彬長礦區(qū)巨厚砂巖含水層下綜放開采導(dǎo)水裂隙帶高度研究

盛奉天，段玉清

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

我國是世界上煤礦水害最為嚴(yán)重的國家之一，許多煤田都存在水體下采煤的問題[1]。礦井水害嚴(yán)重制約著我國煤炭安全生產(chǎn)，煤礦涌水及突水不僅嚴(yán)重影響井巷開拓和工作面回采，甚至?xí)斐芍卮蟮娜松韨龊徒?jīng)濟(jì)損失，同時還會破壞地下水資源、誘發(fā)地表生態(tài)地質(zhì)環(huán)境災(zāi)變[2]。據(jù)初步統(tǒng)計，我國600余處國有重點煤礦受水威脅的礦井占47.5%，受水威脅的煤炭儲量達(dá)到250億t，其中受頂板水體威脅的煤炭儲量近百億噸，經(jīng)濟(jì)損失超過350多億元人民幣[3-6]。導(dǎo)水裂隙帶高度是溝通頂板含水層與采空區(qū)的涌水通道，因此研究導(dǎo)水裂隙帶高度對頂板水害防治具有重要意義[7]。

彬長礦區(qū)各礦井一直深受頂板巨厚砂巖含水層的影響，我國眾多學(xué)者對該礦區(qū)頂板涌水進(jìn)行了大量研究，如靳德武[8]等研究了彬長礦區(qū)部分礦井導(dǎo)水裂隙帶高度，得出了導(dǎo)水裂隙帶高度與工作面斜長、采深和采厚的關(guān)系；昝軍才[9]等研究了小莊礦4號煤層高強(qiáng)度開采的導(dǎo)水裂隙帶高度和裂采比；武謀達(dá)[10]等研究了大佛寺煤礦開采過程中受洛河組含水層影響，總結(jié)了頂板涌水的規(guī)律；李超峰[11]等研究了彬長礦區(qū)巨厚洛河組含水層的垂向差異性，根據(jù)洛河組巖性、富水性、水質(zhì)、水溫等因素將洛河組分為上下兩段；藺成森[12]等綜合分析了彬長礦區(qū)煤層開采頂板涌水特征，提出了該礦區(qū)防治水技術(shù)的成套體系；段紅民[13]等預(yù)計了彬長礦區(qū)最大導(dǎo)水裂縫帶高度，確定了適合彬長礦區(qū)煤層開采的方法和工藝等。雖然眾多學(xué)者對彬長礦區(qū)進(jìn)行了大量研究，但還沒有形成統(tǒng)一的適用于該礦區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗公式。筆者主要通過對彬長礦區(qū)各礦井導(dǎo)水裂隙帶高度實測數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)出適用于該礦區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗公式，并以雅店礦ZF1403工作面為背景依托應(yīng)用該公式進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶高度的研究，可為類似條件礦井導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度提供借鑒。

1 彬長礦區(qū)概況

彬長礦區(qū)位于我國14 個大型煤炭基地之一的黃隴煤田，礦區(qū)東西長46km，南北寬36.5km，面積978km2，煤炭資源地質(zhì)儲量8978.83Mt，可采儲量5362.09Mt，礦區(qū)內(nèi)大多數(shù)礦井采用綜采放頂煤開采延安組第一段中上部4號煤層，全部垮落法管理頂板。4號煤層厚度為0.15～43.87m，平均達(dá)到10.65m，煤層頂板多以砂巖為主，砂質(zhì)泥巖次之，屬于中硬頂板。煤層上方存在多個含水層，通過水文地質(zhì)勘察得知其中洛河組巨厚砂巖含水層富水性較強(qiáng)，其余含水層富水性較弱，4號煤層與洛河組巨厚砂巖含水層平均間距164m，水文地質(zhì)情況如圖1所示。礦區(qū)內(nèi)各礦井工作面回采過程中頂板涌水量大，嚴(yán)重影響了礦井的正常安全生產(chǎn)，礦區(qū)內(nèi)部分礦井頂板涌水統(tǒng)計情況見表1[13-19]。

