厚土層淺埋煤層保水開采技術研究

張改親

（山西汾西礦業集團有限責任公司，山西 介休 032000）

引 言

淺埋煤層保水開采技術歷來是我國煤礦開采的重要研究方向之一。尤其是對于地處我國西部區域的煤礦來說，由于西部本身缺水較為嚴重，加之煤炭資源的大規模開采，煤炭開采后形成采空區，導致含水層被破壞，水資源隨著開采后形成的導水裂隙帶流失，不僅嚴重威脅井下開采安全，而且造成了大量的水資源浪費，給當地的生態環境帶來了難以恢復的破壞［1］。因此，厚土層下淺埋煤層保水開采技術的研究具有重要而現實的意義。

1 淺埋煤層保水開采機理

保水開采的實質就是通過選擇合理的采煤方法和技術手段，使煤層采空后頂板含水層不被破壞或者盡量少被破壞，以實現保護水資源和保障井下防治水的要求［2］。淺埋煤層的開采極易引起礦區水環境及整改生態環境的失衡，因此，要實現保水開采，應從其開采理論和方法本身入手。傳統的保水開采方法包括留設防水煤巖柱、煤層限采、條帶開采、房柱式開采、預先疏排水、充填開采等。有的方法在較高成本投入的前提下實現了保水開采：如，充填式開采；有的方法以犧牲煤炭資源回收率實現了保水開采，如，留設防水煤巖柱、煤層限采等。

根據覆巖關鍵層理論和“三帶”理論，煤層開采后，直接頂垮落，老頂斷裂，表土層等緩慢下沉，在采空區上方形成自上而下逐漸發育的張拉裂隙，并形成垮落帶、導水裂隙帶及彎曲下沉帶。如果自上而下發育的張拉裂隙和自下而上發育的導水裂隙之間的隔水層厚度能夠達到隔水要求，就可以實現厚土層淺埋煤層的保水開采［3］。

煤層開挖后，實現保水開采的關鍵就在于使采場覆巖關鍵層破斷后能夠整齊排列，實現隔水作用。當關鍵層斷裂后，其附近的隔水層如果厚度較大，則能夠抵消部分采動引起的變形，隔水層中的裂隙發展范圍和程度均會減小，導致裂隙發展達不到上覆含水層，實現保水開采；而如果隔水層的厚度較小，則關鍵層的破斷會引起隔水層內的裂隙高度發育，很快形成導通上覆含水層的導水通道，就不容易實現保水開采［4］。加之，淺埋煤層基巖較薄，關鍵層單一，關鍵層的隔水機理也較為簡單，因此，淺埋煤層開采應該更加注重發揮關鍵隔水層的作用。

2 保水開采技術分類體系

導水裂縫帶的發育狀況對工作面水患及保水開采的成功與否影響極大，所以，要研究工作面的保水開采，就應首先對工作面的導水裂縫帶發育狀況進行預測研究。

2.1 覆巖導水裂縫帶高度分析計算

目前，國內外有關導水裂縫帶高度的研究方法主要有經驗公式法、模擬計算法、變形分析法、現場實測法以及深井物探法等［5］。本文擬采用經驗公式法對我國西部某礦1001工作面導水裂縫帶高度進行計算。其中，9號煤層平均厚度3.2m，上覆最近含水層距煤層距離為58m。導水裂縫帶高度的經驗計算公式見表1。

表1 導水裂縫帶高度經驗計算公式

故工作面回采后導水裂縫帶的預測高度為17.4m～25.4m，達不到上覆含水層的高度，預計可以實現保水開采。

2.2 保水開采技術分類體系

根據工作面回采后形成的覆巖導水裂隙帶高度計算結果，進而分析長壁工作面和柱式工作面在不同基巖條件下的開采特征，可得到淺埋煤層保水開采分類體系［6］，如表2所示。

3 保水開采的模擬計算

根據1001工作面地質生產條件建立UDEC數值計算模型。本工作面煤層為近水平煤層，采用單一走向長壁后退式綜合機械化開采，在對現場實際地質生產狀況進行簡化和抽象的基礎上，設計數值模擬模型為水平模型，盡量規避無關因素的影響，以期模擬得到回采后頂板裂隙的發展效果。所建模型大小為300m×70m，本文模型及回采空間圖如圖1。本文的模擬計算中，煤巖體和節理的物理、幾何參數是在現場的原巖參數的基礎上確定的。

模擬結果分析如下：圖2為導水裂縫帶發育圖，圖3為覆巖鉛垂位移圖。根據圖2所示的頂板破壞圖可知，上層煤回采后，工作面頂板垮落，覆巖自下而上發生移動破壞，形成一定高度的導水裂縫帶，裂縫帶高度為27.0m～28.3m，均比經驗公式計算所得高度上限值大。根據圖3所示的鉛垂位移值，也可大致判別出導水裂縫帶的發展高度。在此高度下，導水裂隙帶與含水層不形成溝通，為含水層下的回采提供了安全保障，也能夠實現西部缺水地區的保水開采。

表2 淺埋煤層保水開采分類體系

圖1 數值模型及回采空間圖

圖2 導水裂縫帶發育圖

圖3 覆巖鉛垂位移圖

4 結語

根據淺埋煤層保水開采機理的理論分析，在前人研究成果的基礎上，利用理論計算方法得出某礦1001工作面回采后導水裂縫帶的預測高度為17.4m～25.4m，達不到上覆含水層的高度。同時，利用UDEC數值模擬軟件，模擬得出裂縫帶高度為27.0m～28.3m，均遠未達到地質條件中給出的煤層至含水層的距離。預計在此高度下，導水裂隙帶與含水層不形成溝通，能夠實現本工作面的保水開采。并且，在工作面推采過程中，應盡量加快工作面推進速度，減少對覆巖的擾動，更好地確保實現保水開采。

［1］ 劉愛蘭.淺埋資源綠色開采關鍵技術［J］.中國礦業，2009，18（7）：62-66.

［2］ 王悅平，胡永凱，李曉輝.淺埋煤層保水開采簡述［J］.山東煤炭科技，2009（6）：74-75.

［3］ 師本強.陜北淺埋煤層砂土基型礦區保水開采方法研究［J］.采礦與安全工程學報，2011，28（4）：548-552.

［4］ 馬立強，張東升，劉玉德，等.薄基巖淺埋煤層保水開采技術研究［J］.湖南科技大學學報：自然科學版，2008，23（1）：1-5.

［5］ 劉英鋒，王世東，王曉蕾.深埋特厚煤層綜放開采覆巖導水裂縫帶發育特征［J］.煤炭學報，2014，39（10）：1970-1976.

［6］ 劉玉德.沙基型淺埋煤層保水開采技術及適用條件分類［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2008.