干旱半干旱矿区水资源保护性采煤基础与应用研究.pdf

第 2 8卷第 2期 2 0 0 9年 2月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g V l0 1 ． 2 8 N 0 ．2 Fe b ． ， 2 0 0 9 干旱半干旱矿区水资源保护性采煤基础 与应用研究 缪协兴 ，王安 。 ，孙亚军 ，王连 国 1 ，浦海 1 ．中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ；2 ． 神华集团 神东分公司，陕西 神木7 1 9 3 1 5 摘要干旱半干旱矿区水资源保护性采煤既是一项重要的国家发展战略，也是重要的基础和应用科学研究内容之 一 。结合神东矿区具体地质采矿条件，从矿区水文地质结构分析、采动覆岩导水裂隙通道发育规律与隔水关键层 稳定性、有隔水层区上覆含水层保水采煤方法、无隔水层区上覆含水层预疏放转移存贮等多个方面，系统地展开 了对干旱半干旱矿区水资源保护性采煤的基础与应用研究工作。通过水文地质分析，将浅层含水区域分为 4种水 文地质结构类型，又把有隔水层区结构细分为 5种隔水层结构，进而提出了 5种保水采煤分区。通过现场实测、 数值模拟和理论分析等，揭示了采动覆岩裂隙演化、渗流通道发育与渗流规律，并给出了隔水关键层稳定性判别 条件。根据不同的地质采矿条件，提出了针对有隔水层区上覆含水层的控制隔水关键层结构稳定保水开采方法、 控制采动导水裂隙闭合保水开采方法、局部支撑区域充填保水开采方法，提出了针对无隔水层区上覆含水层预疏 放向采空区转移存贮水方法，并在实践中取得了良好的应用效果。 关键词水文地质；缺水矿区；保水采煤；水文地质结构；隔水关键层；采动裂隙渗流 中图分类号T D 1 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 06 9 1 5 2 0 0 9 0 2 0 2 1 71 1 RESEARCH oN BAS I C THEoRY oF M I NI NG W I TH 、 I L TER RES oURCES PRoTECTI oN AND I TS APPLI CATI oN To ARI D AND SEM I ． ARI D M I NI NG AREAS MI AO Xi e x i n g ，WA NGA n ，S U NY a j u n ，WA NG L i a n g u o ，P U Ha i 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y f o r G e o me c h a n i c s a n d De e p U n d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i ty o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y Xu z h o u，J i a n g s u 2 21 0 0 8 ， Ch i n a； 2 ． S h e n d o n g Co a l C o m pa n y， S h e n h u a Gr o u p， S h e n mu， S h a a n x i 7 1 9 3 1 5 ， Ch i n a 、 Abs t r ac t The mi ni ng wi t h wa t e r r e s o u r c e s pr o t e c t i o n i n a r i d a nd s e mi - a r i d mi ni ng a r e a s i s n o t o n l y a n i mpo r t a n t n a t i o n a l d e v e l o p me n t s t r a t e g y，b u t a l s o o n e o f t h e k e y s t u d y c o n t e n t s i n t h e b a s i c a n d a p p l i e d s c i e