圖1 彬長礦區(qū)水文地質(zhì)綜合圖

表1 彬長礦區(qū)部分礦井頂板涌水情況

2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度理論計算

2.1 經(jīng)驗公式計算及適用性分析

許延春教授在收集了大量綜放開采導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)理統(tǒng)計分析得出了中硬及軟弱覆巖條件下適用于綜放開采的導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗公式。目前對于導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計，在礦井沒有實測數(shù)據(jù)的情況下，多以經(jīng)驗公式計算為主，其計算值可作為礦井導(dǎo)水裂隙帶高度的參考。由于彬長礦區(qū)大多數(shù)礦井采用綜放開采4號煤層，頂板多以砂巖為主，屬于中硬類型，因此，采用中硬覆巖條件下綜放開采導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗公式進(jìn)行計算，經(jīng)驗公式見式(1)[20]，并將所求的導(dǎo)水裂隙帶高度與實測值進(jìn)行對比，結(jié)果見表2[8，14，21，22]。

表2 彬長礦區(qū)部分礦井導(dǎo)水裂隙帶高度實測與經(jīng)驗公式及回歸公式計算對比

式中，Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；M為采厚，m。

由表2可以看出，導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗公式在彬長礦區(qū)各工作面的計算中存在失真問題，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相比普遍偏小，相差值大多在40～80m之間，部分可達(dá)90～120m，顯然經(jīng)驗公式的計算參考值已不適用于彬長礦區(qū)，主要原因分析如下：彬長礦區(qū)主采4號煤層，其賦存具有煤層厚、埋深大、開采強(qiáng)度高的特點，高強(qiáng)度開采導(dǎo)致覆巖破壞程度遠(yuǎn)高于普通地質(zhì)條件下綜放開采覆巖破壞程度；綜放開采導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗公式是在收集了大量綜放開采導(dǎo)水裂隙帶高度實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用一元線性回歸統(tǒng)計而來的，統(tǒng)計數(shù)據(jù)中彬長礦區(qū)的實測數(shù)據(jù)較少，因此對此地區(qū)的覆巖破壞高度預(yù)測不具有代表性；經(jīng)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與煤層采厚、埋深、工作面寬度、覆巖類型等多種因素有關(guān)，經(jīng)驗公式只考慮了不同覆巖條件下煤層采厚這一因素，而未考慮其他影響因素。由表1中的采厚與導(dǎo)水裂隙帶高度實測值擬合的關(guān)系曲線如圖2所示，可以看出R2=0.73，擬合效果較差，因此只考慮采厚對導(dǎo)水裂隙帶高度的影響是不全面的。

圖2 采厚與導(dǎo)水裂隙帶高度擬合關(guān)系曲線

2.2 彬長礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度回歸公式

基于表2中實測數(shù)據(jù)，在考慮工作面寬度、煤層埋深、采厚三種因素條件下，使用origin軟件多元線性回歸得出彬長礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度與上述三因素之間的關(guān)系，見式(2)。

Hli=0.3373W+0.0775D+13.9523M-66.7430，R2=0.87

(2)

式中，W為工作面寬度，m；D為煤層埋深，m。

將各工作面參數(shù)代入式(2)，得出對應(yīng)的導(dǎo)水裂隙帶回歸公式預(yù)計值，見表2。對比實測值求得誤差，并利用貝塞爾公式(3)求得標(biāo)準(zhǔn)偏差：

求得S=11.31，進(jìn)而得到彬長礦區(qū)中硬覆巖綜放開采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度回歸公式：

Hli=0.3373W+0.0775D+13.9523M-

66.7430±11.31

(4)

