基于覆巖結(jié)構(gòu)效應(yīng)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征

曹祖寶，王慶濤

基于覆巖結(jié)構(gòu)效應(yīng)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征

曹祖寶1,2，王慶濤2

(1. 煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

為探討黃隴煤田煤層采動(dòng)引起的頂板水害問題，以煤層頂板不同覆巖結(jié)構(gòu)采動(dòng)導(dǎo)水裂隙為研究對(duì)象，概化了煤–軟–硬–軟–硬(組合一)、煤–軟–軟–硬–硬(組合二)、煤–硬–軟–硬–軟(組合三)及煤–硬–硬–軟–軟(組合四)4種典型的巖性組合結(jié)構(gòu)，運(yùn)用數(shù)值模擬和理論計(jì)算等方法，分析了不同覆巖組合采動(dòng)破壞特征和覆巖導(dǎo)水裂隙與覆巖結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)關(guān)系，研究了覆巖結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度(簡稱“導(dǎo)高”)的影響規(guī)律。研究結(jié)果顯示：在相同的采高條件下，煤–軟–硬–軟–硬型覆巖結(jié)構(gòu)導(dǎo)高最小，煤–硬–硬–軟–軟型覆巖結(jié)構(gòu)導(dǎo)高最大；工程實(shí)例表明，黃隴煤田煤層開采導(dǎo)高與采高之間并非簡單線性關(guān)系，利用覆巖結(jié)構(gòu)效應(yīng)預(yù)測(cè)的導(dǎo)高更接近實(shí)測(cè)值。

覆巖組合；采動(dòng)破壞；導(dǎo)水裂隙帶；數(shù)值模擬；黃隴煤田

近年來，黃隴煤田巨厚洛河組砂巖含水層頻繁造成工作面強(qiáng)涌水事故。頂板水害已成為煤礦安全生產(chǎn)的巨大挑戰(zhàn)，煤層開采覆巖頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律及防治技術(shù)亟需深入研究。眾多學(xué)者開展了關(guān)于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的研究[1-3]，總結(jié)出影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的主控因素：覆巖力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征[4-5]、采煤方法及頂板管理方法[6-7]、煤層采高[8-9]、煤層傾角及煤層埋深[10-13]等，取得豐碩的研究成果。許家林等[14-16]提出基于關(guān)鍵層位置計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度的理論方法，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐；楊貴[17]對(duì)不同巖性組合頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了研究；王惠兵等[18]認(rèn)為軟弱覆巖對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育具有抑制性作用；康永華[19]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了覆巖巖性及其組合結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響；許延春等[20]依據(jù)國內(nèi)40多個(gè)綜放開采工作面“兩帶”高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，擬合得到綜放開采條件下中硬覆巖、軟弱覆巖的導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)公式。

針對(duì)黃隴煤田頂板水害問題，頂板涌水水源為巨厚洛河組砂巖孔隙–裂隙水。目前，對(duì)覆巖導(dǎo)水裂隙開展了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作，得到導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式，而經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值常出現(xiàn)較大偏差，其原因之一可能是以往研究較少考慮覆巖巖性及其組合特征對(duì)導(dǎo)高的影響，研究成果滯后于工程實(shí)踐。因此，有必要針對(duì)煤層覆巖巖性及其組合特征對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響規(guī)律進(jìn)行研究，為類似采煤條件下的防治水工程提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 地質(zhì)條件及導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征

1.1 地質(zhì)條件

黃隴煤田位于鄂爾多斯盆地南緣，含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組。地層由老至新有：侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1)，中統(tǒng)延安組(J2)、直羅組(J2)、安定組(J2)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K1)、洛河組(K1)、華池環(huán)河組(K1)及新生界(KZ)。

區(qū)域主要含隔水層為：①侏羅系含隔水巖組，侏羅系頂部安定組以泥巖為主，為主要隔水層；中部直羅組及底部延安組中–粗粒砂巖為含水層；②白堊系宜君組弱含水巖層，以礫巖為主，砂泥質(zhì)充填；③洛河含水層巖組，主要由中砂巖、粗砂巖組成，富水性中等至強(qiáng)，是煤田主要含水層。