n c e s ． Co mb i n i n g wi t h t h e s p e c i fi c g e o l o g i c a l a n d mi n i n g c o n d i t i o n s i n S h e n d o n g c o a l mi n e ， s o me r e s e a r c h e s o n b a s i c t h e o r y o f m i ni ng wi t h wa t e r r e s o u r c e s p r o t e c t i o n a nd t h e i r a p pl i c a t i o n t o a r i d a n d s e mi ari d mi ni ng are a s a r e p e r f o r me d s ys t e ma t i c a l l y， i nc l u di ng t he a n a l ys i s o f h y d r o ge ol o g i c a l s t r uc t u r e， t h e d e ve l o p m e n t l a w o f wa t e r flo wi n g f r a c t u r e d z o n e i n o ve r b ur d e n r o c k， t h e s t a bi l i t y of t he wa t e r - r e s i s t i n g ke y s t r a t a ， t he wa t e r - p r e s e r ve d mi ni n g me t ho d wi t h the a q u i f e r a bo v e t he wa t e r - r e s i s t i n g s t r a t a， t h e a d v a nc e de wa t e r i ng， t r a ns f e r r i n g a n d s t or a g e o f t he wa t e r f o r t he a q u i f e r a b o v e t h e n o n wa t e r - r e s i s t i n g s t r a t a ， e t c Ac c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s o f h y d r o g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，t h e 收藕 日期2 0 0 8 0 91 2 ；修回 日期2 0 0 81 1 1 9 基金项目l国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项 目 2 0 0 7 C B 2 0 9 4 0 0 ；国家 自然科学基金重点项 目 5 0 6 3 4 0 5 0 ；高等学校学科创新引智 B0 7 0 2 8 作者简介缪协 1 9 5 9一 ，男，博士，1 9 8 2年毕业于中国矿业学院工程力学专业，现任教授、博士生导师、国家 “ 9 7 3计划”项 目首席科学家，主 要从事力学与采矿工程方面的教学与研究工作。E - m a i l x x mi a o c u mt ． e d u ． c n 岩石力学与工程学报 2 0 0 9正 s h a l l o w wa t e r - b e a r i n g r e g i o n i s c l a s s i fi e d i n t o f o u r t y p e s o f h y d r o g e o l o g i c a l s t r u c t u r e ； a n d t h e wa t e r - r e s i s t i n g s t r a t a a r e a i s c l a s s i fie d i n t o fi v e wa t e r b e a r i n g s t r u c t u r e s ， S O fi v e k i n d s o f r e g i o n a l i z a t i o n s i n wa t e r - p r e s e r v e d mi n i n g a r e p u t f o r wa r d ． Ac c o r d i n g t o t h e fie l d me a s u r e me n t ， t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n a n d t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ， t h e c r a c k e v o l u t i o n l a w o f mi n i n g s t r a t a a n d t h e s e e p a g e p a s s a g e d e v e l o p me n t l a w a r e r e v e a l e d ；a n d t h e n t h e i n s t a b i l i t y d e s t a b i l i z a t i o n c o n d i t i o n o f t h e w a t e r - r e s i s t i n g k e y s t r a t a i s g i v e n ． C o n s i d e r i n g t h e v a r i o u s g e o l o g i c a l a nd mi ni ng c o n di t i o n s， a i mi n g a t t h e a q ui f e r a bo ve t h e wa t e r - r e s i s t i n g s t r a t a， s o me wa t e r - pr e s e rv e d mi ni n g me t ho d s a r e p r o p os e d， s uc h a s t h e wa t e r p r e s e r v e d m i n i n g by c on t r o l l i n g t h e s t r uc t u r a l s t a bi l i t y of t he wa t e r r e s i s t i n g k e y s t r a t a ，t h e wa t e r - p r e s e rve d mi n i n g b y c o n t r o l l i n g t h e c l o s e o f t h e mi n i n g wa t e r c o n d u c t c r a c k ，a n d t h e wa t e r ． p r e s e rve d mi n i n g b y fi l l i n g i n p a r t i a l s u p p o r t a r e a ． Ai mi n g a t t h e a q u i f e r a b o v e t h e n o n - wa t e r - r e s i s t i n g s t r a t a ， t he s t o r a g e me t h o d o f t r a ns f e r r i n g wa t e r f r o m t h e a q u i f e r t o g o a l b y a d v a n c e d d e wa t e r i n g i s p u t f o rw a r d， wh i c h h a s a go o d a p p l i c a t i o n e f f e c t i n p r a c t i c e ． Ke y wo r ds h yd r og e o l o g y； wa t e r -- s h o r t a g e m i ni ng a r e a ； wa t e r -p r e s e r v e d mi n i ng； h yd r o ge o l o g i c a l s t ru c t u r e ； wa t e r r e s i s t i n g ke y s t r a t a ； mi ni n g fra c t ur e s e e pa g e 1 引 言 在 “ 十一五”期间，国家重点建设的 1 3个大型 煤炭基地 9 8个矿区1 主要集中在我国生态环境十分 脆弱，水土流失严重的晋 、陕、蒙、宁地区。