弱膠結(jié)地層重復(fù)采動(dòng)覆巖滲透性演化規(guī)律研究

劉洪林，肖 杰，甄文元，朱鋮宇，陳志文，羅文杰

（1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)礦產(chǎn)資源生態(tài)環(huán)境保護(hù)性開采自治區(qū)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830046；3.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京 100013）

伊犁地區(qū)煤炭儲(chǔ)量豐富為實(shí)現(xiàn)伊犁礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，區(qū)域煤炭資源大規(guī)模開采過程中，水資源保護(hù)將作為基礎(chǔ)約束條件[1-5]。伊犁礦區(qū)煤系地層均為侏羅系、白堊系弱膠結(jié)地層，可采煤層數(shù)多、埋藏淺、上覆基巖薄，煤層開采過程中極易造成淺表水資源的流失[6-8]。已有研究表明，弱膠結(jié)地層巖石都具有強(qiáng)度低、孔隙度大、遇水易泥化崩解等特點(diǎn)[8-10]。西部弱膠結(jié)地層巖石的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于東部地區(qū)煤系地層巖石，由于巖石膠結(jié)松散，三軸壓縮過程中彈性能積聚能力弱，巖石破壞時(shí)的彈性能釋放少，峰后階段主要呈現(xiàn)黏性流動(dòng)狀態(tài)、無明顯的剪切裂隙[11-12]。弱膠結(jié)巖石的宏觀破壞形式主要為張拉破壞，細(xì)觀破壞則主要發(fā)生在巖石顆粒間的膠結(jié)物[13-17]。弱膠結(jié)巖石遇水易泥化崩解，在相同的地層結(jié)構(gòu)和開采參數(shù)條件下，弱膠結(jié)覆巖的兩帶發(fā)育高度較小[11]。已有研究成果為弱膠結(jié)地層煤炭資源的安全開采提供了基礎(chǔ)，但弱膠結(jié)采動(dòng)地層的滲透性演化規(guī)律尚不清晰，需進(jìn)一步研究。為此，采用數(shù)值計(jì)算的方法，分析弱膠結(jié)地層近距離煤層開采過程中，地層應(yīng)力場(chǎng)、采動(dòng)覆巖破壞情況及滲流場(chǎng)演化規(guī)律，對(duì)西部礦區(qū)安全高效和生態(tài)環(huán)境保護(hù)性開采具有積極的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

伊犁礦區(qū)伊新煤業(yè)礦井位于新疆伊犁哈薩克自治州霍城縣東南部，主采21-1 煤層和23-2 煤層，現(xiàn)階段正進(jìn)行21-1 煤層的開采。井田地層由上到下依次為：第四系、古近系、新生代新近系；侏羅系水西溝群三工河組、八道灣組；中生代三疊系上統(tǒng)小泉溝群赫家溝組；古生代石炭系中統(tǒng)奧依曼布拉克組。礦井主采煤層所屬侏羅系地層主要是細(xì)砂、粉砂、中砂巖以及泥巖[2]。煤層組覆巖層不存在厚而堅(jiān)硬的關(guān)鍵層，煤系地層主要巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤系地層主要巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Main rock mechanics parameters of coal measure strata

伊新煤業(yè)井田處于傾狀向斜盆地中，西側(cè)地形較低，其余三面地形均較高[4]。特殊的簸箕狀地形決定了井田區(qū)域?yàn)楦浇鼌^(qū)域地下水的徑流排泄補(bǔ)給區(qū)。井田東南側(cè)基巖露頭區(qū)為區(qū)域地下水東南側(cè)補(bǔ)給邊界，井田北部為無限補(bǔ)給邊界。研究區(qū)主要含水層為：第四系沖洪積孔隙含水層（H1）、古近系砂礫巖孔隙含水層（H2）。21-1 煤層覆巖含水層特征見表2。

表2 21-1 煤層覆巖含水層特征Table 2 Characteristics of coal 21-1 overburden aquifer

研究區(qū)內(nèi)地表植被生存依賴于淺表含水層中液態(tài)和包氣帶水資源，若淺表含水層水資源大量流失將會(huì)威脅礦區(qū)地表生態(tài)環(huán)境。為此，結(jié)合礦井含水層結(jié)構(gòu)特征，主要針對(duì)近地表的第四系和古近系含水層水資源流失情況進(jìn)行研究。保障隔水層結(jié)構(gòu)不受破壞是實(shí)現(xiàn)保水開采的關(guān)鍵，位于目標(biāo)含水層（H1、H2）之下，21-1 煤層之上的G1、G2、G3隔水層的完整程度將決定目標(biāo)含水層水資源是否流失。覆巖主要隔水層特征及地層結(jié)構(gòu)含水層、21-1 煤層覆巖主要隔水層特征見表3，煤系地層結(jié)構(gòu)及煤系地層含水層隔水層分布如圖1。

