厚沖積層礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律*

方良成，薛 博，2，徐燕飛，2

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；2.平安煤炭開(kāi)采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

導(dǎo)水裂縫帶是煤層采動(dòng)導(dǎo)致覆巖垮落、斷裂，誘發(fā)的具有導(dǎo)水性的溝通采空區(qū)與上覆含水層的導(dǎo)水通道，導(dǎo)水裂縫帶波及到含水層時(shí)，對(duì)煤層開(kāi)采具有一定的危險(xiǎn)性。導(dǎo)水裂縫帶高度的形成主要與開(kāi)采厚度、開(kāi)采尺寸、開(kāi)采深度、覆巖巖性及結(jié)構(gòu)特征等因素相關(guān)。確定覆巖導(dǎo)水裂縫帶破壞高度的方法通常有經(jīng)驗(yàn)公式、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室物理模擬及數(shù)值模擬等方法[1-13]。近年來(lái)，煤炭科學(xué)工作者對(duì)其研究已取得了豐碩成果。施龍青等[14]綜合考慮開(kāi)采影響和巖石力學(xué)性質(zhì)等因素推導(dǎo)出了導(dǎo)水裂縫帶理論計(jì)算公式；陳榮華等[15]運(yùn)用巖石破斷過(guò)程分析軟件RFPA2D模擬上覆巖層的破壞、彎曲情況，最終得出覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度；趙明等[16]運(yùn)用相似模擬方法模擬了工作面開(kāi)采上限提高后的覆巖運(yùn)移破壞規(guī)律及“兩帶”發(fā)育特征，并利用計(jì)算公式預(yù)測(cè)了“兩帶”高度；李佳等[17]通過(guò)UDEC數(shù)值模擬，對(duì)曙光煤礦1208工作面兩帶高度進(jìn)行分析，確定了1208工作面垮落帶高度為16 m，裂隙帶高度為30 m。

基于FLAC3D軟件建立三維數(shù)值模型，依據(jù)淮南礦區(qū)張集煤礦相關(guān)地質(zhì)資料和巖體物理力學(xué)參數(shù)，對(duì)厚沖積層條件下覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，研究淮南礦區(qū)厚沖積層下煤層覆巖破壞規(guī)律，為安全開(kāi)采提供技術(shù)依據(jù)。

1 導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律數(shù)值模擬

1.1 研究區(qū)地質(zhì)條件的特殊性

淮南煤田地處黃淮平原，全部被第四系覆蓋，淮南礦區(qū)以淮河為界，分為老區(qū)和新區(qū)，兩區(qū)煤系地層基本相似，可采煤層共9層，平均可采總厚24.11 m，均為多煤層重復(fù)開(kāi)采。兩區(qū)最主要的差異在于第四系沖積層厚度，北區(qū)沖積層厚度為120～500 m，而南區(qū)只有20～40 m。大量數(shù)據(jù)表明，當(dāng)有巨厚沖積層存在時(shí)，開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形規(guī)律與常規(guī)開(kāi)采條件(無(wú)沖積層或沖積層較薄)存在較大的不同。

1.2 數(shù)值模型建立

1.2.1 數(shù)值模型建立

FLAC3D軟件采用塑性本構(gòu)模型可顯示符合屈服準(zhǔn)則的區(qū)域，根據(jù)塑性區(qū)確定破壞區(qū)域范圍[18]。數(shù)值模型如圖1所示，模型尺寸為800 m×300 m×450 m，模擬3層開(kāi)采煤層，煤層為近水平，開(kāi)采厚度為5 m，煤層埋深自上而下分別為360 m、400 m和430 m。松散層厚度為150 m，松散層厚度通過(guò)在基巖層上方施加等效載荷代替。

圖1 多煤層開(kāi)采數(shù)值模型

1.2.2 開(kāi)采方案設(shè)計(jì)

先開(kāi)采上部煤層1，煤厚5 m，分析對(duì)比開(kāi)采50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m、350 m、400 m時(shí)覆巖應(yīng)力分布、塑性破壞區(qū)、豎直方向位移變化規(guī)律。煤層1開(kāi)采結(jié)束后，開(kāi)采下伏煤層2，煤厚5 m，與上部煤層1的層間距為35 m和70 m這2種，分步開(kāi)采煤層2，研究當(dāng)下伏煤層2采空區(qū)垮落帶觸及上部采空區(qū)條件下，重復(fù)采動(dòng)覆巖移動(dòng)及導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律。最后開(kāi)采下伏煤層3，煤層3與上覆煤層2層間距25 m，研究分析二次重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律。

1.2.3 模型邊界條件及巖石參數(shù)

