重復(fù)采動(dòng)覆巖裂隙率空間分布相似模擬研究
——以陜北礦區(qū)為例

吳群英，郭重威，翟鴻良，王建文，張銘杰，遲寶鎖，王二云，郭書全

(1.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083;3.陜西涌鑫礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719407;4.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300)

0 引 言

陜北-神南礦區(qū)煤炭?jī)?chǔ)量豐富，但水資源總體短缺，生態(tài)環(huán)境脆弱。煤炭開(kāi)采在上覆巖層產(chǎn)生的裂隙場(chǎng)連通含水層，導(dǎo)致地下水位下降，并且大量礦井水外排到地表，造成生態(tài)破壞。針對(duì)此，顧大釗[1]提出了“導(dǎo)-儲(chǔ)-用”為核心的地下水保護(hù)利用理念，提出了煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)水和再利用技術(shù)，解決了陜北礦區(qū)水資源短缺和生態(tài)破壞問(wèn)題。而采動(dòng)覆巖裂隙率空間分布是地下水庫(kù)儲(chǔ)量設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在采動(dòng)覆巖裂隙場(chǎng)方面已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。錢鳴高等[2]對(duì)上覆巖層采動(dòng)裂隙分布特征進(jìn)行了研究，揭示了長(zhǎng)壁工作面覆巖采動(dòng)裂隙的兩階段發(fā)展規(guī)律與“O”形圈分布特征。王志強(qiáng)等[3]分析了采場(chǎng)覆巖“三帶”的影響因素：包括開(kāi)采厚度、覆巖殘余碎脹系數(shù)、工作面開(kāi)采范圍、關(guān)鍵層與煤層之間的距離以及關(guān)鍵層特征，在此基礎(chǔ)上，提出了基于關(guān)鍵層穩(wěn)定及斷裂后運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的采場(chǎng)覆巖“三帶”劃分的新方法及其適用條件。張春雷[4]模擬研究了煤層群開(kāi)采裂隙分布規(guī)律，得到了煤層群雙重卸壓開(kāi)采與單一煤層開(kāi)采不同的覆巖裂隙分布和演化規(guī)律。王志國(guó)等[5]研究了深部開(kāi)采上覆巖層采動(dòng)裂隙演化規(guī)律，得出隨開(kāi)采寬度增加，采動(dòng)巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)呈現(xiàn)總體增大趨勢(shì)。李振華等[6]研究了厚松散層薄基巖條件下開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律，得出采動(dòng)所形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)可以較好地表征巖體的結(jié)構(gòu)特征的結(jié)論。焦振華[7]分析了保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中覆巖裂隙場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律，模擬試驗(yàn)表明下保護(hù)層開(kāi)采覆巖裂隙演化與卸壓程度相關(guān)。杜旭[8]分析了多煤層群賦存條件下上覆巖層“豎三帶”高度的6個(gè)主要影響因素：上覆巖層性質(zhì)、采厚、煤層傾角、工作面走向長(zhǎng)度、工作面日推進(jìn)速度、采煤方法。聶留洋[9]采用鉆孔攝像儀對(duì)“三帶”進(jìn)行觀測(cè)，用理論分析和數(shù)值模擬的方法綜合分析得出巨厚砂巖頂板“三帶”的高度分布特征。李全生等[10]結(jié)合神東礦區(qū)煤礦地下水庫(kù)工程實(shí)踐，使用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的方法，開(kāi)展了地下水庫(kù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法研究，得出地下水庫(kù)儲(chǔ)水的高效循環(huán)使用是保證該技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。于慶磊等[11]研究了覆巖“三帶”的分布規(guī)律及“三帶”中導(dǎo)水裂隙分布特征。于水[12]分析了上覆巖層的破壞過(guò)程并建立各種力學(xué)模型，根據(jù)上覆巖層的受力情況，總結(jié)了綜放工作面覆巖結(jié)構(gòu)及其破壞特點(diǎn)。胡寶峰[13]采用多元線性回歸分析了影響導(dǎo)水裂隙帶高度的各因素之間量的關(guān)系，給出相應(yīng)的計(jì)算公式。顧大釗等[14]通過(guò)分析陜北地區(qū)煤炭開(kāi)采現(xiàn)狀，研究了煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)利用的技術(shù)首次提出采空區(qū)儲(chǔ)用礦井水的技術(shù)構(gòu)想，構(gòu)建了煤礦地下水庫(kù)技術(shù)體系。曹志國(guó)[15]用數(shù)值模擬對(duì)煤礦地下水庫(kù)不同人工壩體結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行研究，得出人工壩體的薄弱部位是其與煤巖體的接觸部位等結(jié)論。楊俊哲[16]提出了煤礦井上井下立體生態(tài)環(huán)境概念。劉曉麗等[17]提出了煤礦分布式地下水庫(kù)的儲(chǔ)水形式和庫(kù)容-水位曲線確定方法。姜琳婧等[18]針對(duì)庫(kù)容計(jì)算方法效率低和準(zhǔn)確度低的問(wèn)題,提出了基于CAD的煤礦地下水庫(kù)庫(kù)容快速精準(zhǔn)計(jì)算方法。張凱等[19]基于對(duì)大柳塔煤礦地下水庫(kù)原位進(jìn)出水樣水質(zhì)分析，揭示了煤礦地下水庫(kù)水-巖相互作用機(jī)理，得出了煤礦地下水庫(kù)水體中離子的變化規(guī)律，闡明其自凈化機(jī)理。龐義輝等[20]針對(duì)西部近水平煤層煤礦地下水庫(kù)有效儲(chǔ)水空間難以確定的問(wèn)題,提出了地下水庫(kù)有效儲(chǔ)水空間的計(jì)算方法。鞠金峰等[21]建立了地下水庫(kù)儲(chǔ)水容量、極限庫(kù)容與合理庫(kù)容的計(jì)算方法。上述主要分析單一煤層開(kāi)采裂隙場(chǎng)分布規(guī)律，而對(duì)重復(fù)采動(dòng)裂隙場(chǎng)空間分布的定量描述較少。