圖1 煤系地層結(jié)構(gòu)及煤系地層含水層隔水層分布Fig.1 Structure of coal measure strata and distribution of aquifers in coal measure strata

表3 21-1 煤層覆巖主要隔水層特征Table 3 Characteristics of main water resisting layer of coal 21-1 overburden

綜上所述，伊寧煤田煤系地層弱膠結(jié)，煤層具有賦存厚度大、埋深淺和煤層間距小的特點(diǎn)。煤層開采過程中采動(dòng)裂隙極易導(dǎo)通含水層，造成淺表水資源的流失，引發(fā)礦區(qū)脆弱生態(tài)環(huán)境的惡化及井下水害事故。

2 弱膠結(jié)地層數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

為研究水力耦合條件下伊新煤業(yè)采動(dòng)覆巖滲透性規(guī)律，基于礦井開采地質(zhì)條件，構(gòu)建弱膠結(jié)地層數(shù)值計(jì)算模型。模擬型尺寸為700 m×400 m×135 m，模型上邊界施加0.365 MPa 的荷載模擬松散層，固定其余邊界的位移。為減少邊界效應(yīng)的影響，x 方向兩側(cè)各留150 m，y 方向兩側(cè)各留100 m。工作面開挖尺寸分別為400 m×200 m×5 m 和400 m×200 m×10 m。以每次推進(jìn)10 m，每次開挖計(jì)算4 000 步，對(duì)21-1、23-2 煤層均一次采全厚度進(jìn)行模擬。自上而下，先開挖21-1 煤層，再開挖23-2 煤層。數(shù)值計(jì)算模型中各巖層力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 煤系地層力學(xué)參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of coal measure strata

弱膠結(jié)地層砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖的單軸壓縮強(qiáng)度與常規(guī)煤系地層同類巖石相比明顯較低，其在水的作用下強(qiáng)度將發(fā)生大幅降低，破壞前塑性變形十分明顯[18]。FLAC3D可用于分析采動(dòng)巖體滲流場(chǎng)演化規(guī)律[19]，為此選用該數(shù)值計(jì)算軟件在水力耦合條件下進(jìn)行伊新煤業(yè)采動(dòng)覆巖活動(dòng)規(guī)律和采動(dòng)覆巖滲透性規(guī)律的研究。選取摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）強(qiáng)度準(zhǔn)則作為模型巖體破斷規(guī)律的本構(gòu)關(guān)系。數(shù)值計(jì)算模型中的流體采用各向同性（isotropic）本構(gòu)模型，默認(rèn)組成巖體的顆粒不可壓縮，則相對(duì)應(yīng)的需要設(shè)置的FLAC3D滲流模擬模型參數(shù)有流體體積模量、孔隙率以及巖層滲透性系數(shù)。模型中流體的密度為1 000 kg/m3，體積模量為2 GPa。

通過巖層密度和吸水率計(jì)算得到煤系地層孔隙率，煤系地層孔隙率及滲透率見表5。

表5 煤系地層孔隙率及滲透率Table 5 Porosity and permeability of coal measures

3 弱膠結(jié)地層重復(fù)采動(dòng)覆巖滲透性演化規(guī)律

3.1 采場(chǎng)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

煤層開挖打破了地層中的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，地層應(yīng)力將重新分布。煤層開挖后，采空區(qū)上覆巖層失去支撐，其載荷向周圍巖體轉(zhuǎn)移，從而在采空區(qū)四周出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，采空區(qū)上部則出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)[20]。21-1、23-2 煤層開采工作面圍巖垂直應(yīng)力分布如圖2，煤層開挖后工作面前后的覆巖出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，采空區(qū)上方為應(yīng)力降低區(qū)。

圖2 采動(dòng)覆巖垂直應(yīng)力云圖Fig.2 Vertical stress in surrounding rock of working face

煤層開采過程中，沿工作面推進(jìn)方向支承壓力出現(xiàn)先增加再減小的趨勢(shì)。工作面推進(jìn)方向支承壓力峰值出現(xiàn)距離煤壁5～10 m 的區(qū)域，在距離煤壁40 m 時(shí)垂直應(yīng)力恢復(fù)到原巖應(yīng)力水平，支承應(yīng)力峰值處應(yīng)力集中系數(shù)最大達(dá)到1.81。采空區(qū)上覆巖層中出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在采空區(qū)中央上部，拉應(yīng)力峰值達(dá)0.9 MPa。

