深埋緩傾斜雙煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律研究

侯恩科，劉 博，龍?zhí)煳?，?維，魏啟明，馬進勇

（1．西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2．華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 廊坊 065201；3．國家能源集團寧夏煤業(yè)公司 石槽村煤礦，寧夏 靈武 751400）

隨著采煤技術(shù)的不斷進步，多煤層開采已逐漸成熟。下伏煤開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Э赡軐?dǎo)通上覆煤層采空區(qū)，或重復(fù)采動導(dǎo)致上覆煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞г俅伟l(fā)育，進而導(dǎo)通上部含水層，極大地影響礦井生產(chǎn)安全[1]。受煤層間距、采厚和開采方式等多種因素影響，多煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育特征具有不確定性，單一方法確定導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度具有一定的局限性，因此，多種方法綜合確定能夠使其結(jié)果更加符合實際情況[2-7]。侯恩科等[8]通過井-地聯(lián)合微震監(jiān)測對深埋煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨冗M行了研究，認為斷層降低了覆巖穩(wěn)定性，增大了導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度；楊玉亮等[9]采用理論分析、相似材料試驗和數(shù)值模擬研究了深埋大采高工作面覆巖破斷及裂隙演化規(guī)律，認為覆巖裂隙可分為孕育、產(chǎn)生、張開、閉合、壓實5個階段；余學(xué)義等[10]采用物理模擬和數(shù)值計算模擬方法，分析了不同分層、不同采高和不同開采方式下導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨劝l(fā)育規(guī)律和覆巖移動破壞規(guī)律；還有眾多專家學(xué)者對深埋煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律進行了研究[11-14]，但該類研究都針對于深埋單煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞а芯?，未涉及多煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律的研究。田成林等[15]通過FLAC3D數(shù)值模擬認為多煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度影響因素按重要程度依次為采高、間隔層強度和層間距；潘瑞凱等[16]通過建立三維物理相似模型、PFC2D數(shù)值模型和理論模型，對雙厚煤層開采后的覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律進行了研究；孫學(xué)陽等[17]采用FLAC3D數(shù)值模擬手段，討論了多煤層不同開采錯距對覆巖結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的影響；還有眾多學(xué)者結(jié)合不同方法對導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律進行了研究[18-20]，但對深埋多煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞а芯肯鄬^少。基于此，以位于寧東礦區(qū)的石槽村煤礦1102211工作面和1102213工作面為研究對象，深埋緩傾斜雙煤層重復(fù)采動區(qū)，通過井下仰孔導(dǎo)水?dāng)嗔褞崪y，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬和經(jīng)驗公式法，對研究區(qū)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律進行對比研究，為研究區(qū)雙煤層開采條件下礦井水害防治提供參考價值。

1 礦井地質(zhì)條件及工作面概況

石槽村煤礦位于寧東礦區(qū)中部，井田內(nèi)大部分地區(qū)被第四系（Q）風(fēng)積沙及黃土所覆蓋，僅在井田北部有侏羅系中統(tǒng)安定組（J2a）零星出露，井田南部有侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）零星出露。地層由老至新依次有：三疊系上統(tǒng)上田組（T3S）、侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a）、新近系（N）和第四系（Q）。1102211工作面鉆孔柱狀如圖1。

圖1 巖層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of strata

以1102211和1102103工作面重復(fù)采動區(qū)為研究對象，工作面平面布置圖如圖2。

圖2 研究區(qū)工作面示意圖Fig.2 Working face sketch map of research area

1102103工作面走向長700 m、傾向長220 m，埋深410~580 m，開采2-1煤層，平均采高1.86 m，采用走向長壁綜采一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。1102211工作面走向長1 528 m，傾向長271 m，埋深430~600 m，開采2-2煤，平均采高3.52 m，開采方法同2-1煤。1102211工作面回采760 m后進入1102103工作面下部。2-2煤層上距2-1煤底板平均11.22 m，2-2煤分布穩(wěn)定，傾向變化不大，平均傾角14°，直接頂為粉砂巖，局部含炭質(zhì)泥巖和粗砂巖。

2 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?/h2>

1102103工作面與1102211工作面層間距11 m，兩工作面上覆巖層為砂巖與泥巖互層，屬中硬巖層。據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》（簡稱“規(guī)范”）[21]多煤層重復(fù)采動導(dǎo)水?dāng)嗔褞У挠嬎阌腥缦乱?guī)定：下層煤垮落帶接觸或進入上層煤時，上層煤的導(dǎo)水?dāng)嗔褞О幢緦用旱母叨扔嬎?，下層煤的?dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨炔捎蒙舷旅簩拥木C合開采厚度計算，取其標(biāo)高值大者作為2個層煤的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?。根?jù)《規(guī)范》中硬巖層的公式（1）和公式（2）計算垮落帶高度Hc和斷裂帶高度Hf：

