煤炭開采覆巖移動導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度相似材料模擬實(shí)驗(yàn)研究

張培河，張 齊，孫學(xué)陽，劉自強(qiáng)

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710054； 2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054)

0 引言

覆巖是受開采影響而產(chǎn)生應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致破壞、變形的上覆巖層(巖體)的總和[1]。煤層開采后，覆巖必然發(fā)生破壞與移動，覆巖的破壞和移動變形具有明顯的分帶性，并且各帶特征與地質(zhì)、采礦等條件緊密相關(guān)。目前對導(dǎo)水裂隙帶的研究多采用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)、類比、數(shù)值模擬和相似材料模擬、實(shí)測等方法。

物理模擬試驗(yàn)以相似理論為基礎(chǔ)，用相似材料制作模型來反映原型[2]，具有操作簡單、試驗(yàn)結(jié)果直觀及試驗(yàn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，作為一種重要的研究手段，自20世紀(jì)60年代起已廣泛應(yīng)用于巖體工程領(lǐng)域[3]。近年來，國內(nèi)學(xué)者為研究煤礦開采覆巖移動規(guī)律，揭示導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征，做了大量的模擬實(shí)驗(yàn)、理論分析和方法研究[4-11]，形成了許多新理論、新認(rèn)識和新方法。研究導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，需要考慮圍巖性質(zhì)和實(shí)測限制，開采過程中圍巖所產(chǎn)生的變形、移動和破壞在其巖性及力學(xué)性質(zhì)差異作用下的不同[12-13]。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的方法可對實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行人為的控制和改變[15]，可重復(fù)分析不同的影響因素，是一種相對有效導(dǎo)水裂隙帶確定方法。

1 井田概況

1.1 地形地貌特征

A煤礦位于陜西省榆林市北部，處于陜北黃土高原與毛烏素沙漠南沿地區(qū)，主要為沙漠灘地地貌，沙漠覆蓋率在80%以上。區(qū)內(nèi)總體地勢平坦，地形相對起伏不大，海拔標(biāo)高為1 170～1 320m。

1.2 地質(zhì)條件

A煤礦位于鄂爾多斯盆地次級構(gòu)造單元陜北斜坡東部，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，總體為一向北西傾斜的單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)僅局部發(fā)育有寬緩的波狀起伏，無較大褶皺和斷裂。

區(qū)內(nèi)發(fā)育地層主要有：第四系上更新統(tǒng)馬蘭組、薩拉烏蘇組，中更新統(tǒng)離石組，下更新統(tǒng)午城組，新生界靜樂組，白堊系下統(tǒng)洛河組，侏羅系中統(tǒng)安定組、直羅組和延安組，侏羅系下統(tǒng)富縣組，三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組。煤層主要賦存于侏羅系中統(tǒng)延安組，主要可采煤層為3號煤層，厚度4.85～11.90m，平均8.36m，煤層的底板標(biāo)高+1 004.72～+1 066.88m，煤層埋深115.90～268.05m；煤層傾角±0.5°，為近水平煤層。3號煤層頂板以粉砂巖、泥巖為主，少量細(xì)粒—粗粒長石砂巖；底板以粉砂巖、泥巖為主，少量細(xì)—粗砂巖、炭質(zhì)泥巖。

井田主要含水層薩拉烏蘇組松散巖層孔隙含水層、直羅組和延安組的砂巖裂隙含水層。薩拉烏蘇組是區(qū)內(nèi)主要含水層，富水性不均，中等-強(qiáng)富水區(qū)主要位于井田北部和南部的局部地段，對煤礦生產(chǎn)影響較大。

1.3 開拓狀況

A煤礦2012年投產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)模8.00Mt/a，礦井采用斜井開拓方式，礦井首采301盤區(qū)，目前開采3號煤層，采用傾斜長壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法，工作面走向長度300m，傾向長度4 250m，設(shè)計(jì)采高5m。301盤區(qū)3號煤層埋深為220～245 m，平均230m；基巖厚度多在120～180 m，松散層厚度為50～90 m。

2017年西安科技大學(xué)課題組，針對A礦301工作面3號煤層開采開展相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，研究3號煤層開采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，據(jù)此為煤礦水害防治提供依據(jù)。

