一种泥质隔水层采动稳定性的判别方法与流程

本发明涉及一种隔水层稳定性的判别方法，具体是一种泥质隔水层采动稳定性的判别方法。

背景技术：

目前我国西北部煤田煤层埋藏浅、厚度大、基岩薄、煤质优良且构造简单，开采技术条件优越。煤炭的大规模开采，使覆岩采动裂隙大量发育且常常直通地表，往往造成地表水或地下潜水流失，破坏地表径流。另一方面，西北部地区为干旱半干旱气候，降水量小、蒸发量大，生态环境脆弱，特别是地表水和地下潜水更是维系区域生态稳定和保障生产生活的重要资源。长期以来，西北部煤炭的大规模开采与脆弱生态环境之间的矛盾极其尖锐。随着技术发展，基于隔水层保护的保水开采成为解决上述矛盾的有效方法之一，而在保水开采研究中，隔水层稳定性的有效预测和判别成为研究的重要内容之一。同时，研究资料表明，我国西北部地区隔水层多富含蒙脱石、伊利石、高岭土等粘土矿物，使其具有良好的遇水膨胀泥化特性，因此，研究泥质隔水层采动稳定性判据对该地区实现保水开采意义重大。

目前对隔水层采动稳定性的判据主要通过分析导水裂隙带发育高度、覆岩极限抗拉强度、隔水关键层强度条件等来间接预测隔水层的稳定性。如公开号为cn104564074a，名称为“一种实现煤矿区保水采煤的方法”的中国专利，通过计算导水裂隙带高度，给出了隔水层隔水稳定性判据，即h≥h裂+40。其中h为煤层顶界至含水层低界的岩层厚度，h裂为导水裂隙带高度，40为隔水层剩余厚度(单位m)；公开号为cn104612688a，名称为“一种生态脆弱区多煤层开采保水采煤方法”的中国专利，通过计算不同煤层开采导水裂隙带发育高度，给出了多煤层保水开采条件下各煤层开采顺序；公开号为cn102505943a，名称为“一种水源地中小煤矿用保水采煤方法”的中国专利，基于弹性简支梁模型，计算了煤层顶部至隔水层下部覆岩的极限抗压强度，给出了条带保水采煤的条带宽度上限公开号为cn1963148a，名称为“利用结构关键层作为隔水层的保水采煤方法”的中国专利，基于关键层理论，计算了隔水关键层判别的强度及刚度条件，并指出通过确保隔水层关键层不被破坏来实现保水开采。上述各个发明专利均通过间接分析法，给出了一定条件下预测隔水层稳定性的方法公式，但普遍存在以下不足：

①目前都是通过分析导水裂隙带发育高度、覆岩极限抗拉强度、隔水关键层强度条件等来间接预测隔水层的稳定性，忽略了隔水层(特别是泥质隔水层)自我修复和保持自身稳定的能力，预测结果与实际值之间误差较大；

②多是从覆岩自身垮落破坏出发，忽略了泥质隔水层中粘土矿物成分在固液耦合条件下遇水膨胀泥化的水理特性。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种泥质隔水层采动稳定性的判别方法，考虑泥质隔水层采动变形破坏特征和粘土矿物遇水膨胀泥化的水理性质，将压阻比作为判别隔水层渗漏破坏的关键指标，从而能对泥质隔水层采动稳定性进行有效预测和判别。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种泥质隔水层采动稳定性的判别方法，具体的判别步骤为：

(1)确定当前矿井内的目标含水层水压haf：根据当前矿井或临近矿井水文地质资料，确定当前矿井内的目标含水层水压haf；

(2)预测采动后隔水层最小采动水力阻隔厚度had：根据当前矿井已采工作面隔水层台阶下沉系数统计值qm和隔水层的总厚度h，预测现采工作面采动后隔水层最小采动水力阻隔厚度had＝h(1-qm)；

(3)计算隔水层的实际压阻比iad：根据步骤(1)得到的数值和步骤(2)得到的数值，计算得到目标含水层水压haf和采动后隔水层最小采动水力阻隔厚度had之比，即隔水层的实际压阻比iad；具体公式为：

