淺部煤層開采下滲帶形成機(jī)理及計(jì)算方法分析

羅江發(fā)

摘要：煤層開采，特別是在含水層下開采的淺部煤層，新生界含水層對該類煤層安全開采影響極大。若下滲帶與導(dǎo)水裂隙帶連通，含水層會(huì)通過開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶與在上部含水成水頭壓力作用下形成的下滲帶充入工作面，給煤礦安全生產(chǎn)帶來影響，本文通過分析下滲帶帶的形成機(jī)理及計(jì)算方法，為淺部煤層開采防止新生界含水層充入工作面合理留設(shè)防水煤柱提供一點(diǎn)個(gè)人認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：煤層開采；下滲帶；承壓含水層；水壓；

中圖分類號：TD82文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-3520（2014）-06-00283-02一、下滲帶形成機(jī)理

煤系地層屬于沉積巖層，其中性質(zhì)較為脆硬的砂巖層主要分布有成巖裂隙水，且多以層狀出現(xiàn)，當(dāng)淺部砂巖層直接與上覆松散承壓含水層直接接觸的時(shí)候，上覆松散承壓含水層水體將向淺部砂巖層滲透補(bǔ)給。研究表明：隨著埋深的增加，深部巖石滲透性能越差，隔水性能則越好。

對潘一礦1111(3)、1421(3)、1402(3)，潘三礦17110(3)、1221(3)等與下含水有關(guān)的出水工作面的地質(zhì)資料進(jìn)行初步分析后，發(fā)現(xiàn)這些工作面共同具有以下三個(gè)特點(diǎn)：

（一）這些工作面位于新生界下含沉積時(shí)期古河床中心地區(qū)，該地區(qū)下含砂礫層、砂層發(fā)育，沉積厚，富水性強(qiáng)。

（二）第四系下部砂礫承壓含水層均直接覆蓋在煤系地層之上，構(gòu)成“天窗”區(qū)，該含水層與煤系地層有一定的水力聯(lián)系。

（三）煤層頂板均以砂巖為主，且裂隙發(fā)育。

通過分析出水工作面的特點(diǎn)，可以斷定在煤層開采前，承壓含水層水體向煤系砂巖層面產(chǎn)生“下滲帶”需要有一定的水文工程地質(zhì)條件作前提。其次煤系地層上部的砂巖層需與松散層底部直接接觸，其間不存在粘性土等隔水層。在具備上述前提條件的同時(shí)，還需做一假定：高承壓松散含水層水體在砂巖中的滲流均是沿著層面進(jìn)行的。

圖1“下滲帶”形成示意圖

在具備了上述水文工程地質(zhì)條件的前提下，承壓含水層的水體在高水頭壓力的作用下沿著煤系砂巖層層面緩慢向其下部砂巖層滲透，由于砂巖裂隙含水層在一定深度處，其滲透性方面呈封閉狀態(tài)，導(dǎo)致滲流量降低，根據(jù)達(dá)西定律，其滲透速度非常的緩慢，從而出現(xiàn)了快速而完全的壓力傳遞與緩慢的滲流速度并存的現(xiàn)象，即“滲壓不滲流”的現(xiàn)象。承壓水水壓在煤系地層的傳遞使得砂巖層層面在水壓力的作用下產(chǎn)生一定程度的破壞，當(dāng)在一定深度處，砂巖層層面在地應(yīng)力和水壓力共同作用下，達(dá)到了極限平衡狀態(tài)，即砂巖層層面不再因?yàn)橛兴畨旱淖饔枚獾狡茐模谶@里把這個(gè)深度稱之為“下滲帶”深度，在此深度下的煤系砂巖層中沒有流出口的情況下(如煤層開采前的天然狀態(tài))，便形成了一個(gè)無通暢滲流出口的封閉系統(tǒng)，則水不能流出，形成一種研究區(qū)內(nèi)承壓含水層水向下入滲深度不同、大范圍的高承壓、緩流動(dòng)的承壓滲流現(xiàn)象，這便是研究中提出的煤系地層采前形成“下滲帶”的機(jī)理(見圖1煤層開采前)。

在煤層開采之后，煤系上覆巖層遭到破壞，形成以冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶為主的覆巖破壞帶，當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶的高度沒有達(dá)到或沒有高出“下滲帶”的情況下，此封閉系統(tǒng)未被破壞，在這個(gè)無通暢滲流出口的封閉系統(tǒng)中，煤系地層上覆含水層的水體還是不能流向采場工作面中；當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶的高度達(dá)到或高出“下滲帶”的情況下，此封閉系統(tǒng)被破壞，煤系地層上覆含水層的水體便通過“下滲帶”和導(dǎo)水裂隙帶、冒落帶為主的覆巖破壞帶流向采場工作面中(見圖1煤層開采后)。

二、下滲帶計(jì)算

在淺部煤層開采之前，松散層下部含水層與煤系地層直接接觸時(shí)，下含水在高水頭壓力下與煤系地層發(fā)生采前出現(xiàn)“滲壓不滲流”的現(xiàn)象，形成“下滲帶”深度。

