淺埋深薄基巖礦井綜放工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律研究

徐建國

(兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017010)

東勝礦區(qū)是我國目前最大的煤炭生產(chǎn)基地，該礦區(qū)的可采煤層具有埋深淺、頂板基巖厚度小、第四系松散沉積物厚度大等特點(diǎn)，但煤層覆巖采動破壞裂隙造成的水害事故嚴(yán)重制約著該區(qū)內(nèi)煤層的安全開采。由于東勝礦區(qū)處于西北干旱地區(qū)，淺埋深煤層開采易造成水資源賦存環(huán)境的破壞。目前針對陜北礦區(qū)淺埋深煤層開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征的研究較多，這些研究基本是在干旱地區(qū)保水采煤的角度提出來的。

張小明等通過數(shù)值模擬與相似材料模擬，研究了厚土層淺埋深煤層開采后覆巖“三帶”發(fā)育演化特征及保水采煤的措施；黃慶享等通過土工試驗(yàn)分析了淺埋深煤層上覆黏土隔水層的阻水性能，指出了影響隔水層在采動破壞后的穩(wěn)定性因素，提出了采動裂隙發(fā)育及閉合的判據(jù)，為存在黏土隔水層礦區(qū)保水采煤提供了理論依據(jù)；張杰依據(jù)關(guān)鍵層理論，采用相似材料模擬研究了淺埋煤層在流固耦合作用下的覆巖破壞運(yùn)移特征，提出了主關(guān)鍵層位置是影響裂隙帶發(fā)育的主要因素；劉玉德等研究了影響淺埋深煤層保水開采的綜合分類指標(biāo)，獲得了沙基型淺埋深煤層保水開采的“技術(shù)體系”，利用相似材料模擬基于關(guān)鍵層理論的覆巖冒裂形態(tài)，即“馬鞍形”；師本強(qiáng)利用地表及巖層移動變形，獲得了砂土基型淺埋深煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，對比了分層開采和全采高開采的發(fā)育高度，實(shí)踐驗(yàn)證了分層開采方法在淺埋深煤層保水開采中的正確性。以往對于導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育形態(tài)及特征研究側(cè)重于相似材料模擬，缺乏實(shí)測證據(jù)，對覆巖移動形態(tài)與覆巖采動破壞導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育形態(tài)存在差別沒有進(jìn)行分析。

本文以東勝礦區(qū)南部轉(zhuǎn)龍灣井田為例，以淺埋深薄基巖煤層開采頂板水害為引出點(diǎn)，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法，研究了轉(zhuǎn)龍灣井田首采工作面頂板采動覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律，獲得了淺埋深煤層薄基巖礦區(qū)綜放工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的高度及其形態(tài)，為礦區(qū)頂板水害防治、保水采煤提供了基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)概況

轉(zhuǎn)龍灣(擴(kuò)大)井田屬于東勝煤田，地層區(qū)劃屬于華北地層區(qū)鄂爾多斯陜甘寧分區(qū)準(zhǔn)格爾旗臨縣小區(qū)。井田內(nèi)大部分被第四系覆蓋，基巖出露甚少。該區(qū)構(gòu)造簡單，總體為一單斜構(gòu)造，地層傾角1°～2°。侏羅系中、下統(tǒng)延安組為井田內(nèi)含煤地層，其中上部的II-3煤層是礦區(qū)的首采煤層。該煤層上覆地層自下而上依次為延安組上部、侏羅系中統(tǒng)直羅組、侏羅系中統(tǒng)安定組及第四系，頂板巖性主要以泥質(zhì)粉砂巖、中粗砂巖、細(xì)砂巖為主，局部夾泥巖、粉砂巖；煤層底板主要由延安組內(nèi)的中砂巖和粉砂巖組成。

1.2 水文地質(zhì)概況

影響II-3煤層開采的頂板含水層為直羅組砂巖含水層、第四系薩拉烏蘇組沙層含水層和地表水。直羅組砂巖含水層雖然整體富水性弱，但存在局部的強(qiáng)富水性區(qū)域，且在該區(qū)其他礦井生產(chǎn)中曾出現(xiàn)過嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)的涌水事故。第四系薩拉烏蘇組沙層含水層與直羅組有良好的水力聯(lián)系，為直羅組含水層的重要補(bǔ)給水源。本區(qū)地表水系較為發(fā)育，與地下水聯(lián)系較為密切，對礦井充水存在直接或間接影響。

自第四系底板起至三疊系延長組之間共劃分9個隔水層。巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及充分膠結(jié)的砂巖和煤層。隔水層由北西向南東由厚變薄，隔水條件比較好，在天然狀態(tài)下各個含水層之間基本沒有水力聯(lián)系。