式中，haf为目标含水层水压，m；had为隔水层最小采动水力阻隔厚度，m；

(4)测定隔水层岩体的剪切强度σs：采用测量岩体剪切强度的设备对隔水层岩体强度进行现场原位测试，得到隔水层岩体的剪切强度σs；

(5)测定隔水层岩体的初始孔隙率n0：对隔水层岩体进行现场取样，然后对取样进行孔隙率测定，得出隔水层岩体的初始孔隙率n0；

(6)测定隔水层初始渗透率k0：根据现场取得的隔水层岩样，在实验室加工制作渗透率测试标准样，并采用渗透测试仪测试试样的渗透系数，进而得到隔水层初始渗透率k0；

(7)计算当前隔水层发生渗漏破坏的临界压阻比i：临界压阻比i的计算公式推导如下，根据普怡锡里定律、毛细管渗流模型和质量守恒定律，定义无量纲变量：

式中：δ为等效孔隙半径，m；δ0为初始毛细管半径，m；q0为初始流量；n0为初始孔隙率；l为块段长度，m；αi为第i个块段的渗流率的变化速率；cs为岩土中粘土含量；a为渗透路径上横截面积，m²；τc为临界剪切应力，pa；

当nfd-ng＞0，即空隙直径随时间持续增加时，隔水层将开始发生渗漏，因此，隔水层发生渗漏破坏的临界条件即为：

nfd-ng＝0(ⅱ)

结合达西定律可知：

式中：i为目标含水层水压与隔水层采动水力阻隔厚度之比，pa/m。

联立上述公式(ⅰ)、(ⅱ)、(ⅲ)求解，即确定隔水层发生渗漏破坏的临界压阻比i的计算公式：

式中，n0为初始孔隙率；k0为初始渗透率，m²；σs为隔水层岩体剪切强度，pa；将步骤(4)、步骤(5)、步骤(6)得到的各个隔水层岩体参数带入到上述公式中，计算得出当前隔水层发生渗漏破坏的临界压阻比i；

(8)判断泥质隔水层采动后的稳定性：将步骤(3)得到的隔水层的实际压阻比iad与步骤(7)得到的当前隔水层发生渗漏破坏的临界压阻比i进行比较；若iad＜i，则判断当前泥质隔水层采动后能保持隔水稳定性；若iad≥i，则判断当前泥质隔水层采动后会发生渗漏破坏。

进一步，所述测量岩体剪切强度的设备为自动控制高压旁压仪及现场岩体钻孔剪切测试仪或梅纳旁压仪。采用上述现有设备能方便精确的测量出岩体剪切强度。

进一步，所述在实验室中对取样进行孔隙率测定。在实验室中测定能降低测定过程中外界对其干扰，从而保证孔隙率测定的准确性。

与现有技术相比，本发明以泥质隔水层自身隔水性为研究对象，不仅准确地反映了采动过程对泥质隔水层的变形破坏，而且充分考虑了该过程中粘土矿物作用下隔水层遇水膨胀泥化的水理性质；将压阻比作为判别隔水层渗漏破坏的关键指标，得到采动影响后泥质隔水层发生渗漏破坏的临界判断方式，并给出了隔水层采动稳定性的详细判别步骤，从而实现了对泥质隔水层采动稳定性的有效预测和判别，便于在实际工程中进行广泛使用。

附图说明

图1是本发明的判断流程图。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

实施例1：

以矿井a的实际工作面煤层开采为例，采用本发明判断稳定性的具体步骤为：

(1)根据当前矿井或临近矿井水文地质资料，确定当前矿井内的目标含水层水压haf为9.10m；

(2)根据当前矿井已采工作面隔水层台阶下沉系数统计值qm为0.32，查阅矿井综合柱状图，得到隔水层的总厚度h为3.55m，预测现采工作面采动后隔水层最小采动水力阻隔厚度had＝h(1-qm)，得出隔水层最小采动水力阻隔厚度had为2.41m；