在这 些干旱半干旱地区进行高强度煤炭开采 ，如果没有 严格的保水技术措施，必然会加剧生态与环境系统 的恶化。据统计资料表明，我国平均开挖 1 t 煤要排 放 2 m 左右的水，矿井水的平均利用率仅为 2 6 ％左 右I 。另外，即使在干旱半干旱地区采煤，仍会发 生破坏性很强的突水溃砂灾害。鉴于我国干旱半干 旱矿区特殊的突水溃砂灾害现象 以及严重的缺水现 状，必须系统地开展保水采煤基础研究工作 ，实施 保水采煤战略 J 。 早在 2 0世纪 7 0年代，美 国日益扩大的煤炭生 产规模与水环境之问的矛盾就 已日益尖锐。例如美 国在 7 0年代就 已经关注黄石河流域煤炭资源开采 与水资源消耗之间的矛盾 ，开始研究工业、农业及 其他行业间水资源的竞争 问题L 6 J 。蒙大纳的 T o n g u e 河盆地在 7 0年代进入煤炭大规模开采期， 也开始研 究采矿引起的河床疏干、水质恶化、水生生态系统 遭受破坏等现象 J 。自 2 0世纪 7 0年代末 ，美国西 部就把节水、保水作为影响其战略发展的要事 J 。 以神东矿区为例 ，本文采用基础理论研究与工 程应用相结合的方法，系统地研究矿区水文地质的 结构类型与保水采煤分区，采动覆岩裂隙演化、贯 通 、渗流规律与隔水关键层的稳定性，水灾害防治 与保水采煤的原理、方法及工程应用等 内容。 2 矿区水文地质结构系统与保水分区 由矿区水文地质结构系统分析，可提供保水采 煤分区的依据，进而可作为选择保水采煤措施的技 术路径。 2 ． 1 矿区水文地质结构系统 不同的水文地质结构系统是确定不同保水方法 措施的前提条件 ，因而保水采煤的研究重点之一就 是矿区水文地质结构系统分析。以神东矿区为例， 本文通过对神东矿区 内含水层和隔水层的分布、地 下水的赋存特征、地下水补径排条件、主要径流通道 位置、水文地质单元结构及边界条件 、主要富水区 与主采煤层的关系以及煤层顶板岩层 的结构特征等 分析，将其分为 3 个层面 1 有水区和弱水区； 2 有水区中再分为泉域水源地区、烧变岩富水区、无 隔水层区、有隔水层区； 3 有隔水层区中再分为 5 种隔水层结构，见图 l 。 水 文 地 质 结 构 分 区 型 泉域水源地区 堑 H 无隔水层区 有隔水层区 多层隔水层结构 类型1 高位隔水层结构 类型I I 低位隔水层结构 类型 I I I 隔水层侧切结构 类型 I V 隔水层缺失结构 类型V 1 图 1 矿 区水文地质结构类型分区 F i g ． 1 S u b a r e a o f h y d r o g e O 1 O g i c a l s t r u c t u r e t y p e s i n mi n i n g a r e a 第 2 8卷第 2期 缪协兴，等．干旱半干旱矿区水资源保护性采煤基础与应用研究 1 多层隔水层结构 煤层顶板基岩中，在含 水层的下方 ，存在多种类型的隔水层结构 ，本文称 为多层隔水层结构 类型 I ，见 图 2 。多层隔水层结 构 意味着 冒裂带影 响范围之外到含水层底部均存 在隔水层，因而开展保水采煤具有较好的自然条件。 图 2 多层 隔水层结构 类型 I F i g ． 2 Mu k i wa t e r - r e s i s t i n g s t r a t a s t r u c t u r e t y p e I 、 2 高位 隔水层 结构 高位隔水层即隔水层处 于含水层的下方，在导水裂隙通道的影响范围之外 ， 具有稳定的阻水性能。在补连塔 3 1 4 0 1 工作面，通 过计算和数据分析 ，煤层开采后直罗组承压含水层 第三含水层 有可能发生破坏，但 由于天然高位 隔 水层的存在，使第 四系风积砂潜水含水层和志丹群 的安定组裂隙含水层f 第一、二含水层 基本上可保 。 