第29卷 增2岩石力学与工程学报 V ol.29 Supp.22010年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept .，2010收稿日期：2009–12–31；修回日期：2010–04–05基金项目：国家自然科学基金资助项目(50574074)；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(教外司留[2008]890号)；榆林市产学研合作项目；陕西省重点实验室科研项目作者简介：黄庆享(1966–)，男，博士，1987年毕业于西安矿业学院采矿工程专业，现任教授、博士生导师，主要从事矿山压力与岩层控制方面的教学与研究工作。
E-mail ：Huangqx@浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类黄庆享(西安科技大学 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)摘要：通过陕北浅埋煤层保水开采的模拟研究与采动损害实测，揭示采动覆岩裂隙主要由上行裂隙和下行裂隙构成，采动裂隙带的导通性决定着覆岩隔水层的隔水性。
实验分析上行裂隙带发育高度的计算公式，模拟测定下行裂隙带的发育深度。
基于采动裂隙发育程度与采高和隔水岩组的关系，提出以隔采比为指标的隔水性判据，由此将保水开采分为自然保水开采、可控保水开采和特殊保水开采3类，为浅埋煤层保水开采提供科学依据。
关键词：采矿工程；浅埋煤层；覆岩；隔水性；保水开采中图分类号：TD 32 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2010)增2–3622–06IMPERMEABILITY OF OVERBURDEN ROCK IN SHALLOW BURIED COAL SEAM AND CLASSIFICATION OF WATERCONSERV ATION MININGHUANG Qingxiang(Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention of Ministry of Education ，Xi ′an University of Science andTechnology ，Xi ′an ，Shaanxi 710054，China )Abstract ：According to simulation model tests and water conservation of overburden rock in shallow-buried coal seam ，it is revealed that the cracks of overburden rock induced by mining are mainly composed of upward cracks and downward cracks ；the impermeability of overburden impermeable layer depends on the interpenetration of mining crack zone. The calculation formula of the developing height of upward crack zone is analyzed ；and the developing depth of downward crack zone is also measured by simulation. Based on the relationship among developing degree of mining crack ，mining height and impermeable layer ，the impermeability criterion is put forward by the ratio of impermeable layer thickness to mining height. The water conservation mining is divided into 3 types ，i. e. nature water conservation mining ，controllable water conservation mining and special water conservation mining ，which provide scientific basis for shallow buried coal seam mining.Key words ：mining engineering ；shallow buried coal seam ；overburden rock ；impermeability ；water conversation mining1 引 言我国西部毛乌苏沙漠边缘地下煤层储量丰富，仅陕西境内的榆神府煤田含煤面积约2.7×104 km 2，总储量约2.4×1011 t ，被列为世界七大煤田之一[1]。
目前，该矿区正在大规模开发，2008年区内原煤产量1.55×108 t ，并且以每年2.0×107 t 的速度递增。