由于繁瑣和大量的指標(biāo)會(huì)給工程技術(shù)人員增加很多工作上的困難，在計(jì)算“下滲帶”深度時(shí)，應(yīng)當(dāng)在遵循簡單、實(shí)用、指標(biāo)不宜過多且容易獲得的原則下進(jìn)行，這樣所獲得的計(jì)算公式可使煤礦工程技術(shù)人員容易掌握和操作，具備推廣應(yīng)用的價(jià)值。

由“下滲帶”的形成機(jī)理我們知道：高承壓松散含水層水體向下部煤系砂巖滲透補(bǔ)給到“下滲帶”深度時(shí)，承壓含水層的壓強(qiáng)水頭快速而完全的傳遞到該深度處，高承壓松散含水層水體的壓強(qiáng)水頭是形成“下滲帶”的關(guān)鍵因素， 因此，我們選擇承壓含水層水體在含水層處的水壓值作為一個(gè)計(jì)算指標(biāo)。

煤系地層在形成過程中所呈現(xiàn)的層狀特性決定了其最主要的軟弱面就是層面，對于軟弱面的描述涉及到空間分布、力學(xué)性質(zhì)等各種方面，對于煤層開采這樣一個(gè)地下工程，獲得上述描述軟弱面的指標(biāo)是非常的困難的；層面作為一個(gè)沉積結(jié)構(gòu)面，其產(chǎn)狀一般與巖層一致，而巖層產(chǎn)狀尤其是巖層傾角的獲得，相對來說比較容易，因此，我們選擇巖層傾角來描述層面這個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面的空間分布特性；層面的抗拉強(qiáng)度作為描述層面這個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)特征。

煤系地層中原巖地應(yīng)力是影響煤礦采場工程穩(wěn)定性的重要影響因素，煤層開采前，煤系地層中的層面在原巖地應(yīng)力的作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)，且該層面中任一小單元體的地應(yīng)力狀態(tài)，一般都可簡化為三個(gè)方向大致相互垂直的主應(yīng)力。因此，我們選擇原巖地應(yīng)力作為描述層面這個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)方面的指標(biāo)。

綜上所述，我們選擇承壓含水層水體所承受的水壓值、原巖地應(yīng)力值，巖層的傾角和層面的抗拉強(qiáng)度四個(gè)指標(biāo)來計(jì)算“下滲帶”深度值。

煤系地層中出現(xiàn)“滲壓不滲流”現(xiàn)象時(shí)，水體僅緩慢滲流到“下滲帶”深度處，該深度處砂巖層層面在地應(yīng)力和水壓力共同作用下，處于平衡狀態(tài)。由此，我們可以利用這個(gè)平衡狀態(tài)，建立關(guān)系式求得“下滲帶”深度，下面對具體推導(dǎo)過程做一簡要闡述。

從圖1煤層開采前圖中“下滲帶”深度處的砂巖層面中取一微小單元體，分析該單元體的受力情況(見圖2)。

根據(jù)彈性力學(xué)中對任意斜面法向應(yīng)力的計(jì)算公式，經(jīng)過三角運(yùn)算整理可以求得層面上的法向應(yīng)力為：

在“下滲帶”深度處層面中受到的水壓力為：

通過分析，可以得到淮南煤田潘集礦區(qū)地應(yīng)力值隨深度變化的計(jì)算公式：

由于該層面在水壓和原巖地應(yīng)力的共同作用下處于平衡狀態(tài)，所以下式成立：

以上各式中：σ1、σ3——分別為最大最小主應(yīng)力；

α——層面的傾角；

H——砂巖層層面微元體的埋深；

γ——水的重度(這里取0.01MN/m3)；

P水壓——承壓含水層的水頭壓力；

h——承壓水頭埋深(結(jié)合現(xiàn)有實(shí)測資料可取10m)；

σT——巖體弱面的抗拉強(qiáng)度(如無實(shí)測值的情況下，可根據(jù)礦區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值)。

綜合以上各式，并設(shè)松散層厚度為 ，從而求得“下滲帶”深度的數(shù)值：

三、下滲帶理論應(yīng)用于出水工作面實(shí)例計(jì)算分析

對潘一礦1111(3)、1421(3)、1402(3)，潘三礦17110(3)等與下含水有關(guān)的出水工作面的調(diào)查資料進(jìn)行匯總，并使用“下滲帶”深度理論計(jì)算公式，計(jì)算求得這些工作面的“下滲帶”深度的理論計(jì)算值(見表1)。

由表1可以看出，出水工作面上覆承壓含水層的水頭壓力值在2.76～3.21MPa之間變化，高承壓松散含水層水體在高水頭壓力的作用下，向煤系地層滲流，并產(chǎn)生快速而完全的“滲壓不滲流”與緩慢的滲流速度并存的現(xiàn)象，從而形成了數(shù)值在23.90m～29.42m變化的“下滲帶”深度，在這個(gè)深度之內(nèi)下含水與煤系地層的砂巖裂隙水產(chǎn)生了一定的水力聯(lián)系，工作面在回采過程中均不同程度的出現(xiàn)了出水現(xiàn)象。

四、結(jié)束語

在淺部煤層開采中，特別是在Ⅰ類水體下采煤，若工作面開采的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與新生界下部含水層的下滲帶發(fā)育不互相溝通，工作面開采一般不會(huì)出現(xiàn)新生界水充入工作面現(xiàn)象，從而能夠?yàn)楹侠砹粼O(shè)安全防水煤柱提供依據(jù)。

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