高位隔水层的结构f 类型 I I H 图 3所示。 图3 高位隔水层结构 类型 I I F i g ． 3 Hi g h p o s i t i o n w a t e r - r e s i s t i n g s t r a t a s t r u c t u r e typ e i x f 3 低位 隔水层 结构 低位隔水层 即隔水层也 位于含水层的下方，隔水层全区分布较稳定，但处 于导水裂隙通道的影响范围之内，因其并没有完全 破断，保持 了自身的岩性特 征，因此仍然具有一定 的隔水能力。低位 隔水层发育的区域也可实施保水 采煤 ，必要时可通过改变开采方式来进一步降低 冒 裂带的发育高度 。低位隔水层的结构 类型 I I I N 图 4 所示。 图4 低位隔水层结构 类型 I I I F i g ． 4 L o w p o s i t i o n wa t e r - r e s i s t i n g s t r a t a s t r u c t u r e typ e I l 1 4 隔水层侧切结构 在隔水层侧切区，位于 沟谷两侧近岸的隔水层因沟谷切割作用遭受侵蚀 ， 造成地下水侧 向渗漏 ，侧 向上隔水层不具有隔水能 力。侧切区主要分布在乌兰木伦河及补连沟等地表 水体沿岸。由于隔水层被侧切掉，因此，采煤时可 采取留侧向煤柱的方法来防止水资源的漏失。隔水 层侧切结构 类型 I V 如图 5 所示。 图 5 隔水层侧切结构 类型 I V F i g ． 5 Wa t e r r e s i s t i n g s t r a t a s i d e c u t t i n g s t r u c mr e p e I V 5 隔水层缺失结构 煤系地层空间上的分布 不均性造成隔水层的分布缺失。由于隔水层的缺失， 常规开采条件下难以避免对上覆含水层 的破坏，需 要采用预疏放转移存贮等方法进行水资源保护。 2 ． 2 矿区保水采煤分 区 以神东矿 区为例 ，含煤地层为侏罗系延安组地 层 ，煤层上覆基岩中含一到多层泥岩或砂质泥岩 ， 但层位不稳定，在巴图塔、补连塔等矿上覆软岩厚 度平均 1 011 1 左右 ，而在石圪台、哈拉沟等矿，偶见 薄层泥质岩，部分地区缺失。因此，根据不同地区 覆岩岩性特征和含水特征，这里提出了 5种不同的 保水采煤地质分区。 1 有隔水层区 岩石力学与工程学报 2 0 0 9伍 有隔水层区一般在煤层上覆基岩较厚 7 0 m 的地区。神东矿区内煤层较厚，矿井普遍采用综采 方法采煤，采高 5 m左右 ，根据经验公式计算、数 值模拟及实地观测，以 7 0 m基岩厚度来作为厚薄 基岩的划分依据，具有一定的可靠性。有隔水层区 在各个矿区都有不同程度的分布。 f 2 无隔水层区 基岩厚度小于 7 0 m 的区域称为无隔水层区。 在 神东矿区，煤层埋藏较浅，部分地区 1 与 2 煤 埋深仅为 3 0 ～1 0 0 m，顶板基岩厚度一般为 2 0 ～ 4 0 m。在这些地区进行煤层开采，冒裂带可直接到 达地表，使得潜水含水层水体急剧向下部基岩入渗。 且矿 区内地层平缓，煤层近水平，若保留过宽的煤 柱不予开采，势必会造成煤炭资源的巨大浪费。因 此，在以往所使用的各种保水采煤方法在此地区不 再适用的情况下，本文从煤层开采前着手保水的观 点出发，提出了含水层转移存储 的思路。 f 3 烧变岩富水区 烧变岩是我 国西部许多缺水地区重要 的富水或 相对富水类型之一。矿区内的烧变岩含水层虽然分 布面积不大，但富水性极强，循环条件好 、储存有 丰富的水资源 ，且水质好 。神东矿 区烧变岩含水 层主要分布于沟谷地段两侧 。以束会川两岸最多， 有的被第 四系掩埋，有 的直接 出露，局部地区如 Z K 4 1 7 ，Q K2 0 2 5 1孔段甚至形成地下河。在这些 地区，可采用留保水煤柱开采。保水煤柱 的形式类 似于矿井防治水的防水煤柱，但其留设的意义更注 重于保水而非防水。 f 4 泉域水源地区 目前对神东地区具有重要供水意义的水源地有 哈拉沟、考考赖沟、公捏儿盖沟和小柳塔水源地。 泉域水源地区通常具有 良好的赋存及储存地 下水的 构造及介质，因此富水性强，为泉水稳定的补给源。 