基于此，筆者建立了采動(dòng)覆巖裂隙率空間分布的計(jì)算方法，采用相似模擬試驗(yàn)研究了檸條塔礦1-2煤和2-2煤重復(fù)采動(dòng)后上覆巖層的裂隙率在垂直和水平方向的空間分布情況，得出了重復(fù)采動(dòng)覆巖裂隙率空間定量表征。

1 工程概況

檸條塔煤礦、張家峁煤礦、紅柳林煤礦隸屬神南礦區(qū)，位于陜西省神木縣境內(nèi)，神南礦區(qū)總面積約363.4 km2，煤炭總資源量約55億t。其中檸條塔煤礦面積為136.1 km2、張家峁煤礦面積為83.96 km2(其中張家峁南區(qū)面積52.66 km2，張家峁北部整合區(qū)面積31.30 km2)，紅柳林煤礦面積為143.34 km2。在檸條塔煤礦內(nèi)有水庫(kù)1座，為廟溝上游巴兔明溝高家梁村水庫(kù)，處于井田最北邊，蓄水量2.592萬(wàn)m3，1978年修建，壩長(zhǎng)100 m、壩高20 m，現(xiàn)有效庫(kù)容為0.75萬(wàn)m3，回水長(zhǎng)度約300 m，水面距壩頂約5 m，現(xiàn)該水庫(kù)僅作淤地壩使用。

2 采動(dòng)覆巖裂隙場(chǎng)演化相似模擬

2.1 相似模型及監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

對(duì)檸條塔煤礦北翼東區(qū)1-2和2-2兩層煤開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行物理模擬研究。根據(jù)檸條塔煤礦煤層群開(kāi)采的實(shí)際情況，并結(jié)合北翼東區(qū)煤層埋深變化大、地表溝壑發(fā)育等條件。根據(jù)現(xiàn)有條件及研究問(wèn)題的特點(diǎn)，選用的試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?.0 m(長(zhǎng))×0.2 m(寬)×2.5 m(高)。

2)相似材料的選擇與配比。相似材料主要有河沙、石膏、大白粉、粉煤灰，鋪設(shè)時(shí)均勻地撒上云母粉作為分層弱面。根據(jù)相似條件，確定相似配比方案見(jiàn)表1。

表1 模擬試驗(yàn)相似材料配比方案

3)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)。在模型表面布置7條位移監(jiān)測(cè)線，分別距離2-2煤底板15 cm(監(jiān)測(cè)線A)、27 cm(監(jiān)測(cè)線B)、36 cm(監(jiān)測(cè)線C)、53 cm(監(jiān)測(cè)線D)、71cm(監(jiān)測(cè)線E)、103 cm(監(jiān)測(cè)線F)、130 cm(監(jiān)測(cè)線G)。每條測(cè)線布置19個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距15 cm。

