曹秋菊，王金安，紀(jì)洪廣

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

1 概述

富含水的不整合地層與煤系地層呈角度不整合接觸[1]時(shí)，為防止煤層開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶在側(cè)面與含水層連通，需留設(shè)一定寬度的防水煤柱。目前，水體下采煤防水煤柱的確定方法，國(guó)內(nèi)外沒有統(tǒng)一的規(guī)定，主要方法有[2-6]：①理論計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法；②數(shù)值模擬方法；③相似模擬實(shí)驗(yàn)法等。

無論采用何種方法，導(dǎo)水裂隙帶高度[7-8]是確定防水煤柱寬度的關(guān)鍵。目前，對(duì)于導(dǎo)水裂隙帶高度的研究，主要是將定性模型分析與數(shù)值模擬、物理模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法相結(jié)合。

根據(jù)防水煤柱的空間展布及功能，可歸納為縱向(即垂向)防水煤柱和橫向防水煤柱兩種基本類型[9]。前者主要是指水體下采煤時(shí)，為防止水砂潰入而留設(shè)的一定高度的煤巖層，后者則是為防止斷層水或與斷層溝通的各種水源的潰入而留設(shè)的一定寬度的煤巖層。對(duì)于縱向防水煤柱的留設(shè)，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[10](下面簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)中有明確的計(jì)算公式，而對(duì)于橫向防水煤柱的留設(shè)卻沒有涉及。

本研究采用UDEC2D數(shù)值模擬方法，對(duì)按經(jīng)驗(yàn)值留設(shè)的橫向防水煤柱寬度下，覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育形態(tài)和高度進(jìn)行了計(jì)算和分析。模擬結(jié)果表明，需考慮覆巖導(dǎo)水裂隙帶在工作面?zhèn)让娣较蚝拓Q直方向兩種途徑與富含水的第四系連通。在側(cè)面方向上，本研究假設(shè)工作面兩側(cè)導(dǎo)水裂隙帶的形狀為半圓弧，對(duì)《規(guī)程》中豎向防水煤柱的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正，提出不整合地層下開采橫向防水煤柱留設(shè)寬度的計(jì)算公式；在豎直方向上，通過調(diào)整工作面開采寬度達(dá)到控制導(dǎo)水裂隙帶高度的目的。本研究提出的橫向防水煤柱的計(jì)算公式，為不整合地層或斷層下煤層開采時(shí)防水煤柱的留設(shè)提供了依據(jù)。

2 工程概況

石嘴山礦區(qū)西翼采區(qū)位于石嘴山礦區(qū)向斜西北翼，井田走向長(zhǎng)4.5km，傾向?qū)?.7km。該區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，第三系地層局部受沖刷侵蝕作用而缺失形成地層不整合展布[11-12]。巨厚的第四系接受銀川平原沖積層水和賀蘭山基巖裂隙水的補(bǔ)給，水量豐富，達(dá)3000 L/(s·m)。第四系含水層直接覆蓋在煤系地層之上，治水難度極大。3#煤層為石嘴山礦區(qū)西翼采區(qū)主要可采煤層，3#煤層傾角為10°，平均采深388m，平均采厚為7.66m。第四系巨厚沉積物與煤系地層呈角度不整合接觸，不整合面與3#煤層的夾角為34°。

3 數(shù)值模擬

UDEC2D軟件把節(jié)理巖體看成是由離散的巖塊和巖塊間的節(jié)理面組成，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜節(jié)理巖體的穩(wěn)定性分析。采用UDEC2D數(shù)值模擬方法，沿煤層走向建立平面應(yīng)變力學(xué)模型。預(yù)留防水煤柱寬度取經(jīng)驗(yàn)值150m，工作面長(zhǎng)度150m，間隔煤柱寬度20m。

工作面開采后，覆巖導(dǎo)水裂隙帶的分布形態(tài)比較符合兩邊高中間低的“馬鞍形”，覆巖裂隙在采空區(qū)內(nèi)部閉合，在兩端頭附近較為發(fā)育。因此，工作面兩端頭是防治工作面涌水的重點(diǎn)。采動(dòng)過程中的裂隙場(chǎng)及裂隙發(fā)育特征具體如下：

1)1#工作面開采后，采空區(qū)上方出現(xiàn)未完全發(fā)育的新生裂隙場(chǎng)，新生裂隙帶高度約為40m。新生裂隙帶內(nèi)以橫向裂隙為主，3煤上方20m內(nèi)出現(xiàn)少量縱向裂隙，橫縱裂隙并未相互貫通，還不足以形成3煤上方覆巖中的導(dǎo)水通道。

