余學義，張冬冬，2，陳 輝，3，穆 馳，2

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710054；3.陜西能源職業(yè)技術學院 能源工程系，陜西 咸陽 712000)

陜北礦區(qū)大規(guī)模開發(fā)以來，為國家經(jīng)濟建設貢獻了大量的煤炭資源。煤炭資源采出致使地表水體破壞，加劇土地沙漠化，煤炭大規(guī)模開采引起的生態(tài)環(huán)境問題日益嚴峻。實現(xiàn)陜北礦區(qū)綠色保水開采、環(huán)境友好與經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展成為地區(qū)和采礦行業(yè)重大研究課題[1-5]。國外進行保水開采的研究較早，最早可追溯至16世紀比利時烈日城的地下飲用水源由于開采活動被破壞，責任者被處以死刑，并規(guī)定地下開采深度必須大于100m。19世紀以后煤炭資源開采強度加大，主要采煤大國都非常重視采煤對地下水體的影響，由于煤炭開采引起地下水體破壞、地表水體消失、生態(tài)環(huán)境損害，為此美國學者開始研究開采引起的水資源和環(huán)境破壞問題[6，7]。澳大利亞、波蘭等國家針對煤炭開采引起地下水破壞的問題進行了深入研究[8]，為了管理礦區(qū)污水建造地下防滲帷幕進行集中處理。格威爾茲曼通過相似模擬試驗確定覆巖導水裂隙帶高度[9]。澳大利亞B.霍勃爾瓦依特博士等通過對淺埋煤層覆巖規(guī)律進行研究認為，淺埋煤層開采以后采空區(qū)迅速壓實、覆巖出現(xiàn)整體移動的現(xiàn)象[10]。淺埋煤層在國內(nèi)大范圍開采，由于其特殊的覆巖運動特征，引起了國內(nèi)學者的廣泛研究。范立民認為保水開采的核心是保水位，保護隔水層的穩(wěn)定是保水開采的關鍵，通過保水分區(qū)選用不同的采煤方法，但分區(qū)指標選取不明確，實際應用仍有困難[11]。黃慶享通過對淺埋煤層上行及下行裂隙發(fā)育規(guī)律的研究認為上下行裂隙貫通是隔水層保水的關鍵，給出隔水層保水開采判據(jù)，同時對榆神礦區(qū)開采條件不同進行指標分類[12]。李亮、王新偉等提出旺格維利采煤法、房柱式采煤法、巷式開采充填法等開采方法，取得了較好的實踐效果，但采出率低、經(jīng)濟效益不高[13，14]。趙兵朝、余學義通過關鍵層理論判斷關鍵層穩(wěn)定性，引入廣義損傷因子建立了保水開采識別系統(tǒng)，能夠很好解釋覆巖運動規(guī)律，與現(xiàn)場實測相吻合[15]。本文以王家溝煤礦地表含水層保水開采為背景，采用理論計算和相似模擬試驗相結合的方法，研究采動導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，提出了留煤柱限高開采的方式，保護地下含水層不受采動損害。探索保水開采新思路，為陜北礦區(qū)綠色保水開采技術提供理論依據(jù)。

1 工程概況

王家溝煤礦位于陜北榆神礦區(qū)，為厚基巖薄松散層淺埋煤層。可采煤層為3、4、5煤層，5煤平均開采厚度為4.6m，工作面長度200m，平均埋深98m。煤層頂板以粉砂巖為主，巖層堅硬致密，屬中硬巖層，厚度可達60m。地表為風積沙松散層，為薩拉烏蘇組潛水含水層，地下水大量賦存其中，厚度20m。松散層底部有10m紅土，包含大量的蒙脫石等黏土礦物，是良好的天然隔水層。5煤頂板柱狀圖如圖1所示。

圖1 地層綜合柱狀圖

2 覆巖力學模型分析

2.1 覆巖結構及移動變形規(guī)律分析

煤層開采之后原始應力破壞，覆巖發(fā)生移動變形，向內(nèi)部深處延伸，直至發(fā)育至地表。根據(jù)覆巖移動變形最終形態(tài)可分為垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。若覆巖中存在厚而堅硬的控制性巖層即關鍵層，由于其對上覆巖層的控制作用，能夠有效的控制頂板的破斷失穩(wěn)，進而抑制頂板導水裂隙帶的發(fā)育。只要導水裂隙帶位于隔水層之下或裂隙不發(fā)育至隔水層頂端便能實現(xiàn)保水開采。王家溝煤礦頂板覆巖以粉砂巖為主，存在關鍵層。運用關鍵層理論對巖層進行分層判別，認為王家溝煤礦覆巖存在兩層關鍵層，亞關鍵層在下，主關鍵層在上。亞關鍵層位于直接頂之上，厚17m；主關鍵層位于紅土之下，厚24m。