4)模型共開(kāi)采2層煤，采用下行開(kāi)采方式，先開(kāi)采上覆1-2煤層，從左向右開(kāi)挖，每次開(kāi)挖步距為1.0 cm。待1-2煤層開(kāi)采覆巖穩(wěn)定后，再開(kāi)采下伏2-2煤層，2-2煤層開(kāi)切眼位于1-2煤層開(kāi)切眼正下方，每次開(kāi)挖步距為1.0 cm，開(kāi)挖前，模型如圖1所示。

圖1 檸條塔礦1-2煤和2-2煤層開(kāi)挖前的相似模型

2.2 重復(fù)采動(dòng)覆巖裂隙場(chǎng)模擬結(jié)果分析

2.2.1 采動(dòng)覆巖裂隙場(chǎng)計(jì)算方法

采動(dòng)覆巖裂隙率的空間分布是裂隙場(chǎng)的重要衡量參數(shù)。由于采動(dòng)覆巖微裂隙難以直接測(cè)量，故采用采空區(qū)面積與各巖層下沉面積之差除以采空區(qū)的面積來(lái)表示。斷裂帶裂隙面積則使用其上方與下方下沉量差值來(lái)表達(dá)，彎曲下沉帶同理。

從橫向和縱向兩方面分析煤層開(kāi)采后的裂隙率，橫向分為離層區(qū)與中間壓實(shí)區(qū)，縱向分為垮落帶、斷裂帶與彎曲下沉帶。根據(jù)相似試驗(yàn)開(kāi)采后巖層的分布狀態(tài)，可以判斷出離層區(qū)的長(zhǎng)度為60 m，開(kāi)采1-2煤層后，垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶的位置分別位于C、E、G監(jiān)測(cè)線；開(kāi)采2-2煤層后，“三帶”則分別位于A、F、G監(jiān)測(cè)線。

根據(jù)裂隙率的定義，裂隙率與監(jiān)測(cè)線變形間存在如下近似關(guān)系:

F=(SC-SX)/S

其中：F為裂隙率；SC為開(kāi)采面積；SX為下沉面積；S為所測(cè)巖土總面積，S=HD，H為所測(cè)巖土高度，D為開(kāi)采長(zhǎng)度。

對(duì)于煤層開(kāi)采后斷裂帶、彎曲下沉帶則有

式中，ΔS為下沉量的差值。

待1-2煤工作面開(kāi)采結(jié)束，裂隙發(fā)育高度并未到達(dá)煤層基巖，如圖2a所示。2-2煤層開(kāi)采覆巖穩(wěn)定后，觀察發(fā)現(xiàn)采空區(qū)中上部裂隙基本壓實(shí)閉合，如圖2b所示。

圖2 檸條塔礦開(kāi)挖后的相似模型

1-2和2-2煤工作面回采結(jié)束各測(cè)線下沉曲線如圖3所示。

圖3 工作面回采結(jié)束各測(cè)線下沉曲線

2.2.2 采動(dòng)覆巖裂隙場(chǎng)空間分布規(guī)律

根據(jù)相似試驗(yàn)的下沉量測(cè)量數(shù)據(jù)與裂隙率計(jì)算公式計(jì)算得到第1層和第2層開(kāi)采后水平和垂直裂隙率的分布曲線分別如圖4所示，離層區(qū)的數(shù)值為兩側(cè)離層區(qū)裂隙的平均值。

圖4 水平裂隙率變化

從圖4a可得，隨著監(jiān)測(cè)線與煤層距離的增加，裂隙率逐漸減小，總體裂隙率由1.87%逐漸下降至1.18%，覆巖裂隙場(chǎng)越往上越小，并且是非線性的；中間壓實(shí)區(qū)裂隙率遠(yuǎn)小于離層區(qū)，中間壓實(shí)區(qū)最大裂隙率為1.21%，離層區(qū)最大裂隙率為2.19%，這是由于離層區(qū)存在較大離層裂隙，有利于地下水的儲(chǔ)存。離層區(qū)的儲(chǔ)水能力遠(yuǎn)大于中間壓實(shí)區(qū)。