固定開(kāi)采模型的前、后、左、右邊界位置，即X、Y方向上水平位移為零。固定開(kāi)采模型的底部邊界位置，即Z=0的位置水平、垂直方向上位移均為零；模型頂端施加等效重力載荷。巖石物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果及規(guī)律分析

2.1 第1層煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律

從圖2(a)、(b)可看出，煤層1回采100 m時(shí)，模擬結(jié)果顯示切眼處的支承壓力最大值約為13.7 MPa，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度60.2 m，此時(shí)采空區(qū)上方直接頂處多發(fā)育為剪切破壞，由于采空區(qū)底板卸壓，底板出現(xiàn)較小的拉伸破壞區(qū)，采空區(qū)上方塑性破壞范圍成“馬鞍狀”分布狀態(tài)。

從圖2(c)、(d)可看出，當(dāng)回采至200 m時(shí)，采空區(qū)中部首次出現(xiàn)壓實(shí)應(yīng)力聚集區(qū)，最大壓實(shí)應(yīng)力約為2.5 MPa，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為84.6 m，由于應(yīng)力壓實(shí)區(qū)的出現(xiàn)，卸壓區(qū)域的形態(tài)發(fā)育為近平頂拱形。

從圖2(e)、(f)可看出，當(dāng)回采至400 m時(shí)，最大壓實(shí)應(yīng)力為15.8 MPa。導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度穩(wěn)定為116.3 m，裂采比約為23.3，此時(shí)采場(chǎng)上方導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍由“馬鞍狀”逐漸變?yōu)椤芭_(tái)字形”分布形態(tài)。煤層1開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律如圖3所示。

圖2 煤層1開(kāi)采豎直方向應(yīng)力分布及導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度

圖3 煤層1開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律

2.2 第2層煤層開(kāi)采(一次重復(fù)采動(dòng))導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律

2.2.1 煤層間距確定

為深入研究多煤層重復(fù)采動(dòng)條件下上覆巖層導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律，煤層1初采完畢后，繼續(xù)開(kāi)采下伏煤層2，模擬研究重復(fù)采動(dòng)對(duì)巖層應(yīng)力分布、塑性破壞發(fā)育規(guī)律的影響，通過(guò)采后頂板塑性破壞區(qū)域變化的情況和分布規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，探究多煤層重復(fù)采動(dòng)條件下導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育規(guī)律。重復(fù)開(kāi)采近距離煤層時(shí)，下伏煤層與上部采空區(qū)的距離將很大程度上影響導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的最終高度，故設(shè)計(jì)煤層間距35 m和70 m這2種工況，研究對(duì)比下部煤層垮落帶觸及上部采空區(qū)與未觸及上部采空區(qū)2種情況下重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律。在上部煤層1開(kāi)挖完畢的基礎(chǔ)上，將煤層1、2之間間距調(diào)整為70 m，開(kāi)采下部煤層2，煤層2的采厚仍為5 m，對(duì)比分析在下部煤層2垮落帶未觸及上部煤層1采空區(qū)時(shí)重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律。

2.2.2 結(jié)果分析

當(dāng)煤層間距為35 m時(shí)，煤層2垮落帶的范圍已觸及到煤層1采空區(qū)，相互重疊使上覆巖層剪切、拉伸破壞發(fā)育更明顯，從而使得導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育更高，煤層2回采完畢后，導(dǎo)水裂縫帶最終高度為139.2 m，相比煤層1回采完畢后增加了22.9 m。如圖4、5所示。

圖4 煤層2開(kāi)采豎直方向應(yīng)力分布及導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度(煤層間距35 m時(shí)重復(fù)采動(dòng))

圖5 重復(fù)采動(dòng)裂隙帶高度(煤層間距35 m)

當(dāng)煤層間距為70 m時(shí)，煤層2垮落帶的范圍尚未觸及煤層1采空區(qū)，重復(fù)采動(dòng)對(duì)煤層1采空區(qū)上方二次擾動(dòng)較小，導(dǎo)水裂縫帶增加的值較小，煤層2開(kāi)采完畢后，導(dǎo)水裂縫帶最終發(fā)育高度124.8 m，相比煤層1開(kāi)采完畢后增加了8.2 m，增長(zhǎng)率為1/14，明顯小于煤層間距為35 m時(shí)導(dǎo)水裂縫帶增加的高度，如圖6所示。重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律如圖7所示。

圖6 重復(fù)采動(dòng)裂隙帶高度(煤層間距70 m)

圖7 重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律

2.3 第3層煤層開(kāi)采(二次重復(fù)采動(dòng))導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律

2.3.1 采后結(jié)果

為了進(jìn)一步研究多煤層重復(fù)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的規(guī)律，在煤層間距為35 m一次重復(fù)采動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次重復(fù)采動(dòng)，開(kāi)采下伏煤層3，煤層2、3的間距為25 m，煤層3煤厚5 m。采后結(jié)果如圖8所示。

