鄂爾多斯盆地深部煤層開采導水斷裂帶發(fā)育特征

秦 偉，李文平

（中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州221116）

據(jù)中國國家統(tǒng)計局資料顯示：2016—2018年我國國家能源消費結(jié)構(gòu)中,煤炭消費總量所占的比重雖逐年下降,但仍然占總能源消耗的59%以上，煤炭消費總量基本保持不變?？梢灶A見煤炭未來幾年仍是我國主要的能源支柱，煤炭的安全、綠色開采依然是煤炭行業(yè)中最主要的研究課題。隨著我國東部煤炭資源逐漸枯竭，我國煤炭資源戰(zhàn)略中心轉(zhuǎn)移至西部，西部煤層大都埋藏深、煤層厚，根據(jù)東部煤礦所得的導水斷裂帶的經(jīng)驗公式已不適用于西部礦區(qū)。

近年來，我國學者對煤炭采后導水斷裂帶的發(fā)育高度進行了大量的研究[1-5]。同樣，煤炭開采對生態(tài)環(huán)境的破壞巨大，西部生態(tài)環(huán)境脆弱，針對西部特殊的環(huán)境，科研工作者在保水采煤方面做了大量的研究。錢鳴高等[6]提出全面實現(xiàn)科學采礦所要求的幾點條件,為煤炭的科學開采和煤炭行業(yè)的健康發(fā)展提出了方向性的意見。其他學者在我國西部綠色采煤方面也作出了大量的研究[7-9]。

目前，對于導水斷裂帶發(fā)育高度的計算大都基于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》（簡稱“三下規(guī)程”）和GB/T 12719—91《礦井水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（簡稱《規(guī)范》）中的經(jīng)驗公式。導水斷裂帶高度受地質(zhì)條件、頂板巖性組合、采煤工藝以及工作面的尺寸等影響較大，此前我國東部礦區(qū)主要開采石炭－二疊系煤層，西部地區(qū)主要開采侏羅系煤層，鄂爾多斯地區(qū)煤礦具有大采高、大采深的特點，與東部礦區(qū)煤層埋藏以及開采條件大有不同，先前總結(jié)的經(jīng)驗公式很難預測該類型煤礦的導水斷裂帶高度。為此以鄂爾多斯盆地某礦為例，采用數(shù)值計算、數(shù)值模擬以及相似類比的方法對大采高、大采深類型煤礦的覆巖導水斷裂帶進行研究，為鄂爾多斯及周邊地區(qū)的導水斷裂帶高度的計算提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯盆地主采侏羅系含煤地層。巖性主要由1套砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖和煤層組成。工作面走向長2 502 m，傾向長300 m，煤層開采一次采全高,頂板管理采用全部陷落法，主要開采侏羅系中下統(tǒng)延安組2－2煤層，煤層底板標高+490～+550 m，煤層平均厚度7 m，煤層傾角3°左右，2202工作面地層示意圖如圖1。

圖1 2202工作面地層示意圖Fig.1 Schematic diagram of 2202 working face strata

2 理論計算

在上覆巖層的運動過程中，有一些巖層起主導作用，錢明高等[10]將其稱為關鍵層，關鍵層的破斷會使上覆軟弱巖層隨其一起垮落、運動，關鍵層的破斷與否會對導水斷裂帶的發(fā)育產(chǎn)生很大的影響。關鍵層對導水斷裂帶發(fā)育高度會產(chǎn)生2方面的影響：關鍵層的破斷會導致導水斷裂帶迅速向上發(fā)育；在達到關鍵層的極限破斷距之前導水斷裂帶的發(fā)育高度處于抑制狀態(tài)，高度不會發(fā)生突變。在關鍵層理論的基礎上認為關鍵層在達到其極限跨距時就會發(fā)生破斷，軟巖發(fā)生破斷需同時滿足：①達到極限跨距；②極限撓度大于其下自由空間高度。以此為基礎確定導水斷裂帶的高度。

2.1 關鍵層判定

對于煤層采空區(qū)頂板及以上巖層，可以將其視為由若干組合梁堆疊而成。并假設：層與層之間的節(jié)理面抗拉強度為0，且?guī)r層向采空區(qū)彎曲時最大曲率位于采空區(qū)的正中間。則n層巖層組成的組合梁發(fā)生同步彎曲、下沉時，最底層（即第1層）巖層實際承受的載荷為：

式中：（qn）1=為n層組合梁中第1層巖層所受到的荷載，MPa；hn為第n層巖層厚度，m；ρn為第n層巖層的密度，t/m3；En為第n層巖層的彈性模量，MPa。

在計算中將煤層的直接頂（粉砂巖）作為組合梁的第1層開始計算。

將巖層視為兩端固定的固支梁，當巖層破斷時，極限破斷距Ln為：

式中：Ln為第n層巖層的極限破斷距，m；Tn為第n層巖層的抗拉強度，MPa；qn為第n層巖層上覆巖層作用與該層的總荷載，MPa；hn為第n層巖層厚度，m。

當同時滿足（qn+1）1＜（qn）1和Ln＜Ln+1時，認為第n層為關鍵層。

2.2 推進距離

巖層破斷時，由幾何關系可得，工作面的推進距離Tn為：

式中：Tn為第n層巖層破斷時工作面的推進距離，m；hn為第n層巖層的厚度，m；φn為巖層的破斷角，取51.7°；Ln為第n層巖層的極限破斷距，m。

2.3 自由空間高度

采空區(qū)的最大高度為煤層的開采厚度，隨著工作面不斷推進，采空區(qū)上覆巖層不斷垮落，垮落帶巖層在上覆巖層的壓力下逐漸壓實，碎脹系數(shù)減少，即自由空間得高度Hn為：