根據(jù)巖性組合，煤層頂板覆巖按巖性可劃分為3大類，即礫巖類、砂巖類和泥巖類，該3大類巖體普遍分布于黃隴煤田各礦區(qū)。煤層頂板覆巖按強(qiáng)度類型可劃分為2大類，即中硬巖和軟巖，其中，礫巖單軸抗壓強(qiáng)度一般為13.24~62.37 MPa，平均32.25 MPa；砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為20.19~29.73 MPa，平均25.31 MPa，屬中硬巖層。泥巖單軸抗壓強(qiáng)度一般5.37~37.28 MPa，平均15.67 MPa，屬軟弱巖層。

1.2 覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征

根據(jù)黃隴煤田頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[9-10]，繪制導(dǎo)高及裂采比與采高的關(guān)系圖。由圖1可以看出，黃隴煤田頂板實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度與采高總體呈正相關(guān)關(guān)系，但相同采高條件下導(dǎo)水裂隙帶高度離散性較大；圖2可以看出，黃隴煤田頂板實(shí)測(cè)裂采比與采高總體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相同采高條件下裂采比離散性也較大。

圖1 黃隴煤田礦井實(shí)測(cè)導(dǎo)高與采高關(guān)系

圖2 黃隴煤田礦井實(shí)測(cè)裂采比與采高關(guān)系

2 覆巖組合下采動(dòng)破壞特征數(shù)值模擬

2.1 地質(zhì)模型建立

地質(zhì)模型的建立，總體原則上依據(jù)地層巖性及其強(qiáng)度特征，并以層間界面為基礎(chǔ)分類，進(jìn)行復(fù)雜地層結(jié)構(gòu)的概化。黃隴礦區(qū)中硬巖層對(duì)應(yīng)砂巖組，軟弱巖層對(duì)應(yīng)泥巖組，對(duì)兩個(gè)巖性組合進(jìn)行模型概化，共設(shè)計(jì)煤–軟–硬–軟–硬(組合一)、煤–軟–軟–硬–硬(組合二)、煤–硬–軟–硬–軟(組合三)及煤–硬–硬–軟–軟(組合四)4種不同巖性組合類型(圖3)。采用二維離散元模擬軟件UDEC建立數(shù)值模型，并進(jìn)行開挖過程的模擬計(jì)算與分析。模擬煤層為水平煤層，固定采厚3.5 m，走向長400 m，頂板厚100 m，其中，軟巖層厚30 m、硬巖層厚20 m，松散覆蓋層以2 MPa均布荷載替代?？紤]邊界效應(yīng)，模型開挖總長度160 m、開挖步距10 m。底板固定垂直和水平方向位移，左右側(cè)面固定水平方向的位移，巖層頂面為自由邊界。

2.2 本構(gòu)模型及材料參數(shù)

數(shù)值模擬分析采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。以侏羅系煤層頂板的砂泥巖層典型參數(shù)[8-9]為基準(zhǔn)，從大尺度研究角度分析，對(duì)模型中的軟巖、硬巖及煤層賦參，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖3 4種不同覆巖組合結(jié)構(gòu)的煤層開采模型

表1 數(shù)值分析模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果及分析

a.組合一 工作面推進(jìn)50 m，頂板軟巖1發(fā)生初次垮落，軟巖1內(nèi)形成貫通的垮落裂隙至硬巖1底界面，并在硬巖1底界面處產(chǎn)生離層空間(圖4a)。工作面推進(jìn)至110 m時(shí)，垮落帶內(nèi)局部形成重新壓實(shí)區(qū)。導(dǎo)水裂隙帶受硬巖1–軟巖2–硬巖2巖層組結(jié)構(gòu)控制，導(dǎo)水裂隙帶僅發(fā)育至軟巖1頂界面，發(fā)育高度為30 m(圖5a)。

b. 組合二 工作面推進(jìn)50 m，頂板2層軟巖同步垮落，離層裂隙產(chǎn)生在軟巖2頂界面，2層軟巖層形成協(xié)調(diào)變形的軟–軟巖層組(圖4b)。工作面推進(jìn)至110 m時(shí)，垮落帶內(nèi)局部形成重新壓實(shí)區(qū)，離層裂隙閉合。導(dǎo)水裂隙帶受硬–硬巖組結(jié)構(gòu)控制，僅發(fā)育至硬–硬巖層組底界面，發(fā)育高度為60 m(圖5b)。

