王 樂,趙岳然

(1.太原煤氣化 龍泉能源發(fā)展有限公司,山西 婁煩 030300;2.中煤科工集團 沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室,遼寧 撫順 113122)

煤炭開采會破壞地下水資源和地表生態(tài)系統(tǒng),地下水通過采動裂隙流入工作面,對井下安全生產(chǎn)造成威脅。針對“保水采煤”要求,國內(nèi)外學(xué)者從地質(zhì)分區(qū)、“三帶”發(fā)育高度、結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層等方面開展了大量的理論研究。黃慶享[1]針對淺埋煤層的賦存特點,對采動過程中隔水層的裂隙發(fā)育情況進行了研究;劉治國[2]提出工作面上覆黏性紅土層在采動過程中具有“泥蓋”效應(yīng);劉洪林[3]認為隔水層的隔水性體現(xiàn)在內(nèi)部裂隙發(fā)育情況;張玉軍等[4]研究了厚基巖淺層粘土的阻水效應(yīng);王佳奇[5]研究了保水開采效果的影響因素,并建立了評價模型;李邵東[6]研究了工作面開采后含破碎帶底板的滲透性演化規(guī)律;張東升等[7]提出工作面上覆巖層“等效阻水厚度”的研究思路。

當(dāng)前保水開采措施主要包括井下充填、優(yōu)化采煤方法和注漿。李猛等[8]研究了固體充填充實率的計算模型;柳晶等[9]對充填開采上覆巖層裂隙發(fā)育情況進行了研究;孫健等[10]研究了隔水層在工作面回采過程中的動態(tài)受力情況;馬立強等[11]提出改變工作面布置方式和采煤方法可以減少對水資源的破壞;董書寧等[12]優(yōu)化了注漿方法,提出注漿帷幕截流技術(shù);秦洪巖等[13]在對充填效果的研究中引入了“板殼理論”,發(fā)現(xiàn)隨著充填高度的變化,覆巖裂隙發(fā)育存在臨界效應(yīng);此外還有學(xué)者對淺埋厚煤層條帶充填保水效果進行了研究[14-15],并優(yōu)化了充填材料[16-17]。

在煤炭開采過程中,最直觀的影響是地面沉陷,對淺表水資源造成破壞。當(dāng)前對保水開采的研究主要集中在頂板水和底板水,對淺表水的研究較少。在此,以龍泉煤礦4301工作面為工程背景,基于“等效阻水厚度”保水開采理論對工作面開采過程中淺表水資源的破壞情況進行研究。

1 “等效阻水厚度”保水開采理論

張東升等[7]以覆巖等效滲透系數(shù)為基礎(chǔ),將煤層頂板至目標含水層之間所有巖層作為整體研究對象,稱為等效阻水層,示意圖見圖1所示,覆巖滲流情況見圖2所示。

圖1 等效阻水層示意圖Fig.1 Equivalent water resistance layer

圖2 覆巖滲流情況Fig.2 Seepage in overlying rock

假設(shè)等效阻水層在垂直方向的滲流特點符合達西定律,將等效阻水層理想化為n層厚度無變化的巖層(巖層序號為p—q),垂直方向上的等效滲透系數(shù)可表示為:

(1)

式中:Keq為垂直方向的等效滲透系數(shù),m/d;di為單層巖層的厚度,m;Ki為單層巖層的滲透系數(shù),m/d。

保水開采的臨界條件為采動覆巖垂向滲流速度v1與含水層水的補給速度vr相等。假設(shè)覆巖兩端水頭壓差ΔH和含水層水的補給速度vr一定,如圖2所示,隔水巖層厚度為M時,保水開采的最大臨界滲透系數(shù)可表示為:

Kcr=vrd/Δh.

(2)

式中:Kcr為垂直方向的最大臨界滲透系數(shù),m/d;vr為含水層水補給速度,m/d;d為隔水巖層厚度,m;Δh為覆巖兩端水頭高度差,m。

采動覆巖的滲透系數(shù)與等效阻水厚度成反比,設(shè)等效滲透系數(shù)Keq所對應(yīng)的等效阻水厚度為deq,則等效滲透系數(shù)Keq與最大臨界滲透系數(shù)Kcr的比值等于隔水巖層厚度d與等效阻水厚度deq之比,等效阻水厚度可表示為:

(3)

滿足以下條件時認為可實現(xiàn)保水開采:Keq≤Kcr,即Keq/Kcr≤1。

2 工程概況

2.1 礦井地質(zhì)概況

龍泉煤礦地處太原市婁煩縣,生產(chǎn)能力5.0 Mt/a,為高瓦斯礦井。井田位于呂梁山脈的蘆芽山南部,地表為黃土梁峁地貌,井田范圍內(nèi)約35%的地區(qū)存在“V”字型沖溝。地表水系豐富,流經(jīng)井田范圍內(nèi)的河流主要為嵐河及其支流龍泉川。地下含水層5層,其中頂板上覆含水層主要為K4、K5砂巖含水層裂隙水,底板主要受K3砂巖裂隙含水層、太原組石灰?guī)r及奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r含水層的影響,4#煤層距奧陶系灰?guī)r140.49～156.19 m。水文地質(zhì)條件復(fù)雜。井田地層總體為走向北西、傾向北東的單斜構(gòu)造,地質(zhì)構(gòu)造簡單。

2.2 4301工作面概況

4301工作面開采4#煤層,采用綜采放頂煤采煤方法,全部垮落法管理頂板,機采高度為3.5 m,放煤厚度為2.75 m,走向可采長度721 m,傾向長度250 m。工作面?zhèn)雾敒樯百|(zhì)泥巖,直接頂為K4砂巖,基本頂為砂質(zhì)泥巖;直接底為中砂巖,基本底為細砂巖。4301工作面地表發(fā)育有5處規(guī)模較大的沖溝,其中對工作面開采影響較大的為沖溝4(四圪塔溝)。地表沖溝發(fā)育情況如圖3所示。

圖3 4301工作面地表沖溝分布Fig.3 Surface gully distribution of 4301 working face

2.3 4301工作面頂?shù)装鍘r石性能測試

對4301工作面頂?shù)装鍘r石物理與水理性能進行測試,以便為物理模擬、數(shù)值計算及理論分析提供必要的基礎(chǔ)參數(shù)。將巖樣加工為Φ50 mm的圓柱體,根據(jù)實驗要求用切割機分別切成25 mm、50 mm、100 mm長的圓柱塊。

2.3.1物理力學(xué)性能測試

本次對不同巖樣分別進行了單軸抗壓強度、單軸抗拉強度及剪切試驗,試驗過程見圖4—圖6所示,測試結(jié)果見表1所示。

圖4 單軸抗壓強度測試Fig.4 Uniaxial compressive strength test

圖5 單軸抗拉強度測試Fig.5 Uniaxial tensile strength test

圖6 剪切強度測試Fig.6 Shear strength test

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock

2.3.2水理性能參數(shù)測試

使用DahoMeter多功能密度測試儀DA-300VP,對奧陶系峰峰組灰?guī)r和石炭系本溪組灰?guī)r的孔隙率分別進行測定;使用SS-15數(shù)顯滲透儀,對奧陶系峰峰組灰?guī)r和石炭系本溪組灰?guī)r滲透系數(shù)分別進行測定。試樣設(shè)計6組,每組3份巖樣,采用3次測量取平均法減小誤差。測試過程見圖7所示,測試結(jié)果見表2所示。

圖7 巖樣孔隙率及滲透性測試Fig.7 Porosity and permeability test on rock samples

根據(jù)表2所示,奧陶系峰峰組有效孔隙率在12.43%～24.27%之間,總孔隙率在17.97%～26.02%之間;石炭系本溪組有效孔隙率在17.30%～20.39%之間,總孔隙率在19.45%～22.31%之間;由此判斷奧陶系峰峰組巖體結(jié)構(gòu)完整性有一定程度破壞,隱伏裂隙較發(fā)育。

奧陶系峰峰組滲透系數(shù)波動較大,變化幅度可達145%,而石炭系本溪組滲透系數(shù)比較穩(wěn)定,變化幅度在10%以內(nèi)。滲透系數(shù)變化規(guī)律與孔隙率測試結(jié)果相吻合,進一步驗證了孔隙率變化較大,巖層裂隙發(fā)育,造成滲透系數(shù)大幅變化這一結(jié)論。