若供水地区煤层埋藏较深 ，煤层上方覆岩较厚且有 稳定隔水关键层存在，则在保证上方含水层中水资 源不流失的情况下也可进行煤炭开采，必要时还要 采取适当的其他保水措施。 5 弱含水区 在神东矿区， 由于矿区的开采条件具有煤层厚、 埋藏浅、基岩薄的特点，因此保水任务艰巨。保水 采煤的前提是有水可保，所以对于那些含水层不发 育，或含水层富水性差、水量小、水质差，水资源 无开采利用价值的地区，则可视为弱含水区。 2 ．3 不同水资源赋存对应的保水策略 神东矿区覆岩结构总体上具有浅埋深、 薄基岩、 厚风积砂的特点。结合矿区水资源赋存的特点和水 文地质结构特征，本文提出重点保护重要的水源地、 萨拉乌苏含水层和烧变岩含水带，而对弱含水层的 基岩裂隙含水层实施常规开采的对策，具体见表 1 。 表 1 神 东矿区水资源赋存及保护技术对策 T a b l e 1 T e c h n i c a l c o u n t e r me a s u r e s wa t e r r e s o u r c e s s t o r a g e a n d p r o t e c t i o n i n Sh e nd o ng c o a l mi ne 3 采动覆岩导水裂隙通道发育规律与 隔水关键层的稳定性 用现场实测和数值模拟的方法可 以分析采动裂 隙演化、渗流通道发育与渗流规律，这是分析采动 岩体隔水关键层稳定性的依据 ，而判别隔水关键层 的稳定性则为保水采煤的理论基础 。 3 ． 1 采动覆岩导水裂隙通道现场探测 1 电法探测 采用 E 6 0 B N型电法仪，在大柳塔矿 1 2 6 1 0工作 面和补连塔矿 3 1 4 0 1 工作面各布置一条测线，每条 测线 l l 2个 电极，各进行了 4次数据采集。 大柳塔 1 2 6 1 0工作面的观测结果为在 2 0 m 以上的浅部视电阻率变化不大，深度在 2 0 6 0 m 的 范围内，可以看出低阻异常体有向左移动的趋势， 但变化较小；深度在 6 0 41 0 6 m 出现在高阻异常向 左移动明显，推测为工作面推进的位置，导水裂隙 通道范围为 4 0 4 5 m。 补连塔 3 1 4 0 1工作面的观测结果为在深度 2 5 ～1 1 0 m 的范围内，视电阻率变化不大，说明采 动没有影响到其 以上岩层，浅部含水层没有向下渗 透；深度大于 1 1 0 m 出现 了视电阻率向左移动变化 现象，说明了工作面的推进方向和位置，导水裂隙 通道范围约为 1 0 5 m。 第 2 8卷第 2期 缪协兴 ，等．干旱半干旱矿区水资源保护性采煤基础与应用研究 2 2 1 2 钻孔法观测 根据 1 2 4 0 4工作面母河沟段上覆地层 的结构 特征，分别在靠近工作面上、下顺槽及上覆基岩较 薄处设计布置钻孔 3个 ，编号为 冒 1 ～3 ，钻孔位 于周期来压步距 中部 ，设计孔深分别为 2 5 ，3 5 ， 2 5 m，累计孔深 8 5 m。探测结果表 明，在薄基岩条 件下 ， 导水裂隙通道可达 3 5 1 T I 以上， 将贯穿上覆岩 层 。 在孔深 4 8 ． 3 5 m 高程 1 1 8 7 ． 7 8 m 处，冲洗液消 耗量剧增，孔 口不返水，说明钻孔已进入导水裂隙 通道，因此确定为导水裂隙通道顶点位置 ，计算出 导水裂隙通道高度为 4 5 ． 7 8 I T I ，裂采 比为 1 1 ． 4 ，冒高 小于 3 3 ． 9 I T I 。 根据补连塔煤矿 3 1 4 0 1工作面实际情况，拟在 距切眼 2 1 6 4 m 处布置 S 1 9孔 ，在其与补连沟一侧 布置 2 1 孔。观测结果S 1 9孔裂采 比为 3 4 ． 9 8 ，冒 高为 1 7 ． 0 8 m，导水裂 隙通道高为 1 5 3 ． 9 5 m； 2 1 孔 裂采 比为 3 1 ． 9 3 ，冒高为 1 9 ． 7 2 m，导水裂隙通道高 为 1 4 0 ． 5 0m。 3 弹性波测井法探测 在 1 2 2 0 1工作面冒 1 观测孔内使用了弹性波纵 波测井。测试段岩性较单一，多为细砂岩 、粉砂岩 或泥质砂岩 ，岩性的密度差别不大，与密度紧密相 关的波速差别也不大 。