c. 組合三 工作面推進(jìn)50 m，覆巖頂板變形量較小，巖體結(jié)構(gòu)未破壞，未形成貫通性裂隙，分析是由于硬巖直接頂強(qiáng)度大、極限跨距大，在未達(dá)到極限跨距前變形量較小，硬巖1和軟巖1形成協(xié)調(diào)變形的組合巖層(圖4c)。工作面推進(jìn)至110 m時(shí)，由于硬巖2與軟巖2同步彎曲下沉造成離層裂隙消失，硬巖2及軟巖2的變形特征一致，形成協(xié)調(diào)變形巖組，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至硬巖2底界面，發(fā)育高度為50 m(圖5c)。

d.組合四 工作面推進(jìn)50 m，硬巖1局部發(fā)生垮落，其他各層無明顯變形，硬巖1和硬巖2形成層間水平裂隙，垂向裂隙不發(fā)育，分析可知，兩層巖層構(gòu)成巖層組，但在工作面推進(jìn)前期變形特征并不一致(圖4d)。工作面推進(jìn)至110 m時(shí)，硬巖1和硬巖2同步垮落并逐漸壓實(shí)，軟巖1與軟巖2的變形特征一致，構(gòu)成協(xié)調(diào)變形的軟巖層組，硬巖1完全垮塌造成上部所有巖層同步發(fā)生垮塌破壞，垮落帶直接貫通至軟巖2頂部，導(dǎo)水裂隙帶高度為100 m(圖5d)。

3 覆巖組合結(jié)構(gòu)效應(yīng)實(shí)例分析

3.1 覆巖結(jié)構(gòu)及模型概化

為分析黃隴煤田煤層覆巖導(dǎo)水裂隙與覆巖巖性組合結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，以黃隴煤田郭家河煤礦1305工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律開展覆巖結(jié)構(gòu)效應(yīng)研究。郭家河煤礦位于黃隴煤田西南端，回采3號(hào)煤層，煤層平均厚度16 m，采用走向長壁綜合機(jī)械化放頂煤開采方法，后退式回采，全部垮落法管理頂板，工作面內(nèi)G-72鉆孔地層參數(shù)見表2。

圖4 不同巖性組合模型工作面推進(jìn)50 m覆巖變形破壞特征

圖5 不同巖性組合模型工作面推進(jìn)110 m覆巖變形破壞特征

按砂巖層組和泥巖層組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類，獲得覆巖地層概化模型。延安組及直羅組以砂巖類為主，歸為中硬巖層組，安定組概化為3個(gè)軟巖組和2個(gè)硬巖組，宜君組及洛河組巖性為砂巖類，歸為中硬巖層組。從大尺度研究角度來看，頂板覆巖結(jié)構(gòu)歸類為煤–硬–軟–硬–軟型(組合三)。

3.2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律

將郭家河煤礦1305工作面概化地質(zhì)模型，按照本文提出方法對(duì)工作面導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行模擬分析。導(dǎo)水裂隙帶高度的數(shù)值模擬成果如圖6所示，由圖6可知，1305工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度隨工作面回采呈階梯式跳躍發(fā)展。當(dāng)工作面回采至60 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙發(fā)育至直羅組中上部，導(dǎo)高為76.65 m；當(dāng)工作面回采至80 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至安定組硬巖底界面，導(dǎo)高為105.80 m；當(dāng)工作面回采至120 m時(shí)，工作面導(dǎo)高達(dá)到最大值193.73 m；此后導(dǎo)水裂隙帶高度不再隨工作面推進(jìn)而增大。

表2 地層參數(shù)統(tǒng)計(jì)