第29卷增2 黄庆享. 浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类 • 3623 •煤层埋深40～580 m，初期开发的煤层埋深一般在100～200 m以内，属于浅埋煤层。
开采实践表明，采动覆岩移动引起隔水层失稳，导致大量的地下水的流失，对生态造成了严重破坏[2，3]。
我国学者，对此进行了不懈的努力。
钱鸣高等[4，5]于2003年提出了绿色开采，为浅埋煤层可持续开采指明了方向，其中保水开采是其重要途径之一，2007年又提出了科学采矿，强调了提高回收率和保护环境是科学采矿的重要指标。
缪协兴等[6]应用关键层理论，研究了(上行)裂隙带内隔水关键层结构稳定性的概念模型。
杨泽元等[7]对榆神府矿区的地表生态研究表明，地表植被生长与地下水位埋深密切相关，采动引起地下水位下降是导致地表生态恶化的主要原因。
据此，王双明等[8]提出，陕北榆神府煤田的保水开采重点是保护地表生态水位不下降，关键是确保采动过程中隔水层的隔水性。
榆神府煤田的煤层覆岩由基岩和黏土层组成，共同构成隔水岩组[9]。
掌握采动顶板裂隙发育规律，研究隔水岩组的稳定性，根据隔水岩组的稳定性进行保水开采分类控制，是实现榆神府煤田可持续发展的科学途径。
本文以榆神府矿区浅埋煤层地层条件为工程背景，采用应力–应变全程相似和水理性相似技术，通过固液耦合模拟揭示浅埋煤层采动覆岩裂隙发育规律，确定了上行裂隙和下行裂隙的计算方法，提出了以下行裂隙和上行裂隙为主要指标的隔水层稳定性判据，建立了榆神府矿区浅埋煤层保水开采的分类方法，为浅埋煤层保水开采提供了科学依据。
2 榆神府矿区煤层赋存特征榆神府矿区的可采煤层和局部可采煤层有12层，全区储量最大的主采煤层是2–2煤层，位于煤系顶部，煤层倾角近水平。
根据组合形态，将煤层覆岩划分为3类[8]：(1) 沙层–土层–风化层–基岩层，占全区的65%，主要分布于榆神矿区；(2) 沙层–风化层–基岩层，占全区的20%，主要分布于神北矿区；(3) 土层–风化层–基岩层，占全区的15%，主要分布于新民区。
其中，沙层包括风积沙及萨拉乌苏组，厚度一般在10 m以内，含有潜水，水位埋深为0.90～9.27 m，是矿区主要含水层，该含水层的潜水是地表植被赖以生存和人民生活用水的宝贵水源；土层指离石黄土及三趾马红土，厚度一般为20～80 m，是良好的隔水层；风化层指基岩顶面风化带，厚度一般为20～25 m，为弱含水层；基岩层为主采煤层上覆未风化基岩，主要由砂岩构成，厚度变化较大，一般为30～380 m，与土层共同构成隔水岩组。
3 采动覆岩裂隙发育规律与隔水性3.1 采动覆岩裂隙与隔水性在考虑黏土隔水层应力应变全程相似和水理性相似条件下[10]，针对榆神矿区榆树湾煤矿[11]、海湾煤矿3#井和大砭窑煤矿的煤层开采开展了模拟试验。
试验研究表明，上覆岩土体的采动裂隙主要由上行裂隙与下行裂隙构成。
上行裂隙由采动后顶板自下而上的垮落和离层下沉形成，该裂隙带就是通常所说的导水裂隙带(见图1(a))。
下行裂隙则是由于地层下沉运动在地层表面产生张拉作用而形成的向下发育的张拉裂隙(见图1(b))。
(a) 裂隙带未贯通时隔水层稳定(b) 裂隙带导通隔水层失稳图1 采动覆岩上行裂隙带和下行裂隙带Fig.1 Upward crack zone and downward crack zone of overburden rocks induced by mining上行裂隙与下行裂隙在隔水层内的导通性决定着隔水岩组的稳定性，简称隔水性。
如果上行裂隙含水层下行裂隙带上行裂隙带隔水层煤层含水层下行裂隙带隔水层上行裂隙带煤层• 3624 • 岩石力学与工程学报 2010年带与下行裂隙带导通，则隔水性失稳，潜水将流入采空区。
反之，则隔水性稳定(见图2)。
通过合理的方法控制上行裂隙带发育高度，或降低下行裂缝带的发育深度，可以提高隔水层的隔水性。
(a) 上行裂隙和下行裂隙未导通隔水层(b) 上行裂隙和下行裂隙带穿透隔水层图2 采动覆岩上行裂隙带和下行裂隙带模型照 Fig.2 Photographs of model of upward crack zone and downwardcrack zone of overburden rocks induced by mining3.2 上行裂隙带发育高度(1) 单一煤层开采上行裂隙带发育高度的确定可以借鉴导水裂隙带的计算方法。
由浅埋煤层隔水层位移规律的物理模拟实验[12]可知，上行裂隙发育最充分的区域对应于工作面煤壁后部的最大下沉区，该区域拥有最大下沉梯度和曲率。
这与前苏联学者格维尔茨曼[13]根据大量实例的研究结论一致，他得出全部跨落法采煤时导水裂隙带顶部岩层的极限曲率K Γ与导水裂隙带高度T H 的关系为0Γ22T037.25(cot cot )q mK H δϕ=+ (1) 式中：0q 为岩层最大下沉系数，m 为采高，0δ为极限角，3ϕ为充分采动角。
根据实践经验，0q 和03cot cot δϕ+数值变化幅度不大，一般分别取0.7和1.1，则式(1)可以简化为T H ≈ (2) 由此得出，导水裂隙带高度与采高成正比，与裂隙带顶部岩层的极限曲率成反比。
从式(2)可知，如果上行裂隙带顶部岩层的极限曲率越大，即岩层的柔性越大，导水裂隙带发育越小。
我国对裂隙带高度研究认为，缓倾斜煤层开采导水裂隙带的高度与采高近似呈正比关系，表现为：软弱顶板为8～12倍采高，中硬岩层为12～18倍采高，坚硬岩层为18～28倍采高[14]。