圖8 二次重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度

2.3.2 結(jié)果分析

二次重復(fù)采動(dòng)煤層3開(kāi)采到200 m前，煤層1、煤層2導(dǎo)水裂縫帶高度變化較??；大于200 m后，煤層1、煤層2導(dǎo)水裂縫帶高度稍微增加，增加量約10%。煤層3開(kāi)采后，對(duì)上覆煤層1和煤層2導(dǎo)水裂縫帶高度整體產(chǎn)生影響，但影響有限。其機(jī)理為：對(duì)于煤層1的覆巖來(lái)說(shuō)，在煤層3開(kāi)采影響之前，已經(jīng)受到2次采動(dòng)破壞(煤層1和煤層2開(kāi)采影響)，覆巖巖性相當(dāng)于變軟(類似于軟弱巖層)，當(dāng)煤層3開(kāi)采時(shí)，煤層1覆巖會(huì)整體彎曲下沉，導(dǎo)水裂縫帶高度增加量較小。對(duì)于煤層2覆巖來(lái)說(shuō)，其已經(jīng)遭受到一次破壞，在受到煤層3開(kāi)采時(shí)導(dǎo)水裂縫帶高度增加量會(huì)比煤層1大。二次重復(fù)采動(dòng)時(shí)(煤層3開(kāi)采)，對(duì)于煤層3覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度已經(jīng)擾動(dòng)到煤層2的覆巖破壞帶，因此，對(duì)煤層2覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度的影響比對(duì)煤層1的影響要大。但二次重復(fù)采動(dòng)后，覆巖導(dǎo)水裂縫帶綜合高度增加量有限。初次、一次及二次重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律對(duì)比，如圖9所示。

圖9 采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律對(duì)比

3 結(jié)論

(1)基于FLAC3D軟件對(duì)淮南礦區(qū)特有的厚沖積層條件下重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了研究，數(shù)值模擬結(jié)果可為安全開(kāi)采提供技術(shù)依據(jù)。

(2)基于淮南張集煤礦地質(zhì)采礦條件，建立數(shù)值模型，模擬分析了初采過(guò)程中覆巖應(yīng)力動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律及導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律。模擬結(jié)果顯示：導(dǎo)水裂縫帶高度變化隨覆巖支撐壓力變化大致可劃分為快速增加、緩慢增加、趨于穩(wěn)定3個(gè)階段。初采完畢后，導(dǎo)水裂縫帶高度為116.3 m，裂采比約為23.3，導(dǎo)水裂縫帶整體形態(tài)由“馬鞍形”逐漸發(fā)育為“臺(tái)”字形。

(3)在初采基礎(chǔ)上進(jìn)行一次重復(fù)采動(dòng)，模擬結(jié)果顯示：當(dāng)下伏煤層垮落帶高度觸及上部采空區(qū)時(shí)(間距35 m)，導(dǎo)水裂縫帶高度增加值約為22.9 m，導(dǎo)水裂縫帶高度增長(zhǎng)率約為1/5；當(dāng)下伏煤層垮落帶高度未觸及上部采空區(qū)時(shí)(間距70 m)，導(dǎo)水裂縫帶高度增加值約為8.2 m，導(dǎo)水裂縫帶高度增長(zhǎng)率約為1/14。說(shuō)明當(dāng)下部采空區(qū)垮落帶觸及上部采空區(qū)時(shí)，對(duì)導(dǎo)水裂縫帶高度影響程度明顯大于后者。

(4)在一次重復(fù)采動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次重復(fù)采動(dòng)，二次重復(fù)開(kāi)采完畢后導(dǎo)水裂縫帶最終發(fā)育高度為152.8 m，相比一次重復(fù)采動(dòng)后增加了13.6 m，導(dǎo)水裂縫帶高度增長(zhǎng)率約為1/10。綜合分析3層煤重復(fù)采動(dòng)后導(dǎo)水裂縫帶高度整體發(fā)育規(guī)律，得到結(jié)論：初次采動(dòng)時(shí)，在煤層開(kāi)采前期導(dǎo)水裂縫帶高度增加較快，后期逐漸趨于穩(wěn)定；重復(fù)采動(dòng)時(shí)，開(kāi)采初期對(duì)導(dǎo)水裂縫帶高度整體的影響較小，重復(fù)采動(dòng)后期對(duì)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育影響較為明顯；二次重復(fù)采動(dòng)對(duì)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育的影響明顯小于一次重復(fù)采動(dòng)；重復(fù)采動(dòng)使得綜合導(dǎo)水裂縫帶高度裂采比減小，對(duì)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育起到了一定的抑制作用。