水體下采煤隔水關鍵層判別及透水性分析

孟紫文

(臨汾市煤炭工業局 煤炭安全檢測檢驗中心,山西 臨汾 041000)

水體下采煤是一直困擾我國主要產煤地區的一大難題,無論從儲量還是范圍看,其影響都很巨大,直接影響到我國煤炭工業的健康長遠發展。如果采煤工作面頂板巖層中存在含水層,受采動劇烈影響,巖層中的天然裂隙和新生裂隙極易導通采空區和上部含水層而造成涌突水事故。但若在頂板巖層中存在起隔水作用的關鍵層,情況就完全不同。因此,進行隔水關鍵層理論及判別條件研究,對確定科學合理的煤層開采厚度,進一步完善和發展水體下埋藏較淺煤層的安全開采技術、增加礦井產量和煤炭回采率、減少開采成本、實現安全開采等方面具有非常重要的理論和實際意義。

1 關鍵層隔水機理及力學模型

由礦壓理論可知,關鍵層既控制采場覆巖的運動,也控制著采場采動裂隙的發展。當硬巖層不發生破斷時,裂隙不可能通過硬巖層擴展而成為導水通道。若上覆巖層中的關鍵層發生破斷,與其相鄰有軟弱且具有很強隔水性能的巖層時,該軟巖層可能在破斷的關鍵層上形成阻隔層,具有隔水能力;若相鄰軟巖層也發生破壞,軟硬巖層破斷后相互膠結,重新壓實彌合采動影響形成的裂隙導水通道,也可發揮一定的隔水作用[1]。

若某一巖層在開采中是巖體運動中的結構關鍵層,且其本身就是含水層或其上部沒有軟弱隔水巖層,則該巖層在不發生破斷的情況下屬于隔水關鍵層[2]。因此單一巖層成為隔水關鍵層的必要條件是該巖層屬于結構關鍵層。創建并簡化受采動影響的上覆隔水巖層力學模型見圖1。對模型進行如下簡化處理:

1)將力學模型視為平面應變問題。

2)將巖性不同的巖層分為硬巖和軟巖兩種,同一巖層為各向同性材料。

3)隔水層受集度為q的均勻分布載荷。

4)巖層端部為固定支撐條件。

圖1 隔水關鍵層固支梁力學模型Fig.1 Mechanical model of the clamped beam of the water-resisting key strata

隔水關鍵層兩端固支梁的彎矩和剪力見圖2。

圖2 隔水關鍵層固支梁彎矩和剪力圖Fig.2 Bending moment and shear force of the water-resisting key strata

從剪力圖和彎矩圖中可以明顯看出,可能產生最大拉、壓應力的位置是梁的兩端和中間截面,剪力為零的位置是梁的中間截面處。采用Mohr-Coulomb破壞準則即可判斷各巖層在均布載荷作用下是否發生破壞。

2 隔水關鍵層判別條件及流程

可分三步對隔水關鍵層進行判別[3]:

1)根據礦壓理論判別上覆巖層中結構關鍵層的位置。根據鉆孔資料及開采地質條件,當某一巖層同時滿足礦壓理論中的剛度(變形)判別條件和強度判別條件時,該巖層就是結構關鍵層。

2)判別上覆巖層中關鍵層的結構穩定性。當上覆巖層中的關鍵層受采動影響時,它所形成大結構的穩定性對控制突水起著關鍵作用。若結構關鍵層受采動影響后未發生破斷,則該關鍵層就能起到隔水作用,回采過程中不會發生頂板突水事故。

3)判別隔水關鍵層的滲流穩定性。運用“采動滲流理論”可以在理論上分析當關鍵層發生破斷后其隔水性能是否喪失。

通過上述三步判別條件即可明確上覆巖層中是否具有隔水關鍵層,什么樣的巖層可能形成隔水關鍵層,隔水關鍵層在什么時候有可能失去隔水作用而發生突水問題[4]。

隔水關鍵層判別流程包括五大模塊,分別是關鍵層結構計算模塊、滲流特性分析模塊、數據庫模塊、模糊推理模塊和解釋模塊。結構計算模塊主要是計算關鍵層的結構穩定性,包括受力狀態,初次破斷距等;滲流特性模塊主要計算關鍵層破斷后的滲流穩定性;數據庫保存了各種巖層的物理力學特性參數,滲流特性參數及供模糊推理用的專家知識等;模糊推理模塊主要針對輸入數據不全的情況下對所缺失的參數進行推理確定;解釋模塊主要對得出的結果進行解釋以及針對各種情況提出專家意見和建議。隔水關鍵層判別流程見圖3。

圖3 隔水關鍵層判別流程Fig.3 Discrimination flow chart for water-resisting key strata

3 水體下采煤隔水關鍵層透水性分析

某回采工作面位于水多的湖川河下,工作面上覆巖層厚度變化較大,同一個工作面最薄處只有60 m,最厚處達140 m,相差1倍多。為分析不同厚度上覆巖層對應隔水關鍵層的隔水性,把上覆巖層按厚度分成小于80 m、80 m～120 m之間和大于120 m的3個等級。不同厚度等級分別施工地質鉆孔,1號鉆孔對應厚度小于80 m的上覆巖層,2號鉆孔對應厚度80 m～120 m的上覆巖層,3號鉆孔對應厚度大于120 m的上覆巖層。本文以2號鉆孔為例分析水體下采煤隔水關鍵層的透水性,表1為測試得出2號鉆孔巖層的物理力學參數。

采場導水裂隙帶發育程度及形態直接影響礦井的透水程度和透水量大小,而導水裂隙帶的發育程度和形態結構都是由煤層頂板關鍵層的巖石組成結構及發生破斷后形成“砌體梁”的空間特征控制。關鍵層破斷后,由于回轉角的存在和回轉作用的影響,關鍵層破斷塊在端角擠壓和摩擦阻力作用下,通過鉸接點聯系可形成具有結構效應的“砌體梁”,從而對載荷巖層體的運動及裂隙動態發展起控制作用。

根據2號鉆孔實際揭露巖層的物理力學參數資料,通過計算可以判斷厚度12.6 m的中砂巖是受采動影響時上覆巖層中的結構關鍵層。根據表1給出的巖層物理力學參數即可計算出該結構關鍵層所承受的垂直載荷q1為1.11 MPa,代入下式可計算初次垮落破斷距l1[5]:

式中:l1為關鍵層初次垮落破斷距,m;q1為關鍵層上所承受的垂直載荷,1.11 MPa;h1為采動覆巖結構關鍵層的厚度,12.6 m;σc為關鍵層的抗壓強度,45 MPa。

通過計算可以看出工作面推進過程中關鍵層會發生破斷,由鉆孔巖層分布可知在關鍵層之上沒有隔水巖層,則該關鍵層不是隔水關鍵層,地面水體可能形成涌水而對工作面安全回采構成威脅。因此,必須提前做好準備,采取有效的防治水措施,確保工作面生產安全。

4 結束語

由于煤層賦存情況和地質條件復雜多變,在工作面采煤過程中存在眾多不確定因素,受客觀技術條件限制,目前還難以完全有效地掌握各種不確定因素。因此,判別隔水關鍵層應綜合考慮地質構造影響,當開采煤層遇到大型地質構造時,需要根據實際情況具體分析考慮。