浅埋煤层粘土隔水层

式中：巩为材料的峰值强度；仃。为材料的残余强 度煽为材料峰值强度时的应变量；ｅ。为材料残余 强度时的应变量． ３．３黏土隔水层的水理性相似条件
选择亲水性、渗透性和膨胀性表征土层的水理 性相似指标．
＾一．
１）亲水性：采用吸水率口＝坐堑×１００％表
Ｉ｜岫
征，△ｍ，为见水后试件质量增量，优。为试件于质 量．吸水率越高，亲水性越强．
第２７卷第１期 ２０１０年０３月
采矿与安全工程学报
Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ＆Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
文章编号：１６７３—３３６３（２０１０）Ｏｌ一００３５—０５
Ｖ０１．２７ Ｎｏ．１ Ｍａｒｃｈ ２０１０
浅埋煤层黏土隔水层下行裂隙弥合研究
黄庆享，蔚保宁，张文忠
（西安科技大学能源学院，陕西西安 ７１００５４）
到饱和后，黏土遇水不再膨胀，见图５．
２５
红土
２０
芝１５
黄土
蒌１０
警５
０
５
１０
１５
２０
２５
时间，ｈ
图４膨胀率与时间关系曲线 Ｆｉｇ．４ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｖｓ．ｔｉｍｅ
３５
３０
摹２５ ＊２０
耋１５
１０
５
Ｏ
１０ ２０ ３０加５０ ６０ ７０ ８０ ９０ ｌ∞
含水量，％
图５不同含水率下的膨胀率曲线
２）渗透性：采用渗透指数口＝ｚ／￡表征，Ｚ为水 浸入的轴向长度，￡为时间．渗透指数越大，隔水性 越弱．
＾１厂
３）膨胀性：采用材料的遇水膨胀率ｎ一书上 ｙ０
×１００％表征，吖。为见水试件的体积增大量；Ｕ
为时间原始体积．膨胀率越大，裂隙弥合性越强． ３．４相似材料及其配比
基岩相似材料主要采用河沙，石膏和大白粉， 采用传统方法确定配比．隔水层的相似材料选择河 沙和黏土作为骨料，沙子提供强度，黏土提供塑性 和膨胀性．凡士林和硅油作为胶结剂，主要提供大 变形并控制亲水性．实验确定了黄土的配比为沙： 土为１：５、骨料：胶合剂为７；１、硅油：凡士林为 １：２．５；红土的配比为沙：土为１：６、骨料：胶合 剂为６：１、硅油：凡士林为１：３，实现了应力应变 全程曲线（图６）和主要水理性指标相似．风积沙采
量２００
ｂ １００
Ｏ
１
２
３
４
ｅ／％
图１ 土样的应力一应变全程曲线 Ｆｉｇ．１ Ｗｈｏｌｅ ｓｔｒｅｓＳ－ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｃｌａｙ
２．２黏土的渗透性 根据对土样的渗透性试验方法［９］，采用渗透仪
得出离石黄土的渗透率为ｏ．８５６ ｍ／ｄ，三趾马红土 的渗透率为ｏ．４３４ ｍ／ｄ．渗透系数在不同的水头压 力、不同的载荷下其变化规律如图２，３所示．实验 发现，随水头压力降增加渗透系数逐渐增大，其变 化范围为（Ｏ．２～１．Ｏ）×１０－５ ｍ／ｓ．当水头压力增大 到３００ ｋＰａ后，渗透系数增加速度减缓．随着围压 的增大，土体的渗透率下降，围压增大到１００ ｋＰａ 后，渗透率相对稳定在２×１０叫ｍ／ｓ．
图７ 隔水层内“上行裂隙带“和“下行裂隙带” Ｆｉｇ．７ Ｕｐｗａｒｄ ａｎｄ ｄｏｗｎｗａｒｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅ ｉｎ ａｑｕｉｃｌｕｄｅ
４．２下行裂隙的弥合性 上行裂隙带就是传统的导水裂隙带，其发育高
度的确定和控制已经由大量的研究，而下行裂隙的 影响往往被忽视了．隔水层内下行裂隙带的存在， 实质上降低了隔水层的有效厚度，准确判断下行裂 隙的影响深度，对确定隔水层稳定性和实现保水开 采具有重要意义．
用河沙模拟，地表潜水采用注入清水模拟．
５
耐４
皇３
罾：
１
Ｏ
Ｆｉｇ．６
图６模拟材料的应力应变全程曲线 Ｗｈｏｌｅ ｓｔｒｅｓｓ—ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅ“ａｌｓ
４ 隔水层采动裂隙发育规律
４．１ 隔水层采动“上行裂隙”与“下行裂隙” 在考虑黏土隔水层塑性变形和水理性相似的
１研究的背景Байду номын сангаас意义
榆神府矿区浅埋煤层开采实践表明，采动覆岩 移动引起隔水层失稳，导致地下水的流失，对生态 造成了严重破坏¨３。．浅埋煤层的保水开采研究，是 当前科学采矿的重大课题‘４。５］．榆神府矿区地表潜
水下普遍发育有黄土和黏土组成的隔水层，土层隔 水层的稳定性是实现保水采煤的关键，掌握采动隔 水层的稳定性，对保水开采控制具有重要意义［６‘７］． 本文以榆树湾煤矿为工程背景，通过隔水层土样的 力学和水理性实验，分析了隔水层的渗透性和膨胀 性．基于隔水层的应力应变全程相似和水理性相
Ｔｅｌ：０２９—８５５８３１４２
万方数据
３６
采矿与安全工程学报