1.3 煤層覆巖巖性特征

轉(zhuǎn)龍灣井田采區(qū)及工作面布置概況如圖1所示。井田內(nèi)可采的II-3煤層埋藏淺，基巖主要為延安組、直羅組、安定組巖層，基巖總厚度為50.91～230.55 m，平均厚度133.20 m。231采區(qū)為本礦首采區(qū)，23103工作面為首采工作面。231首采區(qū)內(nèi)，基巖厚度總體上從東南向西北逐漸增厚，基本厚度都在100 m以上，局部地區(qū)較薄；其中首采區(qū)東南側(cè)和首采面東南角到公涅爾蓋溝附近等區(qū)域基巖厚度小于100 m，尤其是首采面南部厚度小于60 m，為薄基巖區(qū)。上覆基巖及第四系含水層、地表水系均對開采存在著一定威脅，特別是當(dāng)基巖厚度小于II-3煤層開采后形成的導(dǎo)水裂縫帶高度時，必定存在潰水甚至潰沙危險。

2 薄基巖淺埋深煤層覆巖破壞數(shù)值模擬

2.1 三維數(shù)值模型建立

目前，數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測是研究開采煤層覆巖運(yùn)動規(guī)律的主要手段，其中FLAC數(shù)值模擬軟件是分析覆巖破壞、導(dǎo)水裂縫帶發(fā)展過程的主要數(shù)值方法之一。運(yùn)用該方法開展此類研究時，眾多研究人員將塑性區(qū)范圍的演化視為頂板導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育過程，獲得了較多的研究成果。本文利用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行建模，研究薄基巖淺埋深煤層開采覆巖運(yùn)移特征，特別是采動覆巖破壞形成的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育形態(tài)、高度。結(jié)合工作面條件及首采面區(qū)域的巖層結(jié)構(gòu)特征，對巖性和力學(xué)參數(shù)相近的巖層進(jìn)行簡化合并，建立數(shù)值模型長400 m、寬400 m、高200 m，設(shè)計一次采全高5 m，三維模型共劃分259675個單元、272448個節(jié)點(diǎn)，參照研究區(qū)內(nèi)巖石力學(xué)測試資料確定模擬所需的力學(xué)參數(shù)，見表1。

圖1 井田采區(qū)及工作面布置概況圖

巖性密度ρ/kg?m-3體積模量K/GPa剪切模量G/GPa內(nèi)聚力c/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度Rt/MPa地層厚度/m砂土層20000.020.010.02250.1055.82粉砂質(zhì)泥巖21071.230.860.70370.559.10中砂巖23232.411.452.50402.9718.92粉砂巖24146.015.132.00392.6324.52中砂巖20661.260.952.30391.2024.01粉砂巖24145.094.792.20393.1013.98II-3煤層13001.501.201.20400.655.00粉砂巖23835.854.292.10402.4028.01中砂巖22326.053.643.20413.3020.64

此外，本次巖層的破壞判據(jù)采用FLAC3D內(nèi)置的莫爾—庫倫準(zhǔn)則彈塑性本構(gòu)模型，其屈服準(zhǔn)則如下：

(1)

式中：fc——單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

σ1——最大主應(yīng)力，MPa；

σ3——最小主應(yīng)力，MPa；

φ——巖石內(nèi)摩擦角，(°)；

c——巖石黏聚力，MPa。

地層內(nèi)各點(diǎn)的垂直應(yīng)力等于上覆巖層的靜壓力，而側(cè)向應(yīng)力由巖層泊松比確定，由于本次模型頂部為第四系，模型頂板沒有其他巖層，因此不需要再加載荷載。模型側(cè)邊界施加水平約束，底邊界施加水平及垂直約束。模型力學(xué)概念模型如圖2所示，三維模型網(wǎng)格如圖3所示。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件對首采工作面進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得的工作面推進(jìn)方向(縱向)上關(guān)鍵開挖步的垂直應(yīng)力及塑性區(qū)分布如圖4～圖6所示。工作面推采30 m時，頂板發(fā)生塑性破壞，首采工作面推進(jìn)方向的兩端出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，最大集中應(yīng)力為13.7 MPa，采空區(qū)中部頂板出現(xiàn)低應(yīng)力區(qū)；模型塑性破壞帶呈現(xiàn)采動空間端部高、中間低的“馬鞍形”，如圖4所示。推采至160 m時，采空區(qū)兩端集中應(yīng)力25.2 MPa，中部出現(xiàn)集中應(yīng)力，說明采空區(qū)覆巖已冒落壓實(shí)并恢復(fù)至原巖應(yīng)力；模型塑性破壞帶呈“箱形”，工作面的中部與端部塑性破壞區(qū)發(fā)育高度基本持平，如圖5所示。推采至300 m時，采空區(qū)兩端集中應(yīng)力穩(wěn)定至29.2 MPa，模型塑性破壞帶穩(wěn)定為“箱形”，最大塑性破壞帶發(fā)育高度約為84 m，如圖6所示。

