水体下采煤隔水关键层判别及透水性分析

孟紫文

(临汾市煤炭工业局 煤炭安全检测检验中心,山西 临汾 041000)

水体下采煤是一直困扰我国主要产煤地区的一大难题,无论从储量还是范围看,其影响都很巨大,直接影响到我国煤炭工业的健康长远发展。如果采煤工作面顶板岩层中存在含水层,受采动剧烈影响,岩层中的天然裂隙和新生裂隙极易导通采空区和上部含水层而造成涌突水事故。但若在顶板岩层中存在起隔水作用的关键层,情况就完全不同。因此,进行隔水关键层理论及判别条件研究,对确定科学合理的煤层开采厚度,进一步完善和发展水体下埋藏较浅煤层的安全开采技术、增加矿井产量和煤炭回采率、减少开采成本、实现安全开采等方面具有非常重要的理论和实际意义。

1 关键层隔水机理及力学模型

由矿压理论可知,关键层既控制采场覆岩的运动,也控制着采场采动裂隙的发展。当硬岩层不发生破断时,裂隙不可能通过硬岩层扩展而成为导水通道。若上覆岩层中的关键层发生破断,与其相邻有软弱且具有很强隔水性能的岩层时,该软岩层可能在破断的关键层上形成阻隔层,具有隔水能力;若相邻软岩层也发生破坏,软硬岩层破断后相互胶结,重新压实弥合采动影响形成的裂隙导水通道,也可发挥一定的隔水作用[1]。

若某一岩层在开采中是岩体运动中的结构关键层,且其本身就是含水层或其上部没有软弱隔水岩层,则该岩层在不发生破断的情况下属于隔水关键层[2]。因此单一岩层成为隔水关键层的必要条件是该岩层属于结构关键层。创建并简化受采动影响的上覆隔水岩层力学模型见图1。对模型进行如下简化处理:

1)将力学模型视为平面应变问题。

2)将岩性不同的岩层分为硬岩和软岩两种,同一岩层为各向同性材料。

3)隔水层受集度为q的均匀分布载荷。

4)岩层端部为固定支撑条件。

图1 隔水关键层固支梁力学模型Fig.1 Mechanical model of the clamped beam of the water-resisting key strata

隔水关键层两端固支梁的弯矩和剪力见图2。

图2 隔水关键层固支梁弯矩和剪力图Fig.2 Bending moment and shear force of the water-resisting key strata

从剪力图和弯矩图中可以明显看出,可能产生最大拉、压应力的位置是梁的两端和中间截面,剪力为零的位置是梁的中间截面处。采用Mohr-Coulomb破坏准则即可判断各岩层在均布载荷作用下是否发生破坏。

2 隔水关键层判别条件及流程

可分三步对隔水关键层进行判别[3]:

1)根据矿压理论判别上覆岩层中结构关键层的位置。根据钻孔资料及开采地质条件,当某一岩层同时满足矿压理论中的刚度(变形)判别条件和强度判别条件时,该岩层就是结构关键层。

2)判别上覆岩层中关键层的结构稳定性。当上覆岩层中的关键层受采动影响时,它所形成大结构的稳定性对控制突水起着关键作用。若结构关键层受采动影响后未发生破断,则该关键层就能起到隔水作用,回采过程中不会发生顶板突水事故。

3)判别隔水关键层的渗流稳定性。运用“采动渗流理论”可以在理论上分析当关键层发生破断后其隔水性能是否丧失。

通过上述三步判别条件即可明确上覆岩层中是否具有隔水关键层,什么样的岩层可能形成隔水关键层,隔水关键层在什么时候有可能失去隔水作用而发生突水问题[4]。

隔水关键层判别流程包括五大模块,分别是关键层结构计算模块、渗流特性分析模块、数据库模块、模糊推理模块和解释模块。结构计算模块主要是计算关键层的结构稳定性,包括受力状态,初次破断距等;渗流特性模块主要计算关键层破断后的渗流稳定性;数据库保存了各种岩层的物理力学特性参数,渗流特性参数及供模糊推理用的专家知识等;模糊推理模块主要针对输入数据不全的情况下对所缺失的参数进行推理确定;解释模块主要对得出的结果进行解释以及针对各种情况提出专家意见和建议。隔水关键层判别流程见图3。

图3 隔水关键层判别流程Fig.3 Discrimination flow chart for water-resisting key strata

3 水体下采煤隔水关键层透水性分析

某回采工作面位于水多的湖川河下,工作面上覆岩层厚度变化较大,同一个工作面最薄处只有60 m,最厚处达140 m,相差1倍多。为分析不同厚度上覆岩层对应隔水关键层的隔水性,把上覆岩层按厚度分成小于80 m、80 m～120 m之间和大于120 m的3个等级。不同厚度等级分别施工地质钻孔,1号钻孔对应厚度小于80 m的上覆岩层,2号钻孔对应厚度80 m～120 m的上覆岩层,3号钻孔对应厚度大于120 m的上覆岩层。本文以2号钻孔为例分析水体下采煤隔水关键层的透水性,表1为测试得出2号钻孔岩层的物理力学参数。

采场导水裂隙带发育程度及形态直接影响矿井的透水程度和透水量大小,而导水裂隙带的发育程度和形态结构都是由煤层顶板关键层的岩石组成结构及发生破断后形成“砌体梁”的空间特征控制。关键层破断后,由于回转角的存在和回转作用的影响,关键层破断块在端角挤压和摩擦阻力作用下,通过铰接点联系可形成具有结构效应的“砌体梁”,从而对载荷岩层体的运动及裂隙动态发展起控制作用。

根据2号钻孔实际揭露岩层的物理力学参数资料,通过计算可以判断厚度12.6 m的中砂岩是受采动影响时上覆岩层中的结构关键层。根据表1给出的岩层物理力学参数即可计算出该结构关键层所承受的垂直载荷q1为1.11 MPa,代入下式可计算初次垮落破断距l1[5]:

式中:l1为关键层初次垮落破断距,m;q1为关键层上所承受的垂直载荷,1.11 MPa;h1为采动覆岩结构关键层的厚度,12.6 m;σc为关键层的抗压强度,45 MPa。

通过计算可以看出工作面推进过程中关键层会发生破断,由钻孔岩层分布可知在关键层之上没有隔水岩层,则该关键层不是隔水关键层,地面水体可能形成涌水而对工作面安全回采构成威胁。因此,必须提前做好准备,采取有效的防治水措施,确保工作面生产安全。

4 结束语

由于煤层赋存情况和地质条件复杂多变,在工作面采煤过程中存在众多不确定因素,受客观技术条件限制,目前还难以完全有效地掌握各种不确定因素。因此,判别隔水关键层应综合考虑地质构造影响,当开采煤层遇到大型地质构造时,需要根据实际情况具体分析考虑。