2)2#工作面開采后，裂隙場(chǎng)繼續(xù)發(fā)育，裂隙場(chǎng)范圍和密度增大。采空區(qū)裂隙有逐漸壓實(shí)閉合趨勢(shì)。兩個(gè)工作面上方的導(dǎo)水裂隙帶連成一體，外輪廓呈西高東低的馬鞍形。覆巖裂隙發(fā)育高度約為50m。

3)3#工作面開采后，采空區(qū)裂隙逐漸壓實(shí)閉合。由于硬巖層內(nèi)裂隙不易閉合，軟巖層內(nèi)裂隙相對(duì)容易閉合，不同性質(zhì)巖層內(nèi)裂隙分布的疏密程度不同。由于軟硬巖層沉降不均而出現(xiàn)少量離層。覆巖裂隙發(fā)育高度約為60m。

4)4#工作面開采后，覆巖裂隙發(fā)育高度約為70m。隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)壓實(shí)，軟巖層內(nèi)裂隙閉合，在工作面兩端頭處裂隙較發(fā)育，覆巖裂隙場(chǎng)經(jīng)歷了“產(chǎn)生—發(fā)展—閉合穩(wěn)定”的發(fā)展變化過程。

靠近不整合面的西側(cè)，導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育較大，主要是由于不整合面兩側(cè)巖土體性質(zhì)的差異，導(dǎo)致不整合面出現(xiàn)“應(yīng)力屏蔽”[12]現(xiàn)象。不整合面下側(cè)煤系地層出現(xiàn)應(yīng)力集中和局部化特征，造成覆巖破壞程度加??；另外，首采工作面對(duì)地層初次擾動(dòng)較大，其上覆各巖層有很大的地應(yīng)力釋放，覆巖破壞高度相對(duì)較大。

由于第四系是直接覆蓋于煤系地層之上，且與煤層呈34°的夾角，第四系的水可能通過兩種途徑進(jìn)入采空區(qū)：

1)導(dǎo)水裂隙帶在工作面兩側(cè)有一定的發(fā)育高度，且明顯向不整合面處延伸，很可能在側(cè)面方向與第四系連通。留設(shè)合理寬度的防水煤柱，可以使開采后導(dǎo)水裂隙帶不在側(cè)面方向上與第四系含水層連通。而數(shù)值模擬中留設(shè)的經(jīng)驗(yàn)值150 m略小，3#和4#工作面開采以后，導(dǎo)水裂隙帶的邊緣已經(jīng)與不整合面接觸。所以需計(jì)算防水煤柱的留設(shè)寬度，使第四系的水不通過側(cè)面進(jìn)入采空區(qū)。

2)第四系的水可能通過工作面正上方的導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入采空區(qū)。由于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與工作面采寬呈非線性比例關(guān)系，因此可以通過調(diào)整工作面的采寬，達(dá)到控制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的目的。

4 防水煤柱寬度的計(jì)算

4.1 縱向防水煤柱高度計(jì)算

國(guó)家煤炭工業(yè)局制定的《規(guī)程》中規(guī)定：如果松散含水層為強(qiáng)或中等含水層，且直接與基巖接觸，而基巖風(fēng)化帶亦含水時(shí)，防水煤柱的設(shè)計(jì)如圖1所示，防水煤柱垂高Hsh應(yīng)滿足式(1)：

Hsh≥Hli+Hb+Hfe

(1)

式中，Hsh為防水煤柱的垂高，m；Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m；Hfe為基巖風(fēng)化帶深度，m。

圖1 縱向防水煤柱計(jì)算簡(jiǎn)圖

4.2 橫向防水煤柱寬度計(jì)算

本研究中富含水層主要在不整合面一側(cè)的第四系中，不整合面與3#煤層夾角為34°，煤層傾角為10°，如圖2所示。計(jì)算防水煤柱寬度時(shí)，應(yīng)保證煤層開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶不在側(cè)面與含水層連通。富含水層與煤系地層呈角度不整合接觸時(shí)，需要考慮與不整合面垂直的方向上導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育情況，因?yàn)榇朔较蚴枪ぷ髅骈_采后與含水層距離最近而且容易最先發(fā)生導(dǎo)水的位置。

通過對(duì)數(shù)十種地質(zhì)、水文地質(zhì)及采煤技術(shù)條件下的上百個(gè)工作面的覆巖破壞狀況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，所獲得緩傾斜煤層(煤層傾角為0°～35°)覆巖破壞的基本形態(tài)為基本對(duì)稱的“馬鞍形”[10]。工作面兩側(cè)的導(dǎo)水裂隙帶接近半圓弧。因此，本研究中假設(shè)工作面兩側(cè)導(dǎo)水裂隙帶的形狀為半圓弧。根據(jù)覆巖特征和物理力學(xué)參數(shù)，圖2中工作面上方導(dǎo)水裂隙帶的高度Hli，按中硬覆巖的導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度計(jì)算公式：

