分析工程地質(zhì)模型在防水煤巖柱研究中的應用

才永軍,趙曉明

（吉林省水利水電勘測設計研究院,長春 130021）

對于工程地質(zhì)來說，它在煤礦的設計、建井以及實際進行開采過程中都具有極為重要的位置。然而，對于煤田地質(zhì)以及工程地質(zhì)勘探的豐富資料卻經(jīng)常表現(xiàn)出使設計、生產(chǎn)人員加以利用，所以嚴重制約了煤礦工程項目地質(zhì)成果的使用，為了避免上述情況的繼續(xù)發(fā)生，提出了工程地質(zhì)模型概念，并且在實際工作中得到應用，有效緩解了過去的被動局面。

1 工程地質(zhì)模型以及煤炭工程地質(zhì)模型的構成

對于工程地質(zhì)模型，其主要包含工程地質(zhì)單元、水文地質(zhì)構造、地應力、地質(zhì)構造、巖體構造及不良地質(zhì)現(xiàn)象等地質(zhì)環(huán)境及其涵蓋工程條件在內(nèi)的綜合類模型。而對于煤礦工程地質(zhì)模型來說，其可以按照工程應用進行分類，諸如開采工程地質(zhì)模型和巷道工程地質(zhì)模型等等；另一方面，也可以按照模型的研究深淺程度以及進展狀況進行分類，具體可分為預測模型、過程模型以及結果模型三大類。工程地質(zhì)模型能夠使用較多的數(shù)字化或者圖表形式進行體現(xiàn)。能夠依據(jù)實際工作需要進行設立二維或者三維模型。

2 工程地質(zhì)模型的實際應用

近幾年來，相關工作者應用了工程地質(zhì)方法及原理在山東省的礦區(qū)開始了提升煤礦資源開采上限的探究并獲得了初步的成功，現(xiàn)將結合山東省橫河煤礦區(qū)的例子進行敘述。

橫河煤礦區(qū)地處山東省袞州市煤田鮑店礦的西南部，井田占地大約11.3km2，平緩的厚松散層下山西組傾角，3號煤層平均厚度約9m，地質(zhì)儲量多達31Mt。起初設計留設的防水煤巖柱是64m至84m之間，可提供的采儲量只占地質(zhì)總儲量的13%左右。因而，科學而合理地留設防水煤巖柱直接關系到礦區(qū)的長遠發(fā)展。

2.1 橫河煤礦工程項目的地質(zhì)預測模型

橫河煤礦工程項目的地質(zhì)預測模型具體包含：（1）每個重要工程地質(zhì)模型的力學特性以及結構面特點等；（2）特殊的含水層、隔水層的水文地質(zhì)特點；（3）原巖應力場；（4）具體開采的辦法是預采頂分層后滑移頂梁液壓支架放頂煤開采，一般情況下，頂分層是2.2m，底分層同樣是2.2m，放頂煤是4.6m，整體垮落法進行管理頂板。

2.2 橫河煤礦工程項目的水文地質(zhì)結構及其采動效應

水文地質(zhì)結構作為預測模型的關鍵構成要素，因而，在建模過程中應當著重分析和采礦相關的底部含水層和上下兩面的分化層、隔水層、頂板含水層的特點及其他們互相間的水力關聯(lián)性。

橫河煤礦區(qū)含水層及隔水層的水文地質(zhì)特點：（1）中組主要多層粘土和砂質(zhì)粘土占主要部分，且分布較為穩(wěn)定；而粘土質(zhì)沙層含水性較微弱，且含量一般不具穩(wěn)定性。因此，此組通常情況下是隔水層組，可以發(fā)揮出阻隔上、下含水層組的水力關聯(lián)性作用；（2）厚松散層的底部比較常規(guī)含有底粘土層，它將發(fā)揮出阻隔松散層底部的含水層以及基巖風化帶水力關聯(lián)的作用；（3）基于煤礦礦井開采排水使得底部含水層的水位出現(xiàn)顯著性降低趨勢，自上個世紀90年代開始進行對次針對底部含水層抽水實驗，實驗的結果顯示，水位的降低已經(jīng)達到大約80m；（4）3號煤頂板砂巖以及基巖風化帶同屬微弱的含水層帶。

2.3 覆巖應力及其破壞的采動效應

首先，覆巖的應力分布情況。它依照最大及最小主應力的關系以及特性能夠具體分為雙向應力區(qū)、拉應力區(qū)以及雙向壓應力區(qū)三種。其中，雙向拉應力區(qū)通常處于采空區(qū)上方的ET8到ET9，煤柱上方ET6到ET3內(nèi)，拉應力區(qū)處于上山方位較大面積之中以及風化帶巖層之中。和其它四種分層采礦進行比較，雙向拉應力區(qū)在采空區(qū)上方以及煤柱的上方正曲率區(qū)巖層內(nèi)的散布面積較大。

其次，覆巖破壞。和上述情況相對應，覆巖破壞的情況在放頂煤過后，其采空區(qū)上方的雙向拉應力區(qū)中ET8到ET6的巖層出現(xiàn)了拉張破壞的現(xiàn)象，另一方面采空區(qū)的邊緣地帶在拉壓應力影響之下逐漸形成了拉破壞區(qū)以及剪破壞區(qū)，這使得巖層垮落充填采空區(qū)，冒落帶的高度可以達到29.8m。煤柱上方的雙向拉應力區(qū)巖層出現(xiàn)連續(xù)性的拉張破壞現(xiàn)象，且和拉張裂縫及冒落帶巖層形成貫通，促使形成了導水裂縫帶。伴隨著采礦上限值的增高，強風化帶的軟弱巖體將出現(xiàn)抑制導水裂縫帶的發(fā)展，在上山的方位大約發(fā)育到50m。下表為預計導水裂縫帶高度值和實際測量高度值的比較。

表1 預計導水裂縫帶高度值和實際測量高度值的比較

2.4 關于工程地質(zhì)的綜合性評價

關于工程地質(zhì)的綜合性評價就是在工程地質(zhì)模型的每個構成的部分、預測結構以及采動效應探究基礎之上，綜合性研究經(jīng)濟以及技術要素，從而分析出防水煤巖柱的實際高度。從上述的分析、探究中我們可以總結出如下幾點：

（1）通過3號煤的上覆巖層工程地質(zhì)類型、結構特點及其物理力學特性等方面，能夠較為準確地反映出采礦過后的巖體或土體變形以及機理破壞程度。直接頂板ET8，煤層進行開采后，垮落填充采空區(qū)。上面的ET7以及ET5相對容易積累應力，逐漸形成裂縫帶，然而基于它的中間存在兩層厚度分別為1.9m、21.8m的泥漿類型，可以再某種程度上緩解覆巖的破壞以及抑制導水的水裂縫帶發(fā)育。

（2）上覆巖土層的水文地質(zhì)構成相對較好，和3號煤采礦相關的主要含水層皆是弱含水層。此外，第四系底部的含水層下面含有具備穩(wěn)定性的粘土層，它可以再某種程度上阻隔上含水層、下含水層的水力關聯(lián)。

以上的留設防水煤巖柱，已在實際的橫河煤礦工作管理中成功應用，進而說明其具有實踐上的可行性。因而，各地區(qū)也可在結合地區(qū)實際情況的基礎上，進行靈活的運用上述辦法，促進采礦業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。

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