注：砂巖(18.87 m)表示主要層位巖性(厚度)，其他同；占比表示主要層位厚度占整層厚度比值。

圖6 郭家河煤礦1305工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律

對(duì)1305工作面頂板各巖層組進(jìn)行力學(xué)分析，各地層受力與變形特征參數(shù)見表3。延安–直羅組中硬巖層組初次垮落的極限跨距為59.25 m，巖層組最大下沉值為0.04 m，其自由變形高度與采高相等，為14.8 m。延安–直羅組中硬巖層組達(dá)到極限跨距時(shí)，滿足力學(xué)破斷及變形破壞條件，導(dǎo)水裂隙在延安–直羅組內(nèi)開始發(fā)育。安定組軟巖層組初次垮落的極限跨距為93.10 m，該巖層組最大下沉值為1.32 m，其下方自由變形高度為6.15 m，故安定組軟巖層組同樣產(chǎn)生破壞，形成導(dǎo)水裂隙。宜君–洛河組中硬巖層組初次垮落的極限跨距為101.8 m，此時(shí)拉應(yīng)力達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度，滿足受力破壞條件；但其下方自由變形空間已被下伏垮落巖層充填，無法滿足變形破壞條件。因此，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度止于安定組中部硬巖底界面，導(dǎo)水裂隙帶最大高度為193.97 m，對(duì)應(yīng)裂采比13.11。

表3 1305工作面覆巖受力與變形破壞結(jié)果

綜合分析數(shù)值模擬和理論計(jì)算結(jié)果，確定1305工作面導(dǎo)水裂隙帶高度為193.97 m，對(duì)應(yīng)裂采比為13.11。

表4為1305工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的本文預(yù)測(cè)值、相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)值和1305工作面2個(gè)不同地質(zhì)鉆孔的實(shí)測(cè)值。由表4可知，采用《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》[13]經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測(cè)值普遍比實(shí)測(cè)值小，其中，公式一預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差最大，達(dá)–63.5%；公式二預(yù)測(cè)誤差最大值為–46.99%。本文對(duì)1305工作面建立統(tǒng)一地質(zhì)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)導(dǎo)高值較實(shí)測(cè)值偏大，預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最小為18.23%，更接近實(shí)測(cè)值。

表4 1305工作面導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)誤差分析

4 結(jié)論

a.黃隴煤田頂板實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度與采高總體呈正相關(guān)關(guān)系，但相同采高條件下導(dǎo)高數(shù)據(jù)離散性較大，二者之間并非簡單的線性關(guān)系。

b.相同采高及開采方式下，不同覆巖結(jié)構(gòu)頂板采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度有顯著差異。其中，硬–硬–軟–軟型覆巖組合導(dǎo)高最大，軟–硬–軟–硬型覆巖組合導(dǎo)高最小。

c.將郭家河煤礦1305工作面按硬–軟–硬–軟型覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型概化，計(jì)算其導(dǎo)水裂隙帶高度為193.97 m，誤差分析顯示，本文方法的預(yù)測(cè)導(dǎo)高更接近實(shí)測(cè)值。

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Development characteristics of water conducted fracture zone based on overburden structural effect

CAO Zubao1,2, WANG Qingtao2

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

In order to study the roof water disaster caused by coal mining in Huanglong coalfield, taking mining failure of layered overburden as research object, four typical composite structural models for coal-soft rock-hard rock-soft rock-hard rock(combination I), coal-soft rock-soft rock-hard rock-hard rock(combination II), coal-hard rock-soft rock-hard rock-soft rock(combination III) and coal-hard rock-hard rock-soft rock-soft rock(combination IV) were generalized. Numerical simulation and theoretical calculation were used to analyze the mining failure characteristics of different overburden combinations and correlation between water conducting fissures and lithologic combination structure of overburden. The law of the effect of overburden structure on the development height of water conducting fracture was studied. The research results show that under the same mining height, the coal-soft rock-hard rock-soft rock-hard rock overburden structure has the minimum conducting height and the coal- hard rock-hard rock-soft rock-soft rock overburden structure has the maximum conducting height.The engineering examples show that the conducting height of the coal seam mining in Huanglong coalfield is not a simple linear relationship with the mining height, and the guiding height predicted by the overburden structure effect is closer to the measured value.

overburden assemblage; mining damage; water conducted fracture zone; numerical simulation; Huanglong coalfield

TD163

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.021

1001-1986(2020)03-0145-07

2020-01-18；

2020-05-12

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2019XAYZD05)

Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2019XAYZD05)

曹祖寶，1979年生，男，安徽淮南人，博士研究生，副研究員，研究方向?yàn)榈V井水害防治. E-mail：1014615894@qq.com

曹祖寶，王慶濤. 基于覆巖結(jié)構(gòu)效應(yīng)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：145–151.

CAO Zubao，WANG Qingtao. Development characteristics of water conducted fracture zone based on overburden structural effect[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：145–151.

(責(zé)任編輯 周建軍)