分层开采对覆岩及含水层影响的相似模拟试验研究

耿逸鹏,张永波

(太原理工大学水利科学与工程学院,山西太原030024)

分层开采对覆岩及含水层影响的相似模拟试验研究

耿逸鹏,张永波

(太原理工大学水利科学与工程学院,山西太原030024)

以山西省长治市屯留县常村煤矿地质条件为原型,运用相似理论进行试验,对煤层开采引起的上覆岩层的移动变形规律以及对上覆含水层影响进行研究。相似试验结果表明,随着煤层开采厚度的增加,覆岩整体发生下沉,且下沉量逐渐增大；覆岩裂隙的发育与开采工作面推进距离呈现一定的规律性；裂隙随分层开采逐渐发育,虽未导通隔水层,但造成了含水层的疏干。

采空区；覆岩移动规律；含水层；相似模拟试验

0 引 言

山西省作为厚黄土覆盖区,是全国水资源匮乏的省份之一。厚黄土地区往往含有富水性好、厚度大的含水层,是当地的主要供水水源,但煤矿开采会对含水层造成破坏。山西作为能源大省,以煤炭资源为经济主体,煤炭的开采会形成冒落带、裂隙带和弯沉带[1],使与之关系密切的含水层受到影响。裂隙带会导通上覆含水层形成地下水向下渗透的主要通道,致使上层含水层被疏干,水量减少,破坏动态平衡,引发地下水位下降、泉水断流、含水层疏干等生态环境破坏问题。

本文运用相似模拟试验,研究山西省长治市屯留县常村厚黄土层煤矿不同埋深条件下的覆岩移动、裂隙发育和含水层底板破坏规律,对保护矿区地下水资源具有积极意义。

1 研究区的地质概况

常村煤矿位于高原盆地内的河谷平原,为厚黄土覆盖区,地层由上而下依次为第四系、二叠系、石炭系和奥陶系。此次模拟只列出开采煤层之上的地层,由老到新依次为：

(1)下二叠统山西组(P1S)。主要含煤地层,厚48.33 m。岩性为灰白色、灰色中细粒石英砂岩,灰色、灰黑色粉砂岩、砂质泥岩,夹1～4层煤。其中,下部的3号煤层为主要可采煤层,厚6.09 m。考虑试验需要,将本次的开采层厚度改变为7 m。3号煤上部多为灰色中细粒砂岩,厚数米至十米,为3号煤老顶,与下伏太原组地层呈整合接触。

(2)下二叠统下石盒子组(P1X)。厚61.97 m，连续沉积在山西组地层之上,顶部为紫红、紫灰等杂色含鲕粒的厚层状铝质泥岩或砂质泥岩,俗称桃花泥岩；中下部为灰色泥岩,砂质泥岩,灰色、灰白色石英砂岩；底部以灰白色厚层状细、中、粗粒石英砂岩与山西组分界。

(3)上二叠统上石盒子组(P2s)。厚91.74 m。岩性为紫红、紫灰等杂色泥岩或砂质泥岩,灰色、灰白色、黄绿色细、中、粗粒石英砂岩。底部以砂岩与下石盒子组分界

(4)第四系(Q4)。研究区的主要覆盖层,厚108.1 m。岩性为棕黄色、浅黄色亚粘土,含砂质粘土,夹姜石、砂砾层；顶部为耕植土,与下伏地层呈角度不整合接触。基岩面自北向南缓倾斜。

2 试验模型设计

试验以常村煤矿S6-9采区为原型,煤层平均厚度为6.09 m,实际倾角6°,模型按水平煤层考虑,工作面沿走向长度为885 m。煤层的直接顶板为灰黑色粉砂岩和泥岩,厚1.9 m,老顶为灰白色厚层状细粒粗砂岩,厚7.8 m,基岩主要由不同粒径的砂岩组成,顶板裂隙较发育。

本次试验模型开采采用分层开采,开采跨度270 cm,总厚度7 cm,先采上部3 cm,再采4 cm,开采速度为10 cm/h[4]。试验装置见图1。在模型的表面设置9排位移监测点,每排21个,同排观测点等距布设,间距为20 cm。试验过程中,应用DM-101AC全站仪对煤层开采过程中覆岩移动变化情况进行监测[5]。

