張改親

（山西汾西礦業(yè)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(qū)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(guī)模開采，煤炭開采后形成采空區(qū)，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(tài)環(huán)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(qū)水環(huán)境及整改生態(tài)環(huán)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(tǒng)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(qū)上方形成自上而下逐漸發(fā)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(fā)育的張拉裂隙和自下而上發(fā)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(fā)展范圍和程度均會減小，導致裂隙發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(guī)避無關因素的影響，以期模擬得到回采后頂板裂隙的發(fā)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(jié)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(fā)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(fā)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(fā)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(qū)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(fā)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(yè)，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(qū)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(fā)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(yè)大學出版社，2008.