將表2中各組工作面按導(dǎo)水裂隙帶高度實測值由低到高依次編號為1～17，使用回歸公式計算得出表中各礦導(dǎo)水裂隙帶高度值，與實測值、經(jīng)驗公式計算值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，實測值曲線位于回歸公式計算值上下限范圍內(nèi)，回歸公式計算值與實測值接近，回歸效果良好，因此回歸公式可用于彬長礦區(qū)中硬覆巖條件下礦井導(dǎo)水裂隙帶高度的計算。

圖3 導(dǎo)水裂隙帶高度計算對比

3 回歸公式應(yīng)用

3.1 工程概況

以彬長礦區(qū)雅店礦ZF1403工作面為工程背景，應(yīng)用回歸公式對導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行研究。雅店礦ZF1403工作面走向長度1600.7m，傾向長度200m，采用綜采放頂煤開采延安組第一段中上部4號煤層，覆巖類型為中硬，全部垮落法管理頂板。4號煤層平均埋藏深度約為700m，傾角0°～7°，煤層厚度變化較小，平均厚度13.5m，局部含夾矸兩層，夾矸厚度為0.20～0.66m。工作面上方存在多個含水層，水文地質(zhì)綜合柱狀圖如圖4 所示，通過水文地質(zhì)勘察得知其中洛河組巨厚砂巖含水層富水性強(qiáng)，其余含水層富水性較弱，工作面回采過程中頂板涌水量大，嚴(yán)重影響了礦井的正常安全生產(chǎn)，由水質(zhì)化驗可知頂板涌水主要來源為洛河組含水層。2020年2月—8月工作面月平均涌水量統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示，由圖5可見，工作面涌水量較大，因此探明導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度可以為水害防治措施的制定提供理論依據(jù)。將雅店礦ZF1403工作面各參數(shù)分別代入經(jīng)驗公式(1)和回歸公式(4)計算可得：導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗公式計算結(jié)果為118.44～141.42m，回歸公式計算結(jié)果為232.01～254.63m。

圖4 水文地質(zhì)綜合柱狀圖

圖5 工作面月平均涌水量統(tǒng)計

3.2 數(shù)值模擬分析

3.2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)雅店礦ZF1403綜放工作面2-3鉆孔柱狀圖建立FLAC3D數(shù)值模型，模擬隨工作面推進(jìn)上覆巖層的破壞高度及塑性區(qū)發(fā)育特征。洛河組巨厚砂巖含水層為340m，為提高計算機(jī)運(yùn)算速度模型只建200m，模型頂部至地表未建巖層共320m，在上表面施加8.0MPa的等效載荷代替，模型四周及底部邊界固定，頂部為自由邊界，X方向為工作面走向，Y方向為工作面傾向，為消除邊界影響X、Y方向兩邊各預(yù)留200m煤柱，開挖步距為40m，共開挖400m，最終確定模型尺寸為800m×600m×400m(長×寬×高)，巖體本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，數(shù)值模型如圖6所示，巖層參數(shù)見表3。

圖6 數(shù)值計算模型

表3 巖層力學(xué)參數(shù)

3.2.2 模擬結(jié)果分析

隨著工作面的回采，上覆頂板巖層出現(xiàn)不同類型的破壞，自下而上可分為拉張破壞區(qū)、剪切破壞區(qū)和彈性區(qū)。數(shù)值模擬中一般將拉張破壞區(qū)視為垮落帶范圍，將剪切破壞區(qū)視為裂隙帶范圍，兩者之和視為導(dǎo)水裂隙帶高度范圍。不同開挖步距下頂板破壞塑性區(qū)如圖7所示，當(dāng)工作面推進(jìn)40m時，采空區(qū)上方中部巖層的主要破壞類型為拉張破壞，而開切眼及煤壁前方頂板巖層出現(xiàn)剪切破壞，破壞范圍整體呈現(xiàn)出兩邊高中間低的“馬鞍型”形態(tài)，如圖7(a)所示；當(dāng)工作面推進(jìn)120m時，高度繼續(xù)向上發(fā)育，高度為122.9m，如圖7(b)所示；當(dāng)工作面推進(jìn)240m時，頂板巖層破壞形態(tài)仍未發(fā)生明顯變化，覆巖破壞高度進(jìn)一步增大，達(dá)到243.5m，如圖7(c)所示；工作面推進(jìn)400m時，相比工作面推進(jìn)240m時剪切破壞區(qū)范圍明顯增大，而覆巖破壞高度不再增加，如圖7(d)所示。因此，可認(rèn)為工作面推進(jìn)至240m時，已達(dá)到該開采條件下的充分采動，導(dǎo)水裂隙帶高度不再發(fā)生變化，最終高度確定為243.5m。