表1 模型相似材料主要参数

图1 模拟试验布置

3 试验结果及分析

3.1 裂隙变化规律

本次试验分别统计2层煤层开采过程中面裂隙率的变化规律来研究对覆岩的影响。运用MapGIS K9软件对开采过程中拍摄的图片进行描绘,用软件中属性汇总功能统计裂隙的面积,比较分析多煤层开采条件下的覆岩变化规律。第1、2层开采过程裂隙发育分别见表2、3。采后覆岩裂隙见图2。采后裂隙长度、面积与推进距离的拟合曲线见图3。裂隙长度与裂隙面积拟合曲线见图4[6]。

表2 第1层开采过程裂隙发育

表3 第2层开采过程裂隙发育

图2 采后覆岩裂隙

图4 裂隙长度与裂隙面积拟合曲线

从以上分析可知,在开采煤层过程中,裂隙长度、裂隙面积与工作面推进距离呈线性相关,裂隙面积与裂隙长度呈三次多项式关系。拟合方程拟合度R2分别为0.96、0.95、0.88、0.81和0.98,方程为

L1=9.8565X-809.17
S1=3.9694X-77.157
L2=-0.000 5X3+0.171 6X2-9.537 9X+187 4.4
S2=-0.000 4L3+0.165 4L2-16.13L+155 1
S总=2×10-8L3-6×10-5L2+0.496L+222.32

式中,L为裂隙长度；S为裂隙面积；X为工作面推进距离。

从拟合曲线以及方程来看,第1层开采过程中,裂隙长度与裂隙面积均随着推进距离呈线性增长,表示裂隙在开采过程中一直向上发育；第2层开采过程中,裂隙长度与面积发育趋势缓慢,说明开采过程中,裂隙的发育速度降低,并且有部分裂隙闭合,使裂隙总长度的减小。裂隙面积随裂隙长度增大而增大,符合实际情况[7]。

3.2 覆岩移动规律

3.2.1 第1层煤层开采过程

观测线位移与推进距离关系见图5。图5a中可以看出,开采第1层过程中H1观测线上最大位移量约为350 m,在距离开切眼180 m处。煤层顶板覆岩随着工作面的推进逐渐开始垮落,垮落距离小于工作面的推进距离,说明覆岩的垮落过程是滞后于推进面。图5a中位移变化曲线呈现出向两侧扩张的趋势,垂直位移量没有较大的变化,随着工作面的推进,出现位移变化的观测点的个数增多,并且位移量基本保持在同一水平。图5b中观测点的变化包括水平上和垂直上的变化,水平的变化表示顶板随采随落,垂直方向变化说明覆岩垮落有滞后性。此外,图5a中曲线表现出对称性,在每个推进距离阶段有各自的对称轴。图5b中各个推进阶段曲线具有相似性,说明裂隙的发育方式相同。

图5 观测线位移与推进距离关系

3.2.2 煤层采后覆岩变化规律

煤层采后覆岩位移变化见图6。从图6可知,覆岩沉降量变化较大,图6a覆岩最大下沉量由350 cm增大到710 cm,图6b由230 cm增大至630 cm；碎涨系数分别从1.016和1.009上升到1.13和1.049。说明在多层煤层开采的条件下,覆岩沉降变形较大[7],表现在位移量的变大以及发生大位移量变化的监测点的数量增多。此外,两条曲线都表现出极大的对称性及相似性,说明第2层煤层开采对覆岩的影响主要表现在覆岩沉降位移量的变化,以及采空区岩体结构的破碎化；第1层煤层采后的覆岩结构基本保持不变,这与相似模拟试验结果基本一致[8]。