圖2 采場平面力學(xué)模型圖

圖3 采場三維數(shù)值模型網(wǎng)格圖

通過數(shù)值模擬與相關(guān)研究對比可知，隨著工作面的不斷推進(jìn)(縱向)，采動應(yīng)力重新分布，在工作面中心位置覆巖得到了充分的垮落，頂板導(dǎo)水裂縫帶形態(tài)的發(fā)展經(jīng)歷了由“馬鞍形”到“箱形”的發(fā)展過程，而非與東部礦區(qū)相同。在東部礦區(qū)，通過現(xiàn)場實(shí)測方法獲得的裂縫帶最終形狀為中間低、兩側(cè)高的“馬鞍形”。

圖4 開挖30 m時覆巖運(yùn)動垂向應(yīng)力圖和塑性區(qū)圖

圖5 開挖160 m時覆巖運(yùn)動垂向應(yīng)力圖和塑性區(qū)圖

3 現(xiàn)場實(shí)測

根據(jù)轉(zhuǎn)龍灣井田井下現(xiàn)場實(shí)際條件，采用鉆孔雙端封堵測漏技術(shù)進(jìn)行II-3煤層開采過程中覆巖破壞特征的實(shí)測研究，獲得了首采工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度及形態(tài)數(shù)據(jù)，為正確評價煤層開采受水威脅程度及進(jìn)行頂板防治水工作提供依據(jù)。

3.1 現(xiàn)場觀測原理

鉆孔雙端封堵測漏技術(shù)的觀測系統(tǒng)如圖7所示?，F(xiàn)場實(shí)測過程中，選擇合適的觀測場所，在相鄰工作面的運(yùn)輸(回風(fēng))巷或可測工作面停采線或開切眼以外的巷道中開掘鉆窩(機(jī)房)，向工作面上方打仰斜鉆孔。在工作面回采前可以研究頂板巖層的原始裂隙發(fā)育規(guī)律，在工作面回采以后可以研究煤層頂板冒裂帶高度。采用鉆孔測漏法，沿鉆孔進(jìn)行分段封堵注水，測定鉆孔各段的漏失流量，以此了解巖石的破壞松動情況，確定煤層頂板冒裂帶高度。

圖7 鉆孔雙端封堵測漏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及觀測原理圖

3.2 觀測孔布置

采動覆巖破壞裂隙發(fā)育觀測孔設(shè)計原則依據(jù)為：

(1) 觀測孔應(yīng)包括采前、采后兩組鉆孔，用于采動裂隙與原生裂隙進(jìn)行對比分析；

(2) 觀測孔可供探測的垂高應(yīng)達(dá)到最大導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，同時需穿過裂隙發(fā)育的最高位置；

(3)采后觀測孔的仰角需根據(jù)工作面斜長與導(dǎo)水裂縫帶高度綜合確定，同時應(yīng)有兩組不同仰角的觀測孔進(jìn)行對比；

(4)觀測孔方位根據(jù)工作面布置確定，所有鉆孔平面投影盡量呈扇形展布。

根據(jù)以上原則及數(shù)值模擬預(yù)計結(jié)果，最終確定了4組觀測孔的設(shè)計參數(shù)，詳見表2。

3.2 探測結(jié)果

現(xiàn)場探測采用注水壓力0.1 MPa、0.2 MPa，以消除巖粉阻塞孔壁造成的誤差，探測結(jié)果繪制成注水漏失量曲線圖，其中紅色、藍(lán)色線分別表示注水壓力為0.1MPa、0.2MPa時的實(shí)測結(jié)果，如圖8所示。

由圖8(a)可知，采前探測孔K3斜長1～30 m 內(nèi)漏失量均為0，說明該段內(nèi)巖層裂隙不發(fā)育，巷道頂板沒有出現(xiàn)塑性破壞區(qū)；斜長30～40 m、50～60 m處注水出現(xiàn)漏失量15 L/min，說明這兩處巖層出現(xiàn)裂隙；其余段內(nèi)鉆孔漏失量均為0。結(jié)合井田內(nèi)構(gòu)造分析、井田內(nèi)勘探鉆孔及采后觀測孔資料，經(jīng)分析未受到采動影響的巖層裂隙不發(fā)育。而該觀測孔30～40m、50～60 m處出現(xiàn)鉆孔漏水，推測是由于受到相鄰的首采工作面采動影響，巖層發(fā)生的極個別采動裂隙。