21-1 煤層開采后再開挖23-2 煤層，23-2 煤層工作面周圍應(yīng)力集中區(qū)向下轉(zhuǎn)移，工作面前方應(yīng)力峰值出現(xiàn)在工作面前方5～10 m 位置。由于21-1 煤層開挖后其下部巖層處于卸壓狀態(tài)，因此23-2 煤層開采時(shí)工作面前方應(yīng)力集中程度較小。上下工作面重疊布置時(shí)，上部煤層開采在采空區(qū)形成的應(yīng)力集中將向傳遞到下部煤層，形成較大的集中應(yīng)力，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到了2.01。

3.2 采場(chǎng)圍巖塑性破壞規(guī)律

工作面推進(jìn)50 m 時(shí)，煤層覆巖塑性區(qū)發(fā)育高度達(dá)到20 m，覆巖破壞形式主要為剪切破壞，僅頂部發(fā)生了少量張拉破壞。當(dāng)工作面推進(jìn)100 m 時(shí)，覆巖塑性區(qū)高度達(dá)到25 m，采空區(qū)上覆巖層中產(chǎn)生大量張拉破壞區(qū)。煤層開采后在采空區(qū)四周出現(xiàn)自地表向下的張拉破壞區(qū)域，工作面中部自下而上形成破壞區(qū)域[21]。工作面開挖150 m 時(shí)，工作面四周自上而下發(fā)育的張拉破壞區(qū)域深度達(dá)到了20 m，采空區(qū)中部自下而上發(fā)育的張拉破壞區(qū)域高度發(fā)育至距離工作面頂板45 m 處。當(dāng)工作面開挖至200 m 時(shí)，工作面形成2 處自上而下的連續(xù)張拉破壞區(qū)域。工作面中部上行破壞區(qū)域發(fā)育高度最大，最大發(fā)育高度達(dá)到70 m，工作面兩側(cè)自上而下發(fā)育的張拉破壞區(qū)深度達(dá)到了30 m。但此時(shí)上行破壞區(qū)和下行破壞區(qū)在空間上并未形成連續(xù)區(qū)域。當(dāng)工作面推進(jìn)300 m 時(shí)，工作面附近破壞區(qū)域相互連通。

采空區(qū)下部工作面開挖時(shí)，下煤層頂板的塑性破壞區(qū)沿著上煤層開挖時(shí)底板的破壞區(qū)自上而下發(fā)育。由于伊新煤業(yè)兩煤層間巖層厚度只有25 m，并巖層膠結(jié)程度較差，當(dāng)23-2 煤層工作面推進(jìn)至100 m 時(shí)，煤層開挖產(chǎn)生的塑性區(qū)已連通煤層底板。

3.3 采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律

煤層開挖后會(huì)同時(shí)產(chǎn)生自下而上的裂隙和自上而下的裂隙，上行裂隙與下行裂隙導(dǎo)通是影響隔水層隔水性的關(guān)鍵因素[22]，當(dāng)上行裂隙和下行裂隙導(dǎo)通時(shí)即有可能形成導(dǎo)水通道。FLAC3D模擬結(jié)果顯示，上行破壞區(qū)域和下行破壞區(qū)域的連通出現(xiàn)在工作面推進(jìn)一定距離后的工作面后方。伊新煤業(yè)21-1煤200 m 工作面推進(jìn)350 m 時(shí)，工作面后方首次出現(xiàn)上行破壞區(qū)和下行破壞區(qū)連通的現(xiàn)象。工作面推進(jìn)開采300 m 時(shí)覆巖裂隙發(fā)育切片如圖3。

圖3 工作面推進(jìn)開采300 m 時(shí)覆巖裂隙發(fā)育切片F(xiàn)ig.3 Overburden fractures develop at 300 m when the working face is advanced

3.4 圍巖孔隙壓力變化規(guī)律

煤層開采擾動(dòng)將打破圍巖孔隙壓力平衡，產(chǎn)生孔隙壓力差，引起水體的滲流運(yùn)移?；鶐r上部礫石層存在水源補(bǔ)給，因此固定基巖頂部孔隙壓力為0.5 MPa。在固定頂部基巖孔隙壓力的情況下得到了不同開挖時(shí)步條件下煤層覆巖孔隙壓力分布，21-1煤層不同推進(jìn)距離時(shí)孔隙壓力如圖4。