表2 巖樣孔隙率測定結(jié)果Table 2 Porosity measurement results of rock samples

3 上覆巖層移動特征數(shù)值模擬研究

UDEC目前被廣泛應(yīng)用于模擬非連續(xù)介質(zhì)在不同載荷下產(chǎn)生的響應(yīng),為掌握4301工作面回采過程中對淺表水資源的破壞程度,采用UDEC數(shù)值模擬軟件對上覆巖層移動特征進行研究。

3.1 數(shù)值模擬模型

根據(jù)4301工作面地質(zhì)條件構(gòu)建UDEC數(shù)值計算模型。4301工作面地表沖溝較發(fā)育,沖溝區(qū)域基巖出露屬于生態(tài)薄弱區(qū),選取沖溝4(四圪塔溝)為研究對象,分析煤層開采對其的影響。四圪塔溝坡頂處煤層埋深約為690 m,坡底處煤層埋深約為630 m,模型尺寸為長×高=800 m×708 m,開挖步距為10 m。模型上部設(shè)置為自由邊界,左右邊界水平方向設(shè)置固定約束,模型底部在水平和垂直雙向設(shè)置位移約束。設(shè)定各巖層單元均為均質(zhì)各向同性的線彈性體,采用Mohr-Coulomb準則作為單元破壞的強度判據(jù)。模型見圖8所示。

圖8 數(shù)值計算模型Fig.8 Numerical calculation model

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1上覆巖層裂隙發(fā)育特征

工作面在回采過程中上覆巖層裂隙發(fā)育模擬結(jié)果見圖9所示。根據(jù)模擬結(jié)果可知,工作面回采50 m時頂板初次來壓,頂板上方25 m范圍內(nèi)產(chǎn)生裂隙;工作面回采60 m時頂板周期來壓,上覆巖層裂隙繼續(xù)發(fā)育;工作面回采100 m時上覆巖層裂隙高度趨于穩(wěn)定,最終達到75 m。

3.2.2地表沉陷規(guī)律

通過沿工作面地表及沖溝坡體表面布置測線1,得到工作面不同推進距離距地表不同測點的位移結(jié)果。工作面回采130 m時地表出現(xiàn)下沉,之后隨著工作面回采距離增加,地表下沉量及沉陷范圍持續(xù)增大;工作面回采240 m之后,地表沉陷區(qū)域開始對沖溝產(chǎn)生影響,此后隨著工作面回采的推進,沖溝區(qū)域出現(xiàn)下沉。在工作面整個回采過程中,非沖溝區(qū)域最大下沉量為2.85 m,沖溝區(qū)域最大下沉量為2.95 m,均出現(xiàn)在回采400 m時。沖溝區(qū)域以沖溝坡底為中心,兩側(cè)坡體向中間滑移下沉,最大下沉量較非沖溝區(qū)域有所增大。

3.2.3沖溝坡體下淺表水位變化規(guī)律

淺表含水層水壓可直接反應(yīng)水位變化情況。通過在含水層底部布置測線2,監(jiān)測開采過程中測線水位變化,根據(jù)不同開采階段含水層水壓的變化規(guī)律,將工作面淺表水位影響情況分為3個階段:

1)穩(wěn)定階段:工作面推進0～200 m范圍內(nèi),采動影響未能到達含水層或?qū)畬佑绊戄^小,水壓變化相對穩(wěn)定。

2)過渡階段:工作面推進200～290 m范圍內(nèi),采動影響作用到淺表含水層,采空區(qū)上方淺表含水層水壓出現(xiàn)明顯下降。

3)周期性變化階段:工作面推進290～600 m范圍內(nèi),淺表含水層水壓變化出現(xiàn)周期性起伏趨勢,前期水壓下降區(qū)域由于下方隔水層裂隙的閉合水壓有所上升,距離工作面較近區(qū)域淺表水壓下降。

綜上,工作面回采引起的地面沉陷對淺表含水層有一定影響,工作面推進至200～290 m范圍內(nèi)淺表含水層水壓發(fā)生明顯下降。

(a) 回采50 m

(b) 回采60 m

(c) 回采100 m

(d) 回采600 m圖9 工作面回采過程上覆巖層裂隙發(fā)育模擬結(jié)果Fig.9 Simulation results of fracture development of overburden strata in the caving process

4 地表沉陷觀測

為準確考察4301工作面回采引起的地表沉陷,同時驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性,在地表布置測點進行觀測,統(tǒng)計測點沉陷情況并進行分析。