根据 1 2 2 0 1 工作面煤层顶板 结构特征分析，导水裂隙通道高度为 4 0 ． 6 m。 4 浅层地震勘探法探测 地震测线沿 1 2 2 0 1工作面走 向布置，测线跨越 未采区和采空区。地震勘探在深度为 4 5 m时 界面 在 1 0 0 ms 处，波速为 9 0 0 m ／ s ，界面追踪已比较困 难，说明深度 4 5 m岩层遭破坏， 此时导水裂隙通道 高度为 4 9 ． 1 m。 对上述不 同条件下的采动覆岩导水裂隙通道高 度探测结果进行总结，如表 2所示。 表 2 采动 覆岩 导水裂 隙通道高度 T a b l e 2 He i g h t o f wa t e r f r a c t u r e c h a n n e l i n mi n i n g o v e r b u r d e n r o c ks 3 ．2 采动覆岩裂隙演化与渗流规律 f 1 1 2 6 1 0工作面采动覆岩渗流规律 根据大柳塔矿井 1 2 6 1 0综采工作面 3 钻孔柱状 资料，对岩层分层特性作了合并均匀化处理，建立 了与实际情况基本吻合的数值计算模型。煤层埋深 为 1 3 0 m，煤层厚为 5 m，老项岩层厚为 1 8 m 的细 粒砂岩 。本文的模拟煤层从左到右开挖 ，开挖宽度 为 1 0 0 m，两侧各 留 1 0 0 m煤柱，每个开挖步距为 1 0 1 T I 。设模型四周为隔水边界，在含水岩层两侧设 水头压力，开挖后的采空区设水头为 0 ，各岩层的 渗透系数 、孔隙率及孔隙水压力根据相关资料分析 得出。数值模拟参数见表 3 ，计算模型见 图 6 ，分析 软件 为 R F P A。 表 3 数值模拟岩层物理力学特性参数 T a b l e 3 P h y s i c o me c h a n i c a l p a r a me t e r s o f r o c k s t r a t a i n n u me r i c a l s i mu l a t i o n 煤质泥岩 粉砂岩 泥质粉砂岩 老项 第三含水层 直接顶 2 一 煤 底板 ㈣ 咖 ㈣ ㈣ O O O 1 O O O 勰 加 0 0 0 0 0 0 0 O O O O O O 3 加 ∞ 加 5 加 ∞ ∞ m 勰 ∞ 如 岩石 力学与工程学报 2 0 0 9 伍 图6 1 2 6 1 0工作面采动覆岩渗流数值计算模型 F i g ． 6 Nu me r i c a l mo d e l f o r t h e s e e p a g e c a l c u l a t i o n o f mi n i ng o v e r bu r de n r oc k i n wor k i n g f a c e 1 261 0 随着采场的推进， 裂隙不断向上发育， 直接顶、 老顶相继发生破断垮落，而老顶本身就是含水层 ， 必然会被破坏。由于这里老顶是显著的离层后整体 切落的运动形态，所 以贯通裂隙与渗流通道主要在 层问缝 隙和煤壁两侧 。由于距离太近 ，老顶垮落 后，裂隙迅速发育至第二含水层 ，如图 7 a 所示。 a 采场推进4 0m 一 一’ - _ 。。‘． ’ 。 。 ● - ． ．．．． ， ． 。 _ ⋯ -‘。 ．_ 一 ⋯一_ 。 ll - - 0 b 呆场推进 6 0 i n 图 7 采动覆岩渗流矢量 分布 图 Fi g ． 7 Di s t r i bu t i o n o ft he s e e pa g e v e c t o r s i n mi n i ng ov e r bu r d e n r o c ks 当采场推进至 6 0 m，覆岩运动已明显影响到地 表 ，从地面上就可以观察到垂直裂缝。此时，贯通 裂隙己将上覆所有含水层均导通 ，如图 7 f b 1 所示。 渗流主要发生在采空区后方、工作面的前方，这是 因为贯通裂隙主要发育于此 。在远离采场的两侧 ， 渗流量基本是不变化的。随着开采的进行 ，渗流量 逐渐增加 ，如图 8 a 所示 。 ∞ ● 鲁 ‘ 蟾 矧 、 ∞ ● 皇 矧 、 0 5 0 4 O 3 0 2 01 0 0 0 5 0 4 O 3 02 O 1 0 0 ’ 1． ． 