圖4 21-1 煤層不同推進(jìn)距離圍巖孔隙壓力分布Fig.4 Pore pressure distribution of surrounding rock at different advancing distances of coal 21-1

當(dāng)21-1 煤層開挖50 m 時(shí)，采空區(qū)頂?shù)装鍘r層中孔隙壓力均會(huì)出現(xiàn)下降，采空區(qū)上覆巖層孔隙壓力呈等值線下降。當(dāng)21-1 煤層推進(jìn)至400 m 時(shí)煤層底板及采空區(qū)兩側(cè)孔隙壓力均出現(xiàn)大幅下降。

23-2 煤層在21-1 煤層開采結(jié)束后進(jìn)行開采，21-1 煤層采空區(qū)可能存在積水。為此，固定21-1 煤層中工作面底板的孔隙壓力為0.3 MPa。模擬23-2煤層開挖時(shí)兩煤層間的孔隙壓力變化和巖層滲流狀態(tài)如圖5。當(dāng)23-2 煤層推進(jìn)50 m 時(shí)，兩煤層中間巖層中孔隙壓力略有變化；工作面推進(jìn)100 m 時(shí)，下煤層頂板局部區(qū)域出現(xiàn)了孔隙壓力下降；工作面推進(jìn)至150 m 時(shí)，下煤層頂部巖層孔隙壓力大幅下降。

圖5 23-2 煤層不同開挖步距圍巖孔隙壓力分布Fig.5 Pore pressure distribution of surrounding rock at different excavation distances in 23-2 coal seams

3.5 重復(fù)采動(dòng)下圍巖滲流場(chǎng)演化規(guī)律

煤層開采后，弱膠結(jié)地層在劇烈開采擾動(dòng)下形成了滲流通道，使得地表水或地下水滲透至采空區(qū)。工作面開采后，地下水流速最快的區(qū)域出現(xiàn)在工作面四周煤壁。煤層開挖后，采空區(qū)四周30 m 左右的區(qū)域內(nèi)地下水流速均較快。煤層開采后距離頂板50 m 左右覆巖區(qū)域滲流場(chǎng)流速發(fā)生了量級(jí)的變化，滲流擾動(dòng)區(qū)域比采動(dòng)塑性破壞區(qū)范圍更大。采空區(qū)覆巖中形成流向采空區(qū)中部的環(huán)向滲流圈，滲流方向隨著距離頂板距離增大逐漸由水平流入采空區(qū)轉(zhuǎn)為垂直流入采空區(qū)，滲流速度隨著距離采空區(qū)頂板的垂向距離的增大而降低，距離采空區(qū)頂板80 m 層面的最大滲流速度。

21-1 煤層工作面初采期間，覆巖滲流速度變化不大，當(dāng)推進(jìn)距離由150 m 增大至200 m 時(shí)，頂板滲流速度開始增大；推進(jìn)距離達(dá)到300 m 時(shí)，頂板含水層滲流速度大幅增大；推進(jìn)至400 m 時(shí)，覆巖最大流速達(dá)初始擾動(dòng)值2.1 倍。工作面回采過程，采空區(qū)覆巖滲流速度隨著工作面推進(jìn)不斷降低。工作面推進(jìn)400 m 時(shí)，采空區(qū)覆巖滲流速度約為開挖初期的1/2，工作面推進(jìn)400 m 時(shí)走向剖面滲流矢量如圖6，工作面推進(jìn)時(shí)煤壁側(cè)滲流速度變化如圖7，工作面推進(jìn)時(shí)切眼側(cè)滲流速度變化如圖8。

圖6 工作面推進(jìn)400 m 時(shí)走向剖面滲流矢量Fig.6 Strike profile seepage vector when the working face is advanced at 400 m

圖7 工作面推進(jìn)時(shí)煤壁側(cè)滲流速度變化Fig.7 Variation of seepage on the side of the face when working face advances

圖8 工作面推進(jìn)時(shí)切眼側(cè)滲流速度變化Fig.8 Variation of seepage velocity on the cutting side when the working face advances

