the water resisting strata to the mining height,so-called resisting-mining thickness ratio,the water resisting criterion is established,and the classification method of water conservation mining is also put forward.Based on the overburden condition of Yushenfu mining area,the classification index range for the water conservation mining in shallow buried coal seam is suggested.

shallow seam；aquifer layer；water resisting property；mining cracks；water-preserved mining

享.浅埋煤层保水开采岩层控制研究[J].煤炭学报,2017,42(1):50-55.

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5006

2016-09-01

2016-10-22责任编辑:韩晋平

国家自然科学基金资助项目(51674190，51174156)；陕西省社会发展科技攻关资助项目(2016SF-421)

黄庆享(1966—)，男，新疆沙湾人，教授，博士生导师，博士。Tel：029-85583143，E-mail：Huangqx@xust.sn.cn

TD823

A

0253-9993(2017)01-0050-06

Huang Qingxiang.Research on roof control of water conservation mining in shallow seam[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):50-55.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5006