图6 煤层采后覆岩位移变化

3.3 隔水层防水性能

开采前,通过监测水箱中水位的变化计算隔水层的下渗速度。水位随时间变化见图7。经计算,不考虑其他因素的影响,隔水层的平均下渗速度为0.031 3 cm/h。开采过程中下渗速度的变化见图8。从图8可知,第1层开采过程中,前期隔水层下渗速度无明显变化,基本维持不变,随着工作面推进到180 m后,下渗速度有所变大,说明含水层结构稳定性受到了影响；开采第2层的过程中,前期下渗速度稳定在0.1 cm/h左右,当第2层开采到120～140 m左右时,下渗速度急剧突变,由0.1 cm/h上升至0.389 cm/h,说明含水层的储水结构受到了采动的影响,致使下渗速度发生突变,此时含水层水量持续减少,最终被疏干。这与开过程中,隔水层有较大沉降量、水箱水位快速下降的试验现象相吻合,说明了数据的正确性。

图7 未开采时水位与时间的关系

图8 开采过程中下渗速度

4 结 语

本文应用相似模拟方法研究采动对覆岩及含水层影响可知,煤层分层开采对覆岩裂隙的发育影响较复杂,第1层采动过程中,裂隙长度、面积和推进距离呈正相关,第2层采动过程中呈三次多项式关系[9]；随着开采工作面的推进,煤层顶板逐渐垮落,垮落速度滞后于开采速度；覆岩沉降曲线具有对称性与相似性；覆岩沉降量的变化随着开采厚度的变大而增大,随高度的升高而减小。

此次模拟试验未进行覆岩裂隙高度变化规律的分析,在下一步工作中,可运用数值模拟的方法进行研究[10]。

[1]刘秀英, 张永波. 采空区覆岩移动规律的相似模拟试验研究[J]. 太原理工大学学报, 2004, 35(1)： 29- 31, 35

[2]张志祥, 张永波. 多煤层开采覆岩移动规律及地表变形规律的相似模拟试验研究[J]. 水文地质工程地质, 2011, 38(4)： 130- 134．

[3]李树刚, 王琳华. 采煤覆岩“三带”演化特性的相似模拟试验及分析[J]. 矿业安全与环保, 2013, 40(3)： 17- 20．

[4]神克强. 巨厚松散层下开采覆移动规律研究及应用[D]. 合肥： 安徽理工大学, 2009．

[5]黄庆享. 浅埋煤层开采隔水层位移规律相似模拟研究[J]. 煤田地质与勘探, 2006, 34(5)： 34- 37．

[6]肖鹏. 基于物理相似模拟试验的覆岩采动裂隙演化规律研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2014, 10(4)： 18- 23．

[7]林海飞, 李树刚. 覆岩采动裂隙演化形态的相似材料模拟试验[J]. 西安科技大学学报, 2009, 30(5)： 507- 512．

[8]苗磊刚, 石必明. 大采高采动覆岩变形的相似模拟试验研究[J]. 中国安全科学学报, 2016, 26(1)： 116- 121．

[9]刘洪涛, 马念本, 李季. 顶板浅部裂隙通道演化规律与分布特征[J]. 煤炭学报, 2012, 37(9)： 1451- 1455．

[10]李向阳, 李俊平, 周创平. 采空场覆岩变形数值模拟与相似模拟比较研究[J]. 岩石力学, 2005, 26(12)： 1907- 1912．

(责任编辑杨 健)

SimilarSimulationExperimentalResearchontheEffectofSliceMiningonOverlyingRockandAquifer

GENG Yipeng, ZHANG Yongbo
(Collage of Water Resources Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, Chian)

Taking the geological conditions of Changcun Coal Mine in Tongliu County, Changzhi, Shanxi as a prototype, the similarity theory is applied to research the behavior of overlying rock movement and the effect on overlying aquifer caused by coal mining. The results of similarity experiment show that: (a) with the increase of coal mining thickness, the strata occur sink as a whole and the subsidence increases gradually; (b) the development of fractures in overlying rock and the extension distance are regular; and (c) the fractures are gradually developed with slice mining, and although not break over aquifer, but causes the unwatering of aquifer．

gob; moving regulation of overlying rock; aquifer; similarity simulation

2017- 03- 14

国家自然科学基金项目(41572221)

耿逸鹏(1990—),男,河北衡水人,硕士研究生,研究方向为水文水资源；张永波(通讯作者)．

TD325(225)

：A

：0559- 9342(2017)06- 0110- 05