式中：Hn為第n層巖層下自由空間高度，m；M為煤層的采高，m；hm為第m層巖層的厚度，m；km為第m層巖層的殘余碎脹系數(shù)。

2.4 導水斷裂帶發(fā)育規(guī)律

巖石物理力學參數(shù)、關鍵層層位以及自由空間高度的計算見表1。由表1計算可知，導水斷裂帶的最終發(fā)育高度為154.48 m。

表1 巖石物理力學參數(shù)、關鍵層層位以及自由空間高度的計算Table 1 Calculation of rock physical and mechanical parameters,key strata of rock layer and free space height

導水斷裂帶動態(tài)發(fā)育圖如圖2。當工作面剛開始推進至9.73 m時，采空區(qū)上方1#粉砂巖（直接頂）發(fā)生破斷垮落。隨著工作面的推進，導水斷裂帶繼續(xù)向上發(fā)育。當工作面推進距離為56.45 m時，達到3#砂質(zhì)泥巖（關鍵層）的極限破斷距，導水斷裂帶發(fā)育至3#砂質(zhì)泥巖下部，導水斷裂帶發(fā)育高度為17.74 m。當工作面推進到72.23 m時，達到7#砂質(zhì)泥巖的極限破斷距，此時導水斷裂帶高度為53.08 m。當工作面推進到86.42 m時，達到8#中粒砂巖（關鍵層）的極限破斷距，導水斷裂帶發(fā)育高度為57 m。當工作面推進到146.74 m時，10#砂質(zhì)泥巖發(fā)生破斷，此時導水斷裂帶高度發(fā)育至93.78 m，當工作面推進至157.18 m時，導水斷裂帶發(fā)育高度為111.1 m，當工作面推進至283.11 m時，14#砂質(zhì)泥巖達到極限跨距，但大于自由空間高度0.19 m，14#砂質(zhì)泥巖不會發(fā)生破壞，認為導水斷裂帶發(fā)育此層之后達到穩(wěn)定狀態(tài)，不會再向上發(fā)育，導水斷裂帶發(fā)育的最大高度為154.48 m。

圖2 導水斷裂帶動態(tài)發(fā)育圖Fig.2 Dynam ic developmentmap of water conducting fracture zone

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為了研究侏羅系延安組煤層開采后,頂板覆巖的破壞規(guī)律,本次數(shù)值模擬采用3DEC離散元模擬軟件以該研究區(qū)某工作面為原型對導水斷裂帶的發(fā)育規(guī)律進行研究。

本次模型試驗參數(shù)取自2202工作面中心位置的K7-4鉆孔資料，模型底板為厚13 m的細砂巖，煤層開挖厚度為7m，煤層之上延安組厚度為28 m，直羅組厚度為196 m，安定組厚度為80 m。該區(qū)巖層傾角3°左右，在數(shù)值模擬模型（圖3）按水平處理，巖層內(nèi)部為連續(xù)介質(zhì)，不考慮地下水以及其他構(gòu)造因素的影響。模型垂向上總共分為24層，模擬地層分組見表2。將安定組、志丹群組以及第四系風積沙等效為上部荷載施加到模型的上邊界，對模型上邊界施加2.2 MPa的等效載荷，對模型底部限制垂向的移動，模型的側(cè)面以及前后限制其水平位移。考慮計算效率，最終確定模型尺寸為500 m×2 m×324 m（長×寬×高）。數(shù)值模擬模型巖石物理力學參數(shù)見表3，數(shù)值模擬模型巖層主要接觸面物理力學參數(shù)見表4。

圖3 數(shù)值模擬模型Fig.3 Numerical simulation model

表2 模擬地層分組Table 2 Simulation strata grouping

表3 數(shù)值模擬模型巖石物理力學參數(shù)Table 3 Rock physical and mechanical parameters of numerical simulation model

表4 數(shù)值模擬模型巖層主要接觸面物理力學參數(shù)Table 4 Physical and mechanical parameters of main contact surface of rock layer of numerical simulation model

3.2 模型開挖

鄂爾多斯地區(qū)煤層賦存相對較厚，埋藏較深，大部分煤礦采用一次采全厚，頂板全垮落的方式進行開采。據(jù)此，考慮到實際的開挖速度，本次模擬開挖采用一次開挖20 m，總共開挖360 m。本次模擬的主要任務是研究導水斷裂帶發(fā)育高度的規(guī)律，通過觀察開挖過程中塑性圖的范圍來大致確定導水斷裂帶的發(fā)育高度，據(jù)此分析導水斷裂帶的發(fā)育規(guī)律。

