水体下采煤隔水关键层的判别与应用

图 １ 采 场 上 覆 岩 层 发 育 示 意 图
在开采上部具有含水层的煤层时 ，岩层 中的天 然 裂 隙 在 采 动 影 响 作 用 下 极 易 导 通 采 空 区 和 含 水 层， 造成 突 水事 故 。如 果在 煤层 与水 体 之 间存 在 隔水 关 键层 ， 由隔水关 键 层 的定 义 可 知 ， 隔水 关键 层 首 先 会控制覆岩运动 ，即对采动裂隙发展起到一定 的控 制作用。因此 ， 若隔水关键层不发生破 断 ， 裂隙就不
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作用 ， 不会发生突水 。 （ ３ ） 隔水关键层渗流稳定性的判别 。 根据采动渗 流 理论 可知 ， 覆岩 中的结构 关键 层破 断 后还具 有 隔水 作用的条件是渗流失稳系数小于 １ 。 当渗流失稳系数 小于 １ 时， 关 键层 与 其 临近岩 层 的复合 结构 仍具 有 隔 水作用 ， 不会发生突水事故 ； 当渗流失稳系数大于 １ 时， 关键层与其临近岩层的复合结构已不具备隔水作
。
２ 隔水 关 键 层 作 用 机 理
在开采水体下的煤炭资源时 ，若含水层或水体 在 结构 关 键层 之 上 ，如 果 结构 关 键 层 采 动后 不 破 断 且 能起 到 隔水作 用 ， 则 该结 构层 就是 隔 水关 键层 。隔 水 关键 层 可 以是 单一 岩 层 ，也可 是 由若 干岩 层 组 成 的复合结构层 ，但必须含有对采场岩体运动具有一 定承载作用的硬岩层 ，即隔水关键层 中必须含有具 有 一定 承 载强 度 的硬 岩层 【 ２ 】 。
１ 前
言
三下采煤之一的水体下采煤 ，是指不对水体进 行处理 ， 直接在其下方进行安全开采工作 。 水体下采 煤 的基本要求是防止水砂窜人井巷及工作面 ，地层 的岩性和结构特征是决定水体下能否安全开采的重 要 因素。 我国专家学者在岩层控制方面提出了“ 关键 层” 理论 ， 该理论能有效地指导煤炭开采 中的顶板管 理和支护工作 ； 同理 ， 在开采水体下的煤炭资源时提 出了对 应 的 “ 关键层” 理论 ， 即隔水 关键 层 【 １ ］ 。通过 对 隔水 关键 层 作 用机 理 和 判别 条 件 的研 究 ，对 安 全 高 效 开采水 体 下 的煤 炭资 源具 有重 要 意义 。
媾矿现代化
２ ０ １ ５ 年 第 ４ 期
总 第１ ２ ７ 期
水体 下 采煤 隔水 关键层 的判别与应用
刘昊 鹏 ０
（ １ ． 太原理工 大学矿业工程 学院 ， 山西 太原 ０ ３ ０ ０ ２ ４ ； ２ ． 西山煤电股份公 司西铭矿 ， 山西 太原 ０ ３ ０ ０ ５ ２ ）
摘 要 地 层 的岩 性和 结 构特征 是 水体 下安全 开采 的 重要 因素 ， 由岩层 控 制 方 面的 “ 关键 层 ” 理论 引 出“ 隔水 关键 层 ” 概念 。 通过 分析 隔 水关键 层 的作 用机 理 ， 从 结构稳 定性 和渗 流稳 定性 两方 面来分析 判 断覆岩 中是 否存 在 隔水 关键 层 ， 进 而判 断 开采过程 是 否存在 突水危 险 。 关 键词 水 下采 煤 ， 隔水 关键 层 ， 渗 流稳 定 中图分 类号 ： Ｔ Ｄ ８ ２ ３ ． ８ ３ 文献标 志码 ： Ａ 文 章编 号 ： １ ０ ０ ９ — ０ ７ ９ ７ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ４ — ０ ０ １ ２ — ０ ２ 会 被 扩展 成 为导 水通 道 。其 次 ， 若 结 构关 键层 发 生破 断 ，如 果关 键 层 临近 有软 弱 岩 层 且具 有 很 强 的 隔水 性 能 ，则 软 弱 岩层 可 能 在破 断 的关 键 层 之 上 形成 一
层 阻隔层 ， 从 而仍然具有隔水 能力 ； 即使软岩层也发 生破坏 ， 软硬岩层复合结构破断后相互胶 结 ， 弥合采 动影响形成的裂隙通道 ， 也具有隔水作用［ ３ １ 。
３ 隔 水 关 键 层 判 别 条 件
通过分析隔水关键层的作用机理 ，应该从结构 稳定性和渗流稳定性两方面来分析判断覆岩 中是否 含有 隔 水关 键 层 。首 先 判 断煤 层 与 水 体或 含 水 层 之 间是 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 ，也 可 以是 由数 层 岩 层 组 成 的复 合 岩层。当这些岩层保持结构稳定即没有发生破断时 ， 本身就具有隔水作用 ； 当这些岩层发生破断时 ， 由破 碎 岩体 渗 流 特性 来 判 断是 否 发 生 突水 以及 突水 的危 险性 。不 管结 构关 键层 是 否发 生破 断 ， 都 能起 到 隔水 作用 ，不发生突水 ，则这样的岩层就是隔水关键层 ］ 因此 ， 通过 以下三步对某一岩层是否是隔水关键 层 进行 判 断 。 （ １ ） 关键 层 位置 的确 定 。 由分 析 可 知 ， 形 成 隔水 关 键 层 的基 础 是覆 岩 中存在 结 构 关 键层 ，因而 只有 确 定 覆岩 中 的结构 关 键 层 ，进 而 才 能进 一 步 确 定 能 否形 成 隔水 关 键层 。确 定 隔水 关 键 层 的位 置 可 以 由 钻孔资料及开采地质条件结合关键层理论通过刚度 条件 和强 度 条件 判 别 。 （ ２ ） 关键 层结 构 稳 定性 的判 别 。若 覆岩 中的结 构 关键 层 在 受采 动 影 响 时不 发 生破 断 ，则其 具 有 隔水
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用， 存 在 发生 突水 事故 的危险 。 通 过上 述 三 步 判别 ，就 可 以判 断某 一岩 层 是 否
是隔水关键层 ，进而确定覆岩 中是否存在隔水关键 层及在什么情况下可能发生突水危害。
４ 工 程 应 用
某 矿 开采 的煤 层位 于侵 蚀 基准 面 以下 ， 井 田地表