圖7 不同開挖步距下頂板塑性區(qū)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律如圖8所示。其變化可分為以下3個階段：緩增階段，工作面自開切眼推進(jìn)后，直接頂巖層達(dá)到其極限跨距開始垮落，覆巖破壞開始緩慢向上發(fā)育；突增階段，隨著工作面推進(jìn)距離增加，采空區(qū)范圍不斷增大，破壞范圍已波及到上覆各堅硬巖層，厚而堅硬的巖層破斷失去了自承載作用，導(dǎo)致覆巖破壞高度急劇增大；穩(wěn)定階段：當(dāng)工作面推進(jìn)至240m時，覆巖破壞高度達(dá)到最大，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，破壞高度不再發(fā)生變化。

圖8 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律

3.3 現(xiàn)場實測

ZF1417工作面位于ZF1403工作面南部約500m處，現(xiàn)場施工過程中，采用井下施工鉆孔探測的方法實測了ZF1417工作面4號煤層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，通過ZF1417工作面3個鉆孔進(jìn)行注水漏失量觀測，得到了3個鉆孔液漏失量的變化規(guī)律，確定了導(dǎo)水裂隙帶高度，由于ZF1417工作面與ZF1403工作面位置較近，工作面布置方式、采煤方法、工作面寬度及煤層埋深均相同，因此ZF1417工作面導(dǎo)水裂隙帶實測值可作為ZF1403工作面導(dǎo)水裂隙帶高度的參考值，實測數(shù)據(jù)見表4[23]。由于ZF1403工作面煤層厚度變化較小，煤厚11.8～15.4m，平均為13.5m，1號鉆孔煤層厚度偏小，采厚作為影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的重要因素之一，因此，1號鉆孔實測數(shù)據(jù)不具有參考價值，由2號、3號兩鉆孔實測數(shù)據(jù)可知，當(dāng)采厚為12.6m和13.5m時導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分別為214.2m和270.0m，平均為242.1m。

表4 導(dǎo)水裂隙帶高度實測數(shù)據(jù)

將傳統(tǒng)經(jīng)驗公式、回歸公式、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測4種方法得到的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度結(jié)果進(jìn)行綜合對比，結(jié)果見表5。由表5可以看出，數(shù)值模擬和實測值結(jié)果接近，兩者均位于回歸公式計算值范圍內(nèi)，而傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算結(jié)果與實測值相差較大，誤差大于100m，進(jìn)一步說明了經(jīng)驗公式在彬長礦區(qū)的不適用性，而回歸公式應(yīng)用效果良好，可作為彬長礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度的參考。

表5 導(dǎo)水裂隙帶高度綜合對比表 m

4 結(jié) 論

1)通過收集彬長礦區(qū)17 組工作面導(dǎo)水裂隙帶高度實測數(shù)據(jù)，得到經(jīng)驗公式計算結(jié)果在彬長礦區(qū)應(yīng)用存在失真的問題，并通過回歸分析得出了適用于彬長礦區(qū)中硬覆巖條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度公式。

2)基于彬長礦區(qū)雅店礦地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測得到的導(dǎo)水裂隙帶高度與回歸公式計算結(jié)果基本吻合，回歸公式應(yīng)用效果良好。