(2)

(3)

計(jì)算，并取兩式結(jié)果的最大值。式中，∑M為累計(jì)采厚，m，取7.66 m。

設(shè)煤層與不整合面的夾角為α，煤層傾角為β，則與不整合面垂直方向上導(dǎo)水裂隙帶的長(zhǎng)度Hli為：

Hli=Hli· cosγ

(4)

式中，γ=α-β。

圖2 橫向防水煤柱計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)圖3所示的幾何關(guān)系，防水煤柱寬度Lf為

(5)

圖3 導(dǎo)水裂隙帶長(zhǎng)度計(jì)算示意圖

式中，α為開采煤層與不整合面的夾角，(°)，取34°；β為開采煤層傾角，(°)，取10°；Hb為保護(hù)層厚度，m，Hb=3A，A為煤層采厚，m，A取7.66 m；Hfe為基巖風(fēng)化帶深度，m，取10 m；Hli為工作面上方導(dǎo)水裂隙帶的高度，m。

由式(2)和式(3)計(jì)算得：Hli=65 m。

由式(5)計(jì)算防水煤柱的寬度Lf≥163 m。

式(5)僅適用于(α-β)<90°，且煤層傾角β為0°～35°的情況。(α-β)>90°時(shí)，不整合面與水平方向的夾角大于90°，式(5)已不適用。β為36°～90°時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶與開采煤層接觸部位會(huì)延伸至開采工作面移位一定距離處，已不適于在開采邊界上方導(dǎo)水裂隙為半圓弧的假設(shè)。

5 工作面推進(jìn)長(zhǎng)度與導(dǎo)水裂隙帶高度的關(guān)系

根據(jù)傾向和走向開采相似模擬試驗(yàn)結(jié)果(圖3)，導(dǎo)水裂隙帶高度隨工作面的推進(jìn)呈非線性比例關(guān)系。工作面推進(jìn)長(zhǎng)度超過120 m后，由于覆巖破壞范圍和開采空間擴(kuò)大，覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度迅速增加。導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)展到最大值以后，隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸穩(wěn)定甚至有所降低。綜合沿走向平面和傾向平面開采相似模擬試驗(yàn)結(jié)果，采用多項(xiàng)式函數(shù)擬合，得到頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度h

隨工作面開采長(zhǎng)度l的關(guān)系式：

h=-9×10-5l3+0.0402l2-5.2104l+221.63 (相關(guān)系數(shù)為0.9847)

(6)

根據(jù)圖2所示的幾何關(guān)系，當(dāng)Lf=163 m時(shí)，煤層頂板與不整合面豎直方向上的距離為88 m。根據(jù)式(6)，當(dāng)開采寬度為150 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為60 m<88 m。所以，防水煤柱留設(shè)寬度下，工作面正上方的導(dǎo)水裂隙帶不會(huì)與第四系連通。

6 結(jié)論

1)UDEC2D數(shù)值模擬結(jié)果表明，第四系的水可能通過兩種途徑進(jìn)入采空區(qū)：①導(dǎo)水裂隙帶在工作面兩側(cè)有一定的發(fā)育高度，且明顯向不整合面處延伸，很可能在側(cè)面方向與第四系連通；②第四系的水可能通過工作面正上方的導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入采空區(qū)。

2)對(duì)于緩傾斜煤層(煤層傾角為0°～90°)和不整合面與水平方向的夾角小于90°的情況，假設(shè)工作面兩側(cè)導(dǎo)水裂隙帶為半圓弧，通過計(jì)算與不整合面垂直方向上導(dǎo)水裂隙帶允許發(fā)育的長(zhǎng)度，推導(dǎo)出橫向防水煤柱留設(shè)寬度的計(jì)算公式。留設(shè)的防水煤柱，可以預(yù)防含水層的水從側(cè)面進(jìn)入采空區(qū)。本研究提出的橫向防水煤柱的計(jì)算公式，為不整合地層或斷層下煤層開采時(shí)防水煤柱的留設(shè)提供了依據(jù)。由橫向防水煤柱計(jì)算公式分析得出，影響不整合面下防水煤柱留設(shè)寬度的主要因素有：煤層厚度、不整合面與煤層的夾角、煤層傾角、覆巖硬度、煤層埋深等。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，是確定防水煤柱寬度的主要因素。

3)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度呈非線性比例關(guān)系?？梢酝ㄟ^調(diào)整工作面推進(jìn)長(zhǎng)度，達(dá)到控制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的目的，從而可以避免和預(yù)防導(dǎo)水裂隙帶在豎直方向上與富含水的第四系連通。

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