4.1 測點布置

設(shè)計在4301工作面地表布置1條傾向觀測線和2條走向觀測線,采用剖面線觀測站,觀測線布置見圖10所示,測點情況見表3所示。

4.2 觀測內(nèi)容

采用LeicaTS-06型全站儀、DS3型水準儀及南方S-86型雙頻GPS接收機進行地表沉陷測量,觀測各點下沉值及對應(yīng)工作面的推進位置。

表3 觀測線測點情況Table 3 Observation lines and points

4.3 觀測結(jié)果及分析

本次測試共對4301工作面進行了15次觀測,計算得到各測線移動變形情況如下。

1)工作面走向觀測結(jié)果。工作面走向觀測線(A線)切眼附近測點最先出現(xiàn)下沉,隨著工作面回采的推進,切眼位置附近產(chǎn)生小型移動盆地。在工作面回采過程中各測點的下沉值變化量逐漸減小,最終趨于穩(wěn)定后A線整體呈中間低兩邊高的形態(tài),其中下沉量最大的測點為A31號,下沉值達到2 787 mm。

2)工作面傾向觀測結(jié)果。工作面傾向觀測線(B線及C線)下沉量最大的測點分別為B20號和C21號,下沉值分別為2 719 mm和2 750 mm,2個測點均位于工作面采空區(qū)正上方。B線及C線在工作面回采結(jié)束后整體呈中間低兩邊高的形態(tài),且與采空區(qū)對稱分布。

3)依據(jù)地表實測結(jié)果,4301工作面開采引起了地表沉陷和變形,A測線最外側(cè)影響點為A7,B測線最外側(cè)影響點為B7、B34,C測線最外側(cè)影響點為C7、C34。4301工作面距龍泉川最近距離約585 m,距嵐河最近約976 m,該工作面開采并未影響到地表附近河流。

圖10 觀測線布設(shè)示意圖Fig.10 Layout of observation lines

5 工作面淺表水資源承載力評價

淺表水資源承載力在廣義上指滿足區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)活動的同時可以保證生態(tài)環(huán)境不被破壞,以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展;在狹義上指礦區(qū)內(nèi)煤體開采帶來的覆巖移動變形不會對淺表水資源造成永久破壞,通過人為干預(yù)等措施可以恢復(fù)地表生態(tài)。當(dāng)前主要從水文地質(zhì)、覆巖情況和生產(chǎn)條件等3方面對水資源承載力進行評價,其中水文地質(zhì)方面主要考察含水層和隔水層條件,覆巖情況主要考察頂?shù)装迩闆r和采動裂隙發(fā)育情況,生產(chǎn)條件主要考察工作面布置參數(shù)和回采方法[5]。本次通過數(shù)值模擬和地表實地觀測的方法對4301工作面開采后淺表水資源的破壞情況進行了研究,得到如下結(jié)論。

4301工作面地表水系豐富,其基本頂具有隔水性,數(shù)值模擬結(jié)果顯示,按照當(dāng)前回采技術(shù)參數(shù),工作面回采過程中頂板上覆巖層導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度最大為75 m左右,地表最大沉陷量為2.85 m,在沖溝發(fā)育區(qū)下沉量達到2.95 m,且淺表含水層水壓出現(xiàn)明顯下降。通過在工作面布置走向及傾向觀測線,實測工作面回采后地面最大下沉點位于采空區(qū)正上方,最大沉陷量2.78 m,地面沉陷未對河流造成影響,實測結(jié)果同數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。根據(jù)研究結(jié)果認為,4301工作面開采對淺表水資源的破壞在承載力范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

基于“等效阻水厚度”保水開采理論開展研究,得到工作面實現(xiàn)保水開采的臨界條件為,等效滲透系數(shù)小于等于最大臨界滲透系數(shù),分析了4301工作面地表沖溝發(fā)育及頂?shù)装搴畬忧闆r,測試了工作面頂?shù)装尻P(guān)鍵巖層單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、抗剪強度、孔隙率及滲透性,根據(jù)關(guān)鍵巖層性能測定結(jié)果,采用UDEC數(shù)值模擬軟件對4301工作面回采過程中上覆巖層裂隙發(fā)育情況進行計算,在地表布置測線對工作面回采過程中地表沉陷量進行觀測。分析數(shù)值模擬和地表沉陷觀測結(jié)果認為,4301工作面淺表水資源承載力滿足保水開采要求。