2 模擬理論及實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 模擬實(shí)驗(yàn)材料及配比

根據(jù)A煤礦含煤地層特點(diǎn)，以河沙為骨料，以石膏為膠結(jié)物，以大白粉為填料，用不同配比模擬地層中的軟弱、中硬和堅(jiān)硬巖層。用白云母片模擬各巖層之間的層理面。根據(jù)相似比以及模擬煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合相似材料試件測試成果選擇相似材料的配方和配比，在充分分析首采區(qū)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，依據(jù)301工作面范圍內(nèi)的鉆孔資料，確定實(shí)驗(yàn)各巖層的模擬厚度、相似材料及配比等。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)所用裝置長2.1m，高1.5m，寬0.2m。結(jié)合相似條件，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)M煤層走向剖面“上三帶”發(fā)育過程，比例為1∶150。

2.1.2 相似材料模型尺寸

相似材料模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層總厚度為250m，其中3號煤層上覆地層厚度242m，3號煤層厚度5m，3號煤層底板巖層厚度3m。3號煤層覆巖厚度累計(jì)158m；模擬開采的速度為15m/次(即10cm/次)。根據(jù)相似條件，模型的垂向高度為1.11m。根據(jù)模擬裝置的尺寸，模型裝架時主要裝填土層與3號煤層之間的巖層，而土層等上覆巖層則以荷載的形式實(shí)現(xiàn)，相似材料模擬模型見圖1。

圖1 3號煤層開采相似材料模擬模型Figure 1 Coal No.3 extraction similar material simulation model

在模型開挖之前，記錄每個測點(diǎn)的位置。在模擬開采過程中，隨時記錄各測點(diǎn)的圖像，經(jīng)過處理后得到相應(yīng)的位移數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)共布置八排測點(diǎn)。

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)及分析

相似材料模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥笥覂蓚?cè)各留20cm的煤柱，模型走向長度160cm，分16步開挖，每步開挖10cm，開采煤層上覆巖層自動垮落。

模擬實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)工作面推進(jìn)60m時，煤層頂板開始出現(xiàn)裂隙，繼續(xù)向前推進(jìn)至75m時，頂板出現(xiàn)初次垮落，垮落高度15.6cm，后方垮落角60.4°，前方垮落角48.8°，垮落高度距離煤層頂板13cm(圖2)。隨著工作面向前推進(jìn)，上覆巖層裂隙數(shù)量、長度不斷增大，巖層垮落高度及寬度也不斷增加，當(dāng)推進(jìn)到225m時，覆巖垮落增大，冒落帶及裂隙帶高度均達(dá)到最大，冒落帶高度為22m，裂隙帶高度為57m(圖3)。之后導(dǎo)水裂縫帶高度不再隨著工作面的推進(jìn)而發(fā)生大的變化。

圖2 工作面推進(jìn)75m時覆巖破裂Figure 2 Overburden fracturing when face advanced to 75m

圖3 工作面推進(jìn)225m時覆巖破裂Figure 3 Overburden fracturing when face advanced to 225m

由實(shí)驗(yàn)可以看出，隨著開挖的推進(jìn)，出現(xiàn)垮落以后第一二排點(diǎn)破壞比較嚴(yán)重。當(dāng)開挖到第5步，頂板初次垮落；開挖到第8步時，覆巖下沉值達(dá)到4.5m，雖然相對于先前下沉值有所增加，但是增大的幅度不大，下沉曲線呈現(xiàn)出平底型，說明隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，最大下沉值不再發(fā)生明顯變化。第二排測點(diǎn)不同推進(jìn)距離時的下沉曲線見圖4(a)。

第四排測點(diǎn)最大下沉值一般小于3m，工作面回采超過150m后，下沉增至4m，下沉值的幾次突然增大都對應(yīng)煤層頂板出現(xiàn)大的垮落。第四排測點(diǎn)不同推進(jìn)距離時的下沉曲線見圖4(b)。

第六排點(diǎn)距離煤層頂板較遠(yuǎn)，位于煤層上方123m的砂質(zhì)泥巖處。當(dāng)工作面推進(jìn)距離小于100m時，沉陷范圍較??；當(dāng)終采時，最大下沉達(dá)2.8m。第六排測點(diǎn)不同推進(jìn)距離時的下沉曲線見圖4(c)。