由于采高較大煤層開采以后，形成巨大離層空間，頂板在上覆巖層載荷作用下冒落失穩(wěn)。亞關鍵層亦隨后破斷失穩(wěn)，只能在其上位巖層形成“鉸接巖梁結構”控制局部巖層移動。隨著開采尺寸逐漸增大，亞關鍵層逐步垮落，穩(wěn)定后處于裂隙帶，無法控制上覆巖層運動。隨著巖體移動變形向上傳遞，主關鍵層下位巖層與亞關鍵層同步運動。但由于巖體的碎脹以及“鉸接巖梁結構”的支撐作用，致使離層空間逐漸減小。由于各巖層巖性及結構差異，在發(fā)生彎曲變形時撓度不同，巖層極限撓度小于巖層下部離層空間時巖體內(nèi)部產(chǎn)生拉應力容易破斷，反之發(fā)生撓曲變形但依然連續(xù)，形成彎曲下沉帶。結合研究區(qū)覆巖結構特征，彎曲下沉帶極有可能位于主關鍵層位置，因此主關鍵層的穩(wěn)定性決定了導水裂隙帶發(fā)育高度。

根據(jù)彈性薄板小撓度理論[16，17]，對頂板中可能出現(xiàn)離層的巖層，建立薄板撓曲變形坐標系如圖2所示，則該均布荷載巖層的撓曲面微分方程需滿足四邊固支板邊界條件。

圖2 薄板撓曲變形坐標系

巖板任意一點撓度[18]為：

式中，w(x，y)為任一點撓度，m；w0為關鍵層極限跨距時最大撓度，m；D為薄板的撓曲剛度，kN·m；b為工作面開采長度，m；a為工作面走向開采長度，m；q為巖層承受上部均布荷載，kPa 。

經(jīng)過計算王家溝煤礦關鍵層最大撓度(下沉)為0.62m，受到采動影響易變形破斷。為了保障關鍵層穩(wěn)定性，必須控制上覆巖層的運動，致使關鍵層位置離層空間小于關鍵層極限撓度。

2.2 協(xié)調開采原理

根據(jù)采場頂板垮落規(guī)律，頂板懸空到一定長度必然發(fā)生斷裂。故構建“圍巖-采場”協(xié)調開采力學模型，利用協(xié)調開采原理，限高開采留設部分煤柱，支撐上覆巖體。協(xié)調開采力學模型如圖3 所示，走向長度由AB減小至CD，極限跨距LCD

依據(jù)協(xié)調開采原理，1502工作面采用限高留煤柱開采方法，協(xié)調開采示意圖如圖4所示。在工作面走向方向留設煤柱，協(xié)調減小關鍵層撓曲變形及關鍵層的極限跨距，確保關鍵層的穩(wěn)定。因此留設煤柱高度需滿足：

h柱>m-w0-(KS-1)hk

(3)

基于王家溝煤礦開采地質條件及覆巖力學參數(shù)：

h柱>4.6-0.62-(1.15-1)×

圖3 協(xié)調開采力學模型

圖4 協(xié)調開采示意圖(m)

借鑒現(xiàn)有研究成果[5]，工作面正常采高4.6m，留設煤柱高度取2m，煤柱上方限高開采高度為2.6m，留設30m煤柱，煤柱間距70m，工作面開采時，直接頂隨釆隨落，圍巖壓力向深處轉移至協(xié)調煤柱，作為新的支撐點，邊界煤柱支撐壓力轉移至兩個梯形帶煤柱上。煤柱的支撐作用可減小覆巖破壞程度和范圍，減小主關鍵層下部巖層變形形成的離層空間，主關鍵層和隔水層發(fā)生彎曲下沉時未達到極限撓度，關鍵層沒有產(chǎn)生裂隙或發(fā)生破斷，有效地保護關鍵層穩(wěn)定性。

