胡家河煤礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究

閆 鑫，侯恩科，袁西亞，郝寶利

(1．西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054;2．陜西陜煤彬長礦業(yè)有限公司胡家河礦業(yè)有限公司，陜西長武 713600)

0 引言

采煤過程中，工作面覆巖在礦山壓力作用下的運(yùn)動(dòng)將使得巖層產(chǎn)生裂隙和斷裂，一旦這些裂隙和斷裂進(jìn)一步發(fā)育、連通就會(huì)成為水的流動(dòng)通道，如遇到含水層中的水就有可能通過導(dǎo)水通道導(dǎo)入工作面，對(duì)安全生產(chǎn)造成威脅。因此，分析覆巖破壞規(guī)律，特別是導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度尤為重要。目前在這方面的研究主要使用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)、類比分析、數(shù)值模擬、相似材料模擬、實(shí)測等方法。其中使用最普遍的方法是《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(簡稱《規(guī)范》)中推薦使用的經(jīng)驗(yàn)公式，但此公式的使用條件比較嚴(yán)格且存在一定的局限性。在某些特定開采條件下，如特厚煤層綜采放頂開采，就與實(shí)際情況存在較大偏差。相似模擬和現(xiàn)場實(shí)測均需一定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，且需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。數(shù)值模擬方法由于具有操作方法簡單、不受環(huán)境影響、計(jì)算周期短，結(jié)果直觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，從而成為預(yù)測特厚煤層綜采放頂開采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的合理選擇。

1 胡家河煤礦概況

1．1 煤礦水文地質(zhì)特征

胡家河煤礦位于彬長礦區(qū)中北部涇河?xùn)|岸，屬溝間黃土侵蝕地貌，主要由黃土塬、黃土梁及河谷平川組成。區(qū)內(nèi)塬面較為平坦完整，周圍有河溝切割。煤礦屬鄂爾多斯中生代承壓水盆地范疇，含水基巖地層由白堊系下統(tǒng)(K1)、侏羅系(J)、三疊系上統(tǒng)(T3)組成。直接充水含水層為侏羅系延安組煤系裂隙含水層及直羅組砂巖裂隙含水層，充水含水層富水性弱，裂隙不甚發(fā)育，水量小，易于疏干。洛河組孔隙裂隙承壓含水巖組屬間接充水含水層，其厚度為265．05 ～388．85 m，平均 332．25 m，為巨厚含水層，由東南向西北變厚。巖性以紫紅～暗紫紅色中、粗粒砂巖為主，具有較強(qiáng)的承壓性，分布廣，厚度大，富水性較強(qiáng)，有可能造成突水，對(duì)煤層開采威脅較大。

1．2 4#煤層特征

侏羅系中統(tǒng)延安組為胡家河煤礦唯一的含煤地層，為一套內(nèi)陸河流沼澤相沉積。4#煤層位于延安組下段的底部。傾角在3°以下，平均厚度約23 m，屬于近水平特厚煤層。該煤層厚度依古地貌形態(tài)差異而變化，在古隆起邊緣煤層厚度較薄，一般小于10 m，在古地形平緩區(qū)厚度穩(wěn)定，一般在15 m左右，在古地形低凹區(qū)沉積厚度較大，一般在23 m左右，最大厚度28．98 m。煤層結(jié)構(gòu)較簡單，一般含夾矸兩層，屬穩(wěn)定煤層，大部分可采。其頂板巖性以灰～深灰色粉砂巖、泥巖為主，底板則以灰～灰褐色鋁質(zhì)泥巖為主。

2 數(shù)值模型及結(jié)果分析

2．1 RFPA數(shù)值模型

RFPA是一種巖石破裂失穩(wěn)過程模擬軟件，可以模擬煤層開采覆巖破壞過程和冒裂帶高度。以401105工作面工況條件和上覆巖層物理特性為依據(jù)建立數(shù)值模型，為提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度，對(duì)鉆孔柱狀圖中部分巖層組合進(jìn)行適當(dāng)簡化，簡化后的模型分為13層。模型長400 m，高250 m，工作面兩邊各取80 m的邊界。采用綜采放頂煤開采工藝，采放高度13 m，沿工作面方向推進(jìn)250 m，整個(gè)模型劃分為40 000×25 000個(gè)網(wǎng)格。由于層理弱面會(huì)對(duì)較厚巖層產(chǎn)生影響，在厚巖層中預(yù)設(shè)有層理。第一步為巖體在自重作用下的平衡過程，因此從第二步開始開挖。模型水平方向及底面采用固定端約束，垂向上為自由邊界，不加約束。所建模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