比較圖4a和圖4b可以看出，第2次開(kāi)采后，離層區(qū)與中間壓實(shí)區(qū)的裂隙率都大幅度提升，離層區(qū)最大裂隙率由2.19%上升到16.1%，中間壓實(shí)區(qū)最大裂隙率由1.21%上升到6.54%，地下水庫(kù)的儲(chǔ)水能力也隨之大幅提升，并且第2次開(kāi)采后，隨著覆巖遠(yuǎn)離煤層，離層裂隙率的減小速度顯著降低，離煤層較近的覆巖的儲(chǔ)水能力遠(yuǎn)大于離煤層較遠(yuǎn)的覆巖。二次開(kāi)采后，中間壓實(shí)區(qū)也具備了一定的儲(chǔ)水能力，但還是小于離層區(qū)。

從圖5a彎曲下沉帶曲線可以看出，隨著向離層區(qū)覆巖內(nèi)部延伸，離層裂隙率先增大后減小，在離層區(qū)覆巖出現(xiàn)2個(gè)裂隙率極大值點(diǎn)(凸峰)，而在中間壓實(shí)區(qū)裂隙率曲面呈“盆底”形凹陷，裂隙率的左右峰值分別為1.95%和2.13%，“盆底”裂隙率為0.38%，總體上覆巖四周邊界附近離層裂隙率大，遠(yuǎn)離邊界的內(nèi)部區(qū)域離層裂隙率?。豢迓鋷?、斷裂帶、彎曲下沉帶“盆底”裂隙率分別為1.22%，0.77%，0.37%，隨著覆巖逐漸遠(yuǎn)離煤層，裂隙率隨之減小。由圖5b中“三帶”的裂隙率可知，左側(cè)離層區(qū)裂隙率峰值隨著“三帶”覆巖位置的上升而逐漸向中心靠攏，右側(cè)也有同樣的現(xiàn)象，這是因?yàn)殡S著覆巖遠(yuǎn)離開(kāi)采煤層，其下沉的區(qū)域正在逐漸減小，產(chǎn)生離層的位置就會(huì)逐漸向中間靠攏。

圖5 垂直裂隙率變化

比較圖5a和圖5b可以看出，重復(fù)采動(dòng)后，裂隙率曲線同樣隨著覆巖逐漸向上，裂隙率減小和峰值位置向中間靠攏的特點(diǎn)，但二次開(kāi)采后，裂隙率大幅增加，垮落帶，斷裂帶，彎曲下沉帶中間壓實(shí)區(qū)的裂隙率分別達(dá)到21%，3.1%，0.3%，最大峰值分別到達(dá)35.5%，6.34%，4.17%。

目前，神東礦區(qū)已經(jīng)成功建設(shè)煤礦地下水庫(kù) 35座，不僅提供了礦區(qū) 95%以上的工業(yè)用水[22]，而且實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)不同季節(jié)水資源的儲(chǔ)存與調(diào)配，極大緩解了西部礦區(qū)煤炭開(kāi)采與水資源保護(hù)的矛盾。檸條塔煤礦位于神南礦區(qū)，通過(guò)相似模擬試驗(yàn)研究重復(fù)采動(dòng)上覆巖層裂隙率的空間分布規(guī)律，這將為該區(qū)域下部煤層開(kāi)采后所建地下水庫(kù)儲(chǔ)水能力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

3 結(jié) 論

1)采動(dòng)覆巖裂隙率自下而上逐漸減小，1-2煤開(kāi)采后裂隙率由1.87%逐漸下降為1.18%，2-2煤開(kāi)采后，裂隙率由12.85%下降為4.11%；重復(fù)采動(dòng)后上覆巖層的裂隙率顯著大于初次采動(dòng)覆巖裂隙率。

2)中間壓實(shí)區(qū)裂隙率遠(yuǎn)小于兩側(cè)離層區(qū)，1-2煤開(kāi)采后，壓實(shí)區(qū)和離層區(qū)最大裂隙率分別為1.21%和2.19%，2-2煤開(kāi)采后，壓實(shí)區(qū)和離層區(qū)最大裂隙率分別為16.1%和6.54%。水平方向裂隙率存在2個(gè)峰值，垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶的峰值位置逐漸向采空區(qū)中部移動(dòng)。

3)煤層重復(fù)開(kāi)采后，離層區(qū)裂隙率最大值由2.19% 上升到16.1%，中間壓實(shí)區(qū)最大裂隙率由1.21% 上升到6.54%，分別增長(zhǎng)了約6.4倍和4.4倍，重復(fù)采動(dòng)覆巖的裂隙率顯著增加，增強(qiáng)了儲(chǔ)水能力，故下部煤層開(kāi)采后的采空區(qū)能儲(chǔ)存更多的礦井水。