第２７卷
似，开展了保水开采的固液耦合相似模拟实验，发 现了黏土隔水层裂隙发育规律及“下行裂隙”的弥 合现象．基于黏土的渗透性和膨胀性，建立了黏土 隔水层“下行裂隙”模型，给出了裂隙弥合判据，为 黏土隔水层的稳定性和浅埋煤层保水开采研究提 供了基础和依据．
收稿日期：２００９一０６—１８ 基金项目：国家自然科学基金项目（５０５７４０７４）ｉ教育部留学回国人员科研启动基金项目（教外司留２００８～８９０）
作者简介：黄庆享（１９６６一），男，新疆维吾尔自治区沙湾县人，教授，博士，博士生导师，从事矿山压力与岩层控制方面的研究．
Ｅ－咖ｉＩ：ｈｕａｎｇｑｘ＠ｘｕｓｔ．ｓｎ．ｃｎ
２黏土的力学性质和水理特性
２．１黏土的力学性质 榆树湾煤矿隔水层由红土和黄土层构成，土体
的峰后塑性变形特性是其抗变形能力和隔水性的 重要指标，测定其应力应变全程曲线对准确模拟隔 水层的稳定性十分必要．通过现场取样，采用ＴＳＺ－ ６Ａ型应变控制式三轴仪，测定岩样的全程应力一应 变曲线，如图１所示．
３００
Ｆｉｇ．５ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｖｓ． ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ
万方数据
第１期
黄庆享等：浅埋煤层黏土隔水层下行裂隙弥合研究
３ 固液耦合相似模型设计
矿山开采的相似模拟主要局限于岩层的弹性 段模拟，而黏土塑性变形是隔水层稳定性的关键． 基岩采用常规的相似条件，隔水层增加了水理性和 塑性相似条件，建立了黏土的应力一应变全程相似 模拟技术，通过配比实验开发了隔水层模拟材料及 其配比［１¨１。． ３．１常规相似条件
采用膨胀仪对原土样进行膨胀性实验，首先将 土样制备成厚度２ ｃｍ的试样，然后装入膨胀仪器， 注水并测定位移计读数，直到６ ｈ的变形率不超过
０．０１ ｍｍ．实验得出：
１）在有侧限条件下，红土的膨胀率是１４．６％，
黄土的膨胀率是１６．１％； ２）黏土遇水７ ｈ后膨胀基本稳定，见图４；
３）初始含水率越小，膨胀率越大，当含水量达
摘要：通过对隔水层土样实验，获得了离石黄土和三趾马红土的应力应变全程曲线、渗透系数和
膨胀率．基于考虑黏土应力应变全程相似和水理性相似的固液耦合相似模拟，揭示了浅埋煤层长
壁开采覆岩采动裂隙带分布规律，发现了“上行裂隙”和“下行裂隙”是隔水层稳定性的主要因素， “下行裂隙”是潜水流失的主要通道之一．发现了隔水层土体膨胀性将产生的“裂隙弥合”现象，可
条件下，在１５０ ｃｍ长的固液耦合平面模型架上开 展了榆树湾矿２＿２煤层开采模拟实验．实验发现， 采动形成的裂隙按照开裂方向可以分为垂直层面 的纵向裂隙与水平离层裂隙．离层裂隙带由采动顶 板自下而上的垮落运动形成，这里称为“上行裂隙 带”．采动地层的下行裂隙由地层下沉过程中的拉 应力形成，主要出现在采空区边缘的地层的上表， 形成自上向下发育的张拉裂隙，该裂隙带称为采动 “下行裂隙带”，如图７所示．上行裂隙带和下行裂 隙带在隔水层内的发育程度决定着隔水层的稳定 性，如果这两种裂隙带贯穿隔水层将导致隔水层失 稳而突水，因此隔水层上行裂隙与下行裂隙是决定 隔水层稳定性的关键因素．
ＨＵＡＮＧ Ｑｉｎｇ—ｘｉａｎｇ，ＷＥＩ Ｂａｏ—ｎｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎ—ｚｈｏｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｎ ｓｏｉｌ ｓａｍｐｌｅｓ ｆｒｏｍ ａｎ ａｑｕｉｆｕｇｅ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｌｉｓｈｉ １０ｅｓｓ ａｎｄ Ｈｉｐｐａｒｉｏｎ ｒｅｄ ｃｌａｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｍｉｌａｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓ０１．ｄ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍ订ａｒｉｔｙ ｏｆ ｗｈｏｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｔａｉｎ ｃｕｒｖｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ｃｌａｙ ａｑｕｉｆｕｇｅ，ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ｌｏｎｇ ｗａｌｌ ｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｄ ｚｏｎｅｓ ｉｎ ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ｓｔｒａｔａ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｌｌｏｗｌｙ ｂｕｒｉｅｄ ｓｅａｍ ｉｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅ— ｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ“ｕｐｗａｒｄ ｃｒａｃｋ’’ａｎｄ“ｄｏｗｎｗａｒｄ ｃｒａｃｋ’’ａｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ａｑｕｉｆｕｇｅ ｓｔａｂ订ｉｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｏｗｎｗａｒｄ ｃｒａｃｋ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ ｇｒｏｕｎｄ ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗｉｎｇ． Ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃｌａｙ ａｎｄ ｌｏｅｓｓ ｗｉｔｈ ｗａｔｅｒ ｗｉｌｌ ｃａｕｓｅ ｃｒａｃｋ ｃｌｏｓｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｓｌｏｗ ｄｏｗｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｏｗｎｗａｒｄ ｃｒａｃｋｓ． Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｄｏｗｎｗａｒｄ ｃｒａｃｋ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｏｆ ｉｔｓ ｃｌｏｓｉｎｇ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｑｕｉｆｕｇｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｅｒｖｅｄ ｍｉｎｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈａｌｌｏｗ ｓｅａｍ；ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｅｒＶｅｄ ｍｉｎｉｎｇ；ａｑｕｉｆｕｇｅ；ｃｒａｃｋ；ｃ１０５ｉｎｇ
几何相似比ｍ一３００；容重相似比ａ，，岩层为 １．６，土层为１．０；应力、弹模相似比口，＝ａＥ＝口皿，； 内摩擦角相似比口。＝１；应变相似比口。＝１；时间相
似比ｍ＝石＝１７．３．
３．２黏土隔水层的塑性相似条件 用材料达到峰值强度后的应力应变斜率来表
达材料的塑性变形特征，即塑性相似特征参量
口＝盟， ｅｃ—ｅｔ
，
’驴
Ｊ 莹 ：
赫 １Ｉｌ｝ 煅 漫
Ｆｉｇ．２
图２渗透系数随水头压力的变化 Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｖｓ． ｈｅａｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ
产
’皆 ｇ ｂ
ｏ 、
赫 幡 嘲 秘
图３渗透系数随载荷的变化
Ｆｉｇ．３ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｖｓ．１０ａｄ
２．３黏土的膨胀性
榆树湾井田地表为萨拉乌素组沙土层，厚度为 ｏ～１９．２ ｍ，含有丰富的地表潜水，水位埋藏一般 为Ｏ．７～２．９ ｍ，对地表生态环境具有重要意义．沙 土层下为离石黄土及第三系三趾马红土隔水层，厚 度平均９０．０ ｍ，岩性为亚黏土和黏土，为区内主要 隔水层．黏土隔水层下为基岩层，平均厚度１２０．Ｏ ｍ，岩性主要为砂岩和泥岩．主采煤层为２—２煤层， 煤层倾角不足１。，平均厚度１１．６２ ｍ，结构简单，赋 存稳定．工作面长度２５０ ｍ，首分层采高５ ｍ，采用 分层长壁综采，全部垮落法管理顶板［８］．
减缓“下行裂隙”的发展．建立了“下行裂隙”模型，给出了“下行裂隙”弥合判据，为隔水层稳定性 和保水开采研究提供了理论依据．
关键词：浅埋煤层；保水开采；隔水层；裂隙；弥舍
中图分类号：ＴＤ ３１５
文献标识码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｄｏｗｎｗａｒｄ Ｃｒａｃｋ Ｃｌｏｓｉｎｇ ｏｆ Ｃ１ａｙ Ａｑｕｉｃｌｕｄｅ ｉｎ Ｓｈａｌｌｏｗｌｙ Ｂｕｒｉｅｄ Ｃｏａｌ Ｓｅａｍ