第八排點(diǎn)位于上覆巖層和松散層、第四系黃土層之間，距離煤層頂板較遠(yuǎn)，離地面較近，變化趨勢平緩，最大下沉值1.2m左右，開采終止以后趨于穩(wěn)定。下沉曲線見圖4(d)。

模擬實(shí)驗(yàn)顯示，隨著工作面推進(jìn)冒落帶高度呈線狀增加，工作面推進(jìn)距離在225m時，冒落帶高度達(dá)到最大，為22m，之后冒落帶高度不再隨著工作面的推進(jìn)而發(fā)生大的變化。裂隙帶可分成上下兩部分，下部為強(qiáng)裂隙帶、上部為弱裂隙帶，強(qiáng)裂隙帶造成觀測點(diǎn)的破壞、掉落，工作面推進(jìn)距離在225m時，裂隙帶高度達(dá)到最大，為57m。

3 導(dǎo)水裂隙帶高度評價及對生產(chǎn)影響分析

3.1 不同方法確定的裂隙帶高度對比分析

根據(jù)相關(guān)研究，煤礦開采引起的冒落帶、裂隙帶主要受控于煤層開采厚度?；贏煤礦地質(zhì)、水文地質(zhì)條件簡單，構(gòu)造簡單及本區(qū)煤層頂板為中硬巖層等地質(zhì)特征，采用2017年國家安全監(jiān)管總局等頒發(fā)的《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》中冒落帶、裂隙帶高度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算首采區(qū)301工作面3煤層開采頂板冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。公式如下：

(1)

(2)

式中：H冒—冒落帶最大高度，m；

H裂—導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；

∑M—累計(jì)采厚，m。

首采區(qū)附近3號煤層厚度為7.3～11.86m，依據(jù)上述公式，計(jì)算首采區(qū)3號煤層開采冒落帶高度為15.89～18.07m，導(dǎo)水裂隙帶高度53.37～58.13m。

綜上看出：采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式法確定的冒落帶高度和導(dǎo)水裂隙帶高度結(jié)果都基本一致，說明采用相似材料模擬確定的導(dǎo)水裂隙帶高度結(jié)果基本可信，可作為煤礦生產(chǎn)導(dǎo)水裂隙帶高度確定的依據(jù)。

3.2 裂隙帶發(fā)育對煤礦生產(chǎn)的影響分析

該礦3號煤層穩(wěn)定，厚度4.85～11.90m，平均8.36m，為厚煤層-特厚煤層； 煤層埋藏淺，3號煤層

圖4 工作面推進(jìn)不同測點(diǎn)下沉曲線Figure 4 Subsidence curves at different face advanced points

上覆基巖厚度為52.87～234.80m。結(jié)合相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，在井田內(nèi)的絕大部分地段，3號煤層開采后頂板巖層垮落形成的導(dǎo)水裂隙帶會導(dǎo)通上覆含水層，在沙漠灘地區(qū)及河谷區(qū)導(dǎo)水裂隙帶甚至?xí)c第四系松散層潛水和地表水溝通，在含水層富水性較強(qiáng)地段可能會成為煤礦水害隱患區(qū)，煤層開采過程中應(yīng)引起重視。

4 結(jié)論

1)相似材料模擬試驗(yàn)表明：A煤礦301首采面3號煤層開采，在工作面推進(jìn)到225m時，3號煤層開采上覆巖層冒落帶和裂隙帶高度達(dá)到最大，冒落帶高度22m，裂隙帶高度57m，與經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算結(jié)果基本一致；當(dāng)煤層開采達(dá)到充分采動后，上覆巖層下沉基本保持穩(wěn)定，隨著工作面的

繼續(xù)推進(jìn)，最大下沉值不再發(fā)生明顯變化，而最大沉降范圍則有所擴(kuò)大。

2)3號煤層開采后頂板巖層垮落形成的導(dǎo)水裂隙帶會導(dǎo)通上覆含水層，成為礦井充水通道，構(gòu)成煤礦水害隱患，煤層開采過程中應(yīng)引起重視。