根據(jù)前文，21-1 煤層工作面推進(jìn)至300 m 時(shí)采空區(qū)覆巖上行破壞區(qū)和下行破壞區(qū)相連通，此時(shí)正好對(duì)應(yīng)了采空區(qū)覆巖滲流速度大幅度增加。當(dāng)采動(dòng)覆巖上行和下行破壞區(qū)相連通時(shí)，采空區(qū)覆巖地下水流速度將大幅上升。由于21-1、23-2 煤層間距較小，上部煤層先開采可能會(huì)形成老空區(qū)積水，下煤層開挖時(shí)，兩煤層間的巖體中的地下水滲流演化規(guī)律研究對(duì)實(shí)現(xiàn)采空區(qū)下煤層安全開采有重要意義。固定21-1 煤層孔隙壓力為0.3 MPa ，即模擬上煤層開挖后在采空區(qū)形成3.0 m 深的積水時(shí)煤層間巖層中的地下水滲流情況，23-2 煤開挖100 m 時(shí)走向剖面滲流矢量如圖9，23-2 煤開挖400 m 時(shí)走向剖面滲流矢量如圖10。

圖9 23-2 煤開挖100 m 時(shí)走向剖面滲流矢量Fig.9 Seepage vector of strike profile when 23-2 coal is excavated for 100 m

圖10 23-2 煤開挖400 m 時(shí)走向剖面滲流矢量Fig.10 Seepage vector of strike profile when 23-2 coal is excavated for 400 m

當(dāng)23-2 煤層工作面推進(jìn)50 m 時(shí)，煤層間巖層滲流速度無明顯增加。推進(jìn)100m 時(shí)，形成采空區(qū)中部滲流速度大、采空區(qū)兩側(cè)滲流速度小的扇形滲流場(chǎng)，扇形區(qū)域最大滲流速度約2.0×10-9m/s。當(dāng)工作面推進(jìn)150m 時(shí)，扇形滲流區(qū)域最大滲流速度達(dá)2.12×10-8m/s。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，煤層間巖層滲流矢量大小不再呈現(xiàn)扇形分布，滲流場(chǎng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊罕趥?cè)滲流速度大于采空區(qū)滲流速度。23-2 煤層開采過程中，覆巖滲流矢量隨工作面推進(jìn)距離增大而增大，達(dá)到峰值后再逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，23-2煤工作面推進(jìn)過程中覆巖最大滲流矢量如圖11，23-2 煤工作面推進(jìn)400 m 時(shí)距頂板20 m 水平剖面滲流矢量如圖12。當(dāng)23-2 煤層工作面推進(jìn)150 m 時(shí)，頂板最大滲流矢量達(dá)到峰值。

圖11 23-2 煤工作面推進(jìn)過程中覆巖最大滲流矢量Fig.11 Vector change of maximum seepage flow of overburden during the advancing of 23-2 coal seam

圖12 23-2 煤工作面推進(jìn)400 m 時(shí)距頂板20 m水平剖面滲流矢量Fig.12 Horizontal profile seepage vector when 23-2 coal working face is advanced at 400 m and 20 m away from the roof

4 結(jié) 語

1）21-1 煤層工作面開采時(shí)，最大支承壓力峰值應(yīng)力集中系數(shù)為1.81，采空區(qū)上覆巖層最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在采空區(qū)中部覆巖區(qū)域，最大拉應(yīng)力達(dá)到0.9 MPa。由于弱膠結(jié)地層巖石強(qiáng)度較低，21-1 煤層開挖后，其下部一定范圍煤層和巖層均處于卸壓狀態(tài)，23-2 煤層開采時(shí)，工作面超前支承壓力峰值較小。

2）煤層開采過程中，采空區(qū)上覆巖層中形成了中部發(fā)育高度大、四周發(fā)育高度小的上行破壞區(qū)和采空區(qū)四周發(fā)育深度大、中部發(fā)育深度小的下行破壞區(qū)。工作面推進(jìn)距離達(dá)到300 m 時(shí)，上行和下行破壞區(qū)相互連通，采空區(qū)覆巖區(qū)域孔隙壓力出現(xiàn)大幅下降。

3）單層開采擾動(dòng)和重復(fù)開采擾動(dòng)下，覆巖滲流場(chǎng)均呈現(xiàn)出采空區(qū)四周滲流速度大、中部滲流速度小的特征，工作面?zhèn)让罕跐B流速度較采空區(qū)側(cè)滲流速度大，采動(dòng)覆巖塑性破壞區(qū)發(fā)育與覆巖滲流場(chǎng)演化規(guī)律存在較為明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4）近距離下位煤層開采時(shí)，上下煤層間巖層破壞區(qū)未貫通前，采空區(qū)積水向下位煤層工作面滲流速度較?。黄茐膮^(qū)初次貫通時(shí)，上下煤層間巖層滲流速度突然增大，形成中間滲流速度大、兩邊滲流速度小的扇形滲流場(chǎng)，隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，最大滲流速度區(qū)域轉(zhuǎn)移至工作面前方。