(3)根据步骤(1)得到的数值和步骤(2)得到的数值，计算得到目标含水层水压haf和采动后隔水层最小采动水力阻隔厚度had之比，即隔水层的实际压阻比iad为3.78；具体公式为：

式中，haf为目标含水层水压，m；had为隔水层最小采动水力阻隔厚度，m；

(4)采用自动控制高压旁压仪及现场岩体钻孔剪切测试仪对隔水层岩体强度进行现场原位测试，得到隔水层岩体的剪切强度σs为0.35mpa；

(5)对隔水层岩体进行现场取样，然后在实验室中对取样进行孔隙率测定，得出隔水层岩体的初始孔隙率n0为0.1；

(6)根据现场取得的隔水层岩样，在实验室加工制作渗透率测试标准样，并采用渗透测试仪测试试样的渗透系数，进而得到隔水层初始渗透率k0为0.01m/d；

(7)临界压阻比i的计算公式如下，

式中，n0为初始孔隙率；k0为初始渗透率，m²；σs为隔水层岩体剪切强度，pa；将步骤(4)、步骤(5)、步骤(6)得到的各个隔水层岩体参数带入到上述公式中，计算得出当前隔水层发生渗漏破坏的临界压阻比i为0.61；

(8)将步骤(3)得到的隔水层的实际压阻比iad与步骤(7)得到的当前隔水层发生渗漏破坏的临界压阻比i进行比较；由于iad≥i，则判断当前泥质隔水层在采动后会发生渗漏破坏。然后继续对矿井a进行采动，并对矿井a现场水位进行监测，其监测结果显示工作面推过后，钻孔内积水流失，表明隔水层发生了渗漏破坏，隔水结构遭到破坏。这与本发明得到的判断结果完全相符，表明了该判别方法的准确性。

实施例2：

以矿井b的实际工作面煤层开采为例，采用本发明判断稳定性的具体步骤为：

(1)根据当前矿井或临近矿井水文地质资料，确定当前矿井内的目标含水层水压haf为9.10m；

(2)根据当前矿井已采工作面隔水层台阶下沉系数统计值qm为0.32，查阅矿井综合柱状图，得到隔水层的总厚度h为6.42m，预测现采工作面采动后隔水层最小采动水力阻隔厚度had＝h(1-qm)，得出隔水层最小采动水力阻隔厚度had为4.37m；

(3)根据步骤(1)得到的数值和步骤(2)得到的数值，计算得到目标含水层水压haf和采动后隔水层最小采动水力阻隔厚度had之比，即隔水层的实际压阻比iad为2.08；具体公式为：

式中，haf为目标含水层水压，m；had为隔水层最小采动水力阻隔厚度，m；

(4)采用自动控制高压旁压仪及现场岩体钻孔剪切测试仪对隔水层岩体强度进行现场原位测试，得到隔水层岩体的剪切强度σs为1.44mpa；

(5)对隔水层岩体进行现场取样，然后在实验室中对取样进行孔隙率测定，得出隔水层岩体的初始孔隙率n0为0.1；

(6)根据现场取得的隔水层岩样，在实验室加工制作渗透率测试标准样，并采用渗透测试仪测试试样的渗透系数，进而得到隔水层初始渗透率k0为0.01m/d；

(7)临界压阻比i的计算公式如下，

式中，n0为初始孔隙率；k0为初始渗透率，m²；σs为隔水层岩体剪切强度，pa；将步骤(4)、步骤(5)、步骤(6)得到的各个隔水层岩体参数带入到上述公式中，计算得出当前隔水层发生渗漏破坏的临界压阻比i为2.50；

(8)将步骤(3)得到的隔水层的实际压阻比iad与步骤(7)得到的当前隔水层发生渗漏破坏的临界压阻比i进行比较；由于iad＜i，则当前泥质隔水层采动后能保持隔水稳定性。然后继续对矿井b进行采动，并对矿井b现场水位进行监测，其监测结果显示工作面推过后，钻孔内水位基本稳定，表明隔水结构未被破坏，隔水层保持了采动隔水性。这与本发明得到的判断结果完全相符，表明了该判别方法的准确性。