一 l 2 U 一8 U 一4 0 0 4 0 8 U I 2 U l 6 0 2 0 0 采场推进距离／ m b 采场推进 6 0 m 图 8 采空区上方垂直渗流速度分布 图 Fi g． 8 Di s t r i b ut i o n o ft he ve r t i c al s ee pa g e ve l o ci t y a bov e t he g oa f 当工作面推进至 6 0 m，由于导水裂隙通道发育 至地表，从而使贯通裂隙将采场与所有含水层导通， 从图中可以看 出，采空区上方无论是渗流范围还是 渗流量均出现急剧上升。此时，上覆所有含水层均 受到破坏 ，如图 8 b 所示。 2 3 1 4 0 1工作面采动覆岩渗流规律 采用上述 同样方法，根据补连塔矿井 3 1 4 0 1 工 作面 b 2 6 1 和 b 2 6 9钻孔柱状资料 ，建立 了与实际情 况基本吻合的数值计算模型，煤层埋深为 2 1 9 m， 煤层厚为 6 m。 数值模拟结果表 明在开采的初期 ，覆岩破坏 范围小，裂隙发育不明显，整个采场的渗流形态为 一 种弥散状态 ，只在采空区附近流量略大。随着采 场的推进，裂 隙不断向上发育，直接顶 、老顶相继 发生了破断垮落，贯通裂隙得以形成，主要分布在 采空区后方和工作面前方的煤壁处和岩层中部拉伸 断裂处。同时，层间的离层空隙也是渗流的重要通 道。由于项板垮落的运动变化，使一些贯通裂隙的 闭合状态不断发生改变 ，导致渗流的分布也是动态 变化的。当有贯通裂隙存在时，渗流就以绝对的优 势发生在其中。 当采场推进至 8 0 m，导水裂隙通道发育至直 罗组承压含水层 第三含水层 中；而当采场推进至 9 0 m，导水裂隙通道发育至直罗组承压含水层f 第三 含水层1 以上。 加 ∞ 加 踮 距进 场果 0采 ∞ 一 书 加 第 2 8 卷第 2期 缪协兴，等． 干旱半干旱矿区水资源保护性采煤基础与应用研究 2 2 3 3 ． 3 隔水关键层模型及稳定性 3 _ 3 ． 1隔水关键层的定义 对 于干旱半干旱矿区，浅埋煤层而言，若煤层 上部含水层在结构关键层的上方 ，或煤层下部含水 层在结构关键层的下方 ，如果结构关键层采动后不 破断 ，则结构关键层可起到隔水作用 ，同时就是保 水关键层；如果结构关键层采动后会发生破断，但 破断裂隙被软弱岩层所充填 ， 不形成渗流突水通道， 则结构关键层 与软 弱岩层 组合形成复合隔水关键 层 。 由上面的定义可 以看 出，隔水关键层可以是单 一 岩层，也可以是若干层软岩和硬岩层复合组成 。 隔水关键层中的岩层往往含有对采动岩体运动具有 一 定承载作用 的硬岩层，即隔水关键层往往是 由结 构关键层或具有一定承载作用的硬岩层与软弱岩层 组合 而成 。 3 - 3 ． 2隔水关键层的判别条件 根据所建立的隔水关键层力学模型的结构稳定 性和渗流稳定性的分析可以看出，覆岩中是否有隔 水关键层应从两方面来进行考虑 。首先要考虑煤层 上方 顶板 或下方 底板 是否有对覆岩运动起控 制 作用的岩层 。这个岩层可以是单一岩层即结构关键 层 ，也可以是 由数层软硬岩层组成的具有一定对岩 层运动有控制作用的复合岩层 。在这些岩层保持结 构稳定的时候即不发生破断的时候，它们就具有隔 水作用 。其次，当这些岩层发生破断后是否发生突 水 由破碎岩体渗流 突变特 性来判断其突水 的危 险 性 ，岩层破断后不发生突水则这些岩层就是隔水关 键层。对隔水关键层的判别分 3步进行 1 判别覆岩中关键层 的位置 圳 。覆岩中存 在结构关键层是能否形成保水开采隔水关键层的基 础，只有首先判别出结构关键层的位置才能进一步 判断能否形成隔水关键层。 判别某一岩层 弹性地基上无 限长梁 是否为关 键层，必须同时满足刚度 变形 判别条件和强度判 别条件 ，即 1 ” S ∑巨 ∑ ∑巨 ∑ 1 f I 式中巨为第 i 岩层弹性模量， 为第 i 岩层高度 ， Y ／ 为第 i 岩层容重， 为第 f 岩块长度。 2 判别覆岩 中关键层 的结构稳定性。覆岩中 的关键层在受采动影响时其结构稳定性对控制突水 相当的重要 。以图 9中 4层复合岩层 结构模型为 例，若关键层在采动过程中不发生破断，则不会发 生突水。通过 已建立 的力学模型所得出公式，可以 分别计 算出复合岩梁