表2 觀測孔參數(shù)一覽表

由圖8(b)可知，K1鉆孔斜長175 m，水平投影距離已進(jìn)入首采工作面采空區(qū)內(nèi)130 m。實(shí)測表明在斜長0～4.5 m段內(nèi)鉆孔注水漏失量為3～4 L/min，推測該段為巷道圍巖塑性圈破壞；4.5～6 m段內(nèi)注水漏失量為0，該段裂隙不發(fā)育；6～150 m段內(nèi)，注水漏失量在0～13 L/min，采動裂隙發(fā)育明顯，漏失量大者，裂隙發(fā)育密集，連通情況好，裂隙發(fā)育最大垂高92 m；150～175 m段內(nèi)注水漏失量為0，說明該段巖層裂隙不發(fā)育，已處于II-3煤層采動導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育影響范圍以外，因此K1探測孔導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育垂直高度為2.5～92 m。

圖8 鉆孔封堵注水漏失量成果圖

由圖8(c)可知，K2鉆孔斜長150 m，0～20 m觀測段內(nèi)注水漏失量為0，覆巖采動裂隙不發(fā)育；20～80 m段內(nèi)注水漏失量為0～15 L/min，采動裂隙明顯發(fā)育；80～150 m段內(nèi)注水漏失量為0，超出導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍；依據(jù)上述分析K2探測孔導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育垂直高度為14～53 m。

由圖8(d)可知，K4鉆孔斜長150 m，0～30 m觀測段內(nèi)注水漏失量為0，覆巖采動裂隙不發(fā)育；30～127 m段內(nèi)注水漏失量為0～15 L/min，采動裂隙發(fā)育明顯；127～150 m段內(nèi)注水漏失量為0，超出導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍；依據(jù)上述分析K4探測孔導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育垂直高度為21～74 m。

綜合采前與采后鉆孔注水漏失量實(shí)測結(jié)果，通過平面投影繪制了轉(zhuǎn)龍灣井田23103首采工作面頂板導(dǎo)水裂縫帶形態(tài)綜合特征圖，見圖9，可知該礦首采面導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度為92 m。根據(jù)23103首采工作面地質(zhì)特征，II-3煤層平均厚度為4.6 m，因此轉(zhuǎn)龍灣井田23103首采面裂采比(即導(dǎo)水裂縫帶最大高度與煤層采高比值)為20。

圖9 首采工作面頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育形態(tài)綜合特征圖

根據(jù)探測結(jié)果，采用最小二乘法獲得了首采工作面半側(cè)的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度擬合公式：

(2)

式中：H——覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，m；

x——導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的水平投影距離，m。

根據(jù)式(2)繪制了采動覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育形態(tài)橫向剖面圖，見圖10。由圖10可知，西部淺埋深薄基巖煤礦綜放工作面采動覆巖導(dǎo)水裂縫帶橫剖面上(橫向)的形狀為拱形，呈現(xiàn)工作面中間高、兩側(cè)低的特征，且與相似覆巖條件下的金雞灘煤礦、大南湖礦區(qū)等地的實(shí)測數(shù)據(jù)相一致。

圖10 首采工作面覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育形態(tài)及擬合曲線

4 結(jié)論

針對淺埋薄基巖煤層開采頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律，綜合運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測等研究方法，研究了轉(zhuǎn)龍灣煤礦首采工作面采動過程中頂板巖層應(yīng)力分布及破壞規(guī)律，獲取了導(dǎo)水裂縫帶的最大發(fā)育高度及發(fā)育形態(tài)，結(jié)論如下：

(1)根據(jù)轉(zhuǎn)龍灣井田實(shí)際地質(zhì)資料建立了三維數(shù)值模擬計算模型，運(yùn)用FLAC3D軟件開展了工作面回采過程研究。數(shù)值模擬過程表明，隨著工作面的不斷推進(jìn)(縱向)，采動應(yīng)力重新分布，在工作面中心位置覆巖得到了充分的垮落，頂板導(dǎo)水裂縫帶形態(tài)的發(fā)展經(jīng)歷了由“馬鞍形”到“箱形”的發(fā)展過程，且塑性破壞區(qū)這種形態(tài)的變化，是從開切眼巷道塑性破壞區(qū)開始，到采空區(qū)整個覆巖運(yùn)移穩(wěn)定后結(jié)束。

(2) 以轉(zhuǎn)龍灣井田23103首采工作面為對象，采用鉆孔雙端封堵測漏技術(shù)開展了現(xiàn)場實(shí)測研究，通過采前和采后鉆孔的實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析，該工作面采厚為4.6 m的條件下導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度為92 m，裂采比為20。

(3)基于實(shí)測數(shù)據(jù)繪制了導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育形態(tài)特征圖，采用最小二乘法原理獲得了首采工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度擬合公式，認(rèn)為淺埋深薄基巖煤礦綜采工作面在工作面斜長方向(橫向)上導(dǎo)水裂縫帶形態(tài)為采空區(qū)中部高、向兩側(cè)逐漸降低的拱形。