水體下采煤隔水關(guān)鍵層判別及透水性分析

孟紫文

(臨汾市煤炭工業(yè)局 煤炭安全檢測檢驗(yàn)中心,山西 臨汾 041000)

水體下采煤是一直困擾我國主要產(chǎn)煤地區(qū)的一大難題,無論從儲(chǔ)量還是范圍看,其影響都很巨大,直接影響到我國煤炭工業(yè)的健康長遠(yuǎn)發(fā)展。如果采煤工作面頂板巖層中存在含水層,受采動(dòng)劇烈影響,巖層中的天然裂隙和新生裂隙極易導(dǎo)通采空區(qū)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(guān)鍵層,情況就完全不同。因此,進(jìn)行隔水關(guān)鍵層理論及判別條件研究,對確定科學(xué)合理的煤層開采厚度,進(jìn)一步完善和發(fā)展水體下埋藏較淺煤層的安全開采技術(shù)、增加礦井產(chǎn)量和煤炭回采率、減少開采成本、實(shí)現(xiàn)安全開采等方面具有非常重要的理論和實(shí)際意義。

1 關(guān)鍵層隔水機(jī)理及力學(xué)模型

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

若某一巖層在開采中是巖體運(yùn)動(dòng)中的結(jié)構(gòu)關(guān)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(fā)生破斷的情況下屬于隔水關(guān)鍵層[2]。因此單一巖層成為隔水關(guān)鍵層的必要條件是該巖層屬于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層。創(chuàng)建并簡化受采動(dòng)影響的上覆隔水巖層力學(xué)模型見圖1。對模型進(jìn)行如下簡化處理:

1)將力學(xué)模型視為平面應(yīng)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(guān)鍵層固支梁力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of the clamped beam of the water-resisting key strata

隔水關(guān)鍵層兩端固支梁的彎矩和剪力見圖2。

圖2 隔水關(guān)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(chǎn)生最大拉、壓應(yīng)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(zhǔn)則即可判斷各巖層在均布載荷作用下是否發(fā)生破壞。

2 隔水關(guān)鍵層判別條件及流程

可分三步對隔水關(guān)鍵層進(jìn)行判別[3]:

1)根據(jù)礦壓理論判別上覆巖層中結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的位置。根據(jù)鉆孔資料及開采地質(zhì)條件,當(dāng)某一巖層同時(shí)滿足礦壓理論中的剛度(變形)判別條件和強(qiáng)度判別條件時(shí),該巖層就是結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層。

2)判別上覆巖層中關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。當(dāng)上覆巖層中的關(guān)鍵層受采動(dòng)影響時(shí),它所形成大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對控制突水起著關(guān)鍵作用。若結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層受采動(dòng)影響后未發(fā)生破斷,則該關(guān)鍵層就能起到隔水作用,回采過程中不會(huì)發(fā)生頂板突水事故。

3)判別隔水關(guān)鍵層的滲流穩(wěn)定性。運(yùn)用“采動(dòng)滲流理論”可以在理論上分析當(dāng)關(guān)鍵層發(fā)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(guān)鍵層,什么樣的巖層可能形成隔水關(guān)鍵層,隔水關(guān)鍵層在什么時(shí)候有可能失去隔水作用而發(fā)生突水問題[4]。

隔水關(guān)鍵層判別流程包括五大模塊,分別是關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊、滲流特性分析模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、模糊推理模塊和解釋模塊。結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊主要是計(jì)算關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,包括受力狀態(tài),初次破斷距等;滲流特性模塊主要計(jì)算關(guān)鍵層破斷后的滲流穩(wěn)定性;數(shù)據(jù)庫保存了各種巖層的物理力學(xué)特性參數(shù),滲流特性參數(shù)及供模糊推理用的專家知識(shí)等;模糊推理模塊主要針對輸入數(shù)據(jù)不全的情況下對所缺失的參數(shù)進(jìn)行推理確定;解釋模塊主要對得出的結(jié)果進(jìn)行解釋以及針對各種情況提出專家意見和建議。隔水關(guān)鍵層判別流程見圖3。

圖3 隔水關(guān)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(guān)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(gè)工作面最薄處只有60 m,最厚處達(dá)140 m,相差1倍多。為分析不同厚度上覆巖層對應(yīng)隔水關(guān)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(gè)等級(jí)。不同厚度等級(jí)分別施工地質(zhì)鉆孔,1號(hào)鉆孔對應(yīng)厚度小于80 m的上覆巖層,2號(hào)鉆孔對應(yīng)厚度80 m～120 m的上覆巖層,3號(hào)鉆孔對應(yīng)厚度大于120 m的上覆巖層。本文以2號(hào)鉆孔為例分析水體下采煤隔水關(guān)鍵層的透水性,表1為測試得出2號(hào)鉆孔巖層的物理力學(xué)參數(shù)。

采場導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育程度及形態(tài)直接影響礦井的透水程度和透水量大小,而導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育程度和形態(tài)結(jié)構(gòu)都是由煤層頂板關(guān)鍵層的巖石組成結(jié)構(gòu)及發(fā)生破斷后形成“砌體梁”的空間特征控制。關(guān)鍵層破斷后,由于回轉(zhuǎn)角的存在和回轉(zhuǎn)作用的影響,關(guān)鍵層破斷塊在端角擠壓和摩擦阻力作用下,通過鉸接點(diǎn)聯(lián)系可形成具有結(jié)構(gòu)效應(yīng)的“砌體梁”,從而對載荷巖層體的運(yùn)動(dòng)及裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)展起控制作用。

根據(jù)2號(hào)鉆孔實(shí)際揭露巖層的物理力學(xué)參數(shù)資料,通過計(jì)算可以判斷厚度12.6 m的中砂巖是受采動(dòng)影響時(shí)上覆巖層中的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層。根據(jù)表1給出的巖層物理力學(xué)參數(shù)即可計(jì)算出該結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層所承受的垂直載荷q1為1.11 MPa,代入下式可計(jì)算初次垮落破斷距l(xiāng)1[5]:

式中:l1為關(guān)鍵層初次垮落破斷距,m;q1為關(guān)鍵層上所承受的垂直載荷,1.11 MPa;h1為采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的厚度,12.6 m;σc為關(guān)鍵層的抗壓強(qiáng)度,45 MPa。

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

4 結(jié)束語

由于煤層賦存情況和地質(zhì)條件復(fù)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(shù)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(guān)鍵層應(yīng)綜合考慮地質(zhì)構(gòu)造影響,當(dāng)開采煤層遇到大型地質(zhì)構(gòu)造時(shí),需要根據(jù)實(shí)際情況具體分析考慮。