隨著工作面的推進，采空區(qū)上方的巖層會受到不同程度的破壞，自由空間不斷減少，距離采空區(qū)越近的巖層破壞越大，距離采空區(qū)越遠的巖層受到煤層采動影響越小。不同推進距離下頂板塑性區(qū)變化如圖4。從圖4可以看出，當工作面推進至60 m時，采空區(qū)中部主要存在拉張破壞區(qū)，工作面前沿以及開切眼附近出現(xiàn)應力集中區(qū)，塑性區(qū)最大高度為38 m；當工作面推進至100 m時，塑性區(qū)緩慢向上發(fā)育，塑性區(qū)最大高度為76 m，當工作面推進至160 m時，采空區(qū)上方巖層產(chǎn)生較大豎向位移，導水斷裂帶迅速發(fā)育，塑性區(qū)的最大高度為106 m；當工作面推進至200 m時，塑性區(qū)的最大高度為134 m；當工作面推進至280 m時塑性區(qū)的整體形態(tài)呈現(xiàn)“拱形”，塑性區(qū)的最大高度為144 m，隨著塑性區(qū)高度的不斷增加，塑性區(qū)最高點受到煤層采動的影響逐漸減弱，塑性區(qū)主要以水平發(fā)育為主；當工作面推進至350 m時，塑性區(qū)的最大高度為144 m，基本維持不變。

圖4 不同推進距離下頂板塑性區(qū)變化Fig.4 Changes of roof plastic zone under different advancing distances

4 導水斷裂帶擬合分析

礦井均開采侏羅系煤層，工作面跨度大，煤層厚，頂板覆巖主要由砂巖、泥巖組成，巖石具有抗壓強度低等特點。

將搜集到的工作面的導水斷裂帶與采厚的實測值進行擬合，導水斷裂帶高度與采厚之間擬合曲線如圖5。

從圖5可以看出，隨著采厚的增加，導水斷裂帶高度也逐漸增加，呈現(xiàn)正相關關系。其主要原因在于：隨著煤層采厚的增加，煤層下方自由空間初始值增加，上覆巖層垮落的更加充分，運動規(guī)模較大，導致導水斷裂帶發(fā)育規(guī)模不斷增大。

圖5 導水斷裂帶高度與采厚之間擬合曲線Fig.5 Fitting curve between height and m ining thickness of water conducting fracture zone

5 數(shù)據(jù)分析

目前，我國大部分煤礦對頂板導水斷裂帶高度的預計主要參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》（簡稱“三下規(guī)程”）和GB/T 12719—91《礦井水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（簡稱《規(guī)范》）。該工作面頂板巖性主要為粉砂巖、細砂巖、中砂巖，抗壓強度23.43～1.05 MPa，屬于中硬巖石，相似礦區(qū)導水斷裂帶實測資料見表5。

表5 相似礦區(qū)導水斷裂帶實測資料Table 5 Themeasured data of water conduction crack zone in sim ilar m ining area

由傳統(tǒng)“三下規(guī)程”計算得出導水斷裂帶高度與理論計算值之間的誤差分別為60.97%和59.27%，“規(guī)范”計算值與理論值誤差為32.88%。由于東西部煤層埋藏條件以及開采方式相差較大，傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式難以預測大采高、大采深情況下導水斷裂帶的發(fā)育高度，誤差值較大。

將研究區(qū)的煤層采高數(shù)據(jù)（M=7 m）代入擬合公式，得出導水斷裂帶的預測值為146.61 m，與理論計算值之間的誤差僅有5.1%，相較于傳統(tǒng)公式的計算方法，本次擬合公式所得預測值效果較好，故可以作為鄂爾多斯地區(qū)相同開采條件下導水斷裂帶高度預測的經(jīng)驗公式。

6結(jié)論

1）隨著工作面不斷向前推進，導水斷裂帶發(fā)育高度不斷增高。通過關鍵層理論及相關計算得出導水斷裂帶最大發(fā)育高度為154.48 m，裂采比22.07。

2）通過數(shù)值模擬試驗來觀察導水斷裂帶的發(fā)育規(guī)律，發(fā)現(xiàn)塑性區(qū)呈現(xiàn)“拱形”，當工作面推進至280 m時，導水斷裂帶發(fā)育到最大值144 m，之后開采過程中導水斷裂帶不會再向上發(fā)育。

3）通過收集鄂爾多斯及周邊地區(qū)煤礦導水斷裂帶的實測資料，擬合出導水斷裂帶高度與采厚的關系式，關系符合二次項分布。

4）由于東西部煤層埋藏條件以及開采條件的差異性，使用《“三下”規(guī)程》以及《規(guī)范》計算得出導水斷裂帶的高度不適于西部地區(qū)導水斷裂帶高度的計算。擬合公式計算結(jié)果與理論計算以及數(shù)值模擬之間誤差較小。