3 物理相似材料模擬實驗

3.1 實驗方案

根據(jù)實驗室條件及工作面實際開采情況，實驗采用長5m，高1.8m，寬0.2m的模型架，模型比例為1∶100。實驗所采用相似材料骨料為河沙，輔料為水、大白粉和石膏，相似材料配方配比見表1。實驗模型采用對比的方式展開研究，模型劃分為1501、1502兩個工作面，工作面之間留設30m煤柱。1501工作面長度200m，采高4.6m，采用一次采全高開采方法；1502工作面長度170m，正常采高4.6m，留煤柱限高開采時采高2.6m。開采模擬實際進尺，留煤柱開采時填充木條模擬留設煤柱。

表1 相似材料配方配比

3.2 試驗結果分析

1)1501工作面開采過程中亞關鍵層未破斷前，亞關鍵層控制著上覆巖層的運動，上覆巖層無離層現(xiàn)象；隨著開采的進行，亞-主關鍵層依次破斷失穩(wěn)，導水裂隙高度逐漸增大，直至地表出現(xiàn)大面積下沉；至回采結束冒落帶高度45m，導水裂隙帶高度94m，導水裂隙最終形態(tài)為“馬鞍形”，如圖5所示。覆巖整體向下運動，覆巖呈冒落帶和導水裂隙帶兩帶分布，地表出現(xiàn)明顯下沉盆地，盆地中心達3.3m。通過實驗可知，導水裂隙高度呈間歇式變速增大，關鍵層能夠很好的抑制導水裂隙帶發(fā)育，關鍵層的穩(wěn)定性決定著隔水層的穩(wěn)定，隨著關鍵層失穩(wěn)，導水裂隙帶貫穿整個隔水層，導致水體與裂隙貫通，進入采空區(qū)。因此一次采全高致使關鍵層失穩(wěn)，破壞薩拉烏蘇組含水層水體，導水裂隙發(fā)育最大高度與工作面開采寬度的關系如圖6(a)所示。

圖5 覆巖冒落帶發(fā)育高度

2)1502工作面開采過程中，覆巖經(jīng)歷了與1501工作面相同的過程，但由于煤柱的支撐作用，壓力顯現(xiàn)及巖體破斷程度減小。直至回采結束，關鍵層發(fā)生彎曲下沉，上覆松散層同步運動，裂隙發(fā)育至關鍵層內(nèi)部閉合。最終冒落帶高度35m，最大導水裂隙帶高度60m，位于關鍵層中上部，未與隔水層貫通，最終形態(tài)為中間高兩邊低的“拱形”。覆巖呈現(xiàn)“三帶”分布，地表下沉較為平緩，最大下沉值為1.8m，覆巖冒落帶發(fā)育高度如圖5所示。實驗表明，限高留煤柱開采導水裂隙發(fā)育曲線較一次采全高平緩，導水裂隙發(fā)育最大高度與開采寬度的關系曲線如圖6(b)所示，由圖6(b)可知煤柱能夠有效的控制主關鍵層運動，有協(xié)調主關鍵層的撓曲變形作用，保證主關鍵層的穩(wěn)定，從而抑制導水裂隙帶發(fā)育，使隔水層整體下沉未產(chǎn)生導通裂隙，達到保護含水層的目的。

圖6 導水裂隙最大高度與開采尺寸的關系曲線

4 結 論

1)王家溝煤礦一次采全高開采時，兩層關鍵層全部破斷，導水裂隙帶可達94m，穿過隔水層，致使地表含水層水體破壞；限高協(xié)調開采時主關鍵層未破斷失穩(wěn)，導水裂隙帶高度僅為60m，位于主關鍵層中上部，不與隔水層導通，實現(xiàn)了保水開采的目的。

2)一次采全高導水裂隙發(fā)育隨關鍵層破斷呈間歇式變速增大，發(fā)育曲線陡峭，導水裂隙帶最終為“馬鞍形”；限高協(xié)調開采導水裂隙發(fā)育較為平緩，最終形態(tài)為“拱形”。

3)限高留煤柱協(xié)調開采方式，利用煤柱控制協(xié)調主關鍵層的撓曲變形，保證主關鍵層處于穩(wěn)定狀態(tài)，有效的抑制導水裂隙發(fā)育，降低導水裂隙帶高度。