2．2 數(shù)值模型參數(shù)的選取

數(shù)值模型中巖層按照由上向下的順序布置，其巖石的力學(xué)性質(zhì)服從Weibull分布。所選取的巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

2．3 模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值試驗(yàn)，可得到受工作面采動(dòng)影響采空區(qū)及上覆巖層動(dòng)態(tài)發(fā)展過程的結(jié)果，選取其中具有代表性的彈性模量分布圖，如圖2所示。

從彈性模量圖中可以看出，在工作面推進(jìn)20 m時(shí)，由于頂板暴露面積較小，圍巖破壞程度也較小，煤層頂板結(jié)構(gòu)依然保持完整(圖2a)。隨著工作面推進(jìn)，上覆巖層由于重力作用及圍巖應(yīng)力狀態(tài)的變化而在開切眼附近出現(xiàn)零星破壞點(diǎn)，當(dāng)工作面推進(jìn)到50 m時(shí)，工作面出現(xiàn)初次來壓。上覆巖層開始出現(xiàn)變形和垮落，頂板受開采擾動(dòng)在切眼處出現(xiàn)宏觀破壞，此時(shí)的冒落帶高度為24 m(圖2b)。推進(jìn)到70 m時(shí)，頂板上覆巖層間的多個(gè)層理開裂，發(fā)生較大面積的破壞，并出現(xiàn)微弱的離層，此時(shí)的導(dǎo)水裂隙帶高度為48 m(圖2c)。推進(jìn)到90 m時(shí)，巖層間的節(jié)理裂隙的存在而出現(xiàn)較大離層。導(dǎo)水裂隙帶不斷向上延伸，前期發(fā)育的離層不斷擴(kuò)大，當(dāng)達(dá)到某一極限值時(shí)，上部巖層垮落，使得下部離層逐漸愈合，同時(shí)在上方產(chǎn)生新的離層，此時(shí)的導(dǎo)水裂隙帶高度為116 m(圖2d)。當(dāng)工作面推進(jìn)到140 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至洛河組砂巖含水層，達(dá)204 m，此后隨著開采導(dǎo)水裂隙帶高度不再向上發(fā)展。因此，數(shù)值模擬確定的導(dǎo)水裂隙帶高度為204 m(圖2e)。

圖2 不同開挖量的彈性模量圖

3 導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算與探查

3．1 導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算

胡家河煤礦煤層頂板巖石抗壓強(qiáng)度為21．63～78．32 MPa，巖性中硬。根據(jù)《規(guī)范》公式計(jì)算結(jié)果，在采厚為13 m時(shí)，運(yùn)用《規(guī)范》中兩個(gè)公式計(jì)算出的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度分別為58．88 m和82.11 m。

3．2 導(dǎo)水裂隙帶高度探查

為査明導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征，在礦區(qū)內(nèi)采用地面鉆孔沖洗液漏失量觀測方法對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行了探查。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，鉆液在424 m之前幾無變化，在此之后鉆孔沖洗液漏失量急劇增大(圖3)，后續(xù)直至施工結(jié)束，孔內(nèi)鉆液漏失量一直較大，且孔口不再返漿。因此，將孔深424 m定為導(dǎo)水裂隙帶頂界。由于鉆孔孔口標(biāo)高為1 020 m，煤層頂部標(biāo)高271 m，則導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為225 m。裂高采厚比為17．3。

4 結(jié)論

(1)通過RFPA數(shù)值模擬和鉆孔漏失液觀測的方法，綜合確定胡家河煤礦在綜放開采條件下，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度在225 m左右。

圖3 鉆孔沖洗液漏失量圖

(2)《規(guī)范》中沒有針對(duì)深埋特厚煤層綜放開采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的計(jì)算公式，鉆孔漏失液觀測的方法可以得到結(jié)果，但缺乏對(duì)發(fā)育過程的分析，而RFPA數(shù)值模擬軟件可以幫助分析導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育過程，將鉆孔探測和RFPA相結(jié)合，可以更好地分析導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育過程和發(fā)育高度。