式中：M為采高。

計算結(jié)果見表1。

表1《規(guī)范》公式預(yù)測垮裂帶高度結(jié)果Table 1 The results of the formula predicting the height of fracture zone

3 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律數(shù)值模擬

3.1 模型建立

應(yīng)用FLAC3D軟件，依據(jù)石槽村煤礦1102211和1102103工作面地質(zhì)條件和煤巖層力學(xué)參數(shù)，建立走向長1 000 m、傾向長470 m、高810 m的數(shù)值模擬模型，模型共劃分為30 400個網(wǎng)格，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模型如圖3。研究區(qū)的巖層主要由砂巖、泥巖組成，巖石力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 主要巖層力學(xué)參數(shù)表Table 2 Mechanical parameters table of main rock stratum for roof and floor

圖3 FLAC3D數(shù)值模型Fig.3 FLAC3D numerical model

考慮到邊界效應(yīng)問題，在模型的走向方向兩側(cè)留50 m煤柱，傾向方向兩側(cè)分別留100 m煤柱。開挖過程中2個工作面每次開挖50 m，先開挖上組2-1煤，開挖高度1.8 m共開挖8次；再開挖下組2-2煤，開挖高度3.4 m，共開挖16次。計算采用適用于煤礦開采的摩爾－庫侖屈服準(zhǔn)則[22]：

式中：σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；C為材料的黏聚力；φ為材料的內(nèi)摩擦角。

3.2 塑性變形結(jié)果

根據(jù)FLAC3D模擬的巖層塑性變形結(jié)果分析覆巖破壞規(guī)律。選取2-1煤開采50、200、400 m和2-2煤開采50、450、900 m的塑性變形圖分析，數(shù)值模擬結(jié)果圖如圖4。圖4結(jié)果顯示，隨著工作面的推進，上覆巖層出現(xiàn)下沉、破斷和垮落。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果圖Fig.4 Numerical simulation result diagram

1）1102103工作面2-1煤推進50 m時，未在模型頂板位置觀察出明顯的破裂現(xiàn)象，由于上覆巖層彈性模量較大，具有較強的支撐作用，頂板巖層主要以彎曲下沉為主，裂隙發(fā)育高度較小。

2）隨著推采距離的增加，2-1煤上覆基本頂變形逐漸變大，巖層應(yīng)力變化超過其彈性極限，彎曲下沉量超過變形極限值，巖體開始發(fā)生破斷、垮落。2-1煤推進距離為200 m時，采空區(qū)上方的覆巖發(fā)生整體性沉降，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨妊杆僭龈撸矌r裂隙繼續(xù)向上發(fā)育，最大裂隙尺寸進一步增大，裂隙主要集中在上覆巖層高度12.5 m處。

3）2-1煤推采至400 m，1102103工作面已回采完畢。此時1102103工作面切眼與煤壁處的破壞高度為最大值，采空區(qū)上方的裂隙分布形態(tài)表現(xiàn)為兩側(cè)高中間低的“馬鞍狀”。2-1煤已達到充分采動，最大裂隙尺寸較大，裂隙主要集中在覆巖高度為34 m處以及工作面正上方。

4）1102103工作面2-1煤層回采完畢后繼續(xù)模擬1102211工作面2-2煤層回采，當(dāng)2-2煤層推采至50 m時，煤層回采范圍相對較小，雖煤層頂板的中粒砂巖彈性模量較大，但巖層變形已超過其最大彈性極限，中粒砂巖層和上部粉砂巖層都被破壞，較2-1煤開采50 m時覆巖破壞情況有所不同的主要原因為2-2煤采厚變大，此時最大裂隙主要集中在覆巖高度5.5 m處。

5）2-2煤推采至400 m時，推采距離已占工作面總長度的一半，還未進入1102103工作面采空區(qū)下方，剛好位于1102101工作面停采位置處，但此時已對2-1煤停采線位置處覆巖造成破壞。受2-2煤采動影響，2-1煤停采線下部的巖層逐漸垮落，但2-1煤停采線上部巖層沒有受到影響，此時2-2煤開采導(dǎo)致的裂隙集中發(fā)育在覆巖高度37.5 m處。

6）2-2煤推采至900 m時，1102211工作面已經(jīng)回采完畢。1102211工作面切眼與煤壁處覆巖破壞高度最大，2-2煤開采形成的采空區(qū)上覆巖層裂隙形態(tài)表現(xiàn)為兩側(cè)高中間低的“馬鞍狀”，此時2-2煤已達到充分采動。2-2煤在推采至2-1煤層采空區(qū)下方時，對2-1煤下部巖層造成破壞，使其整體下沉、垮落，集中發(fā)育的裂隙直接導(dǎo)通2-1煤采空區(qū)，甚至使采空區(qū)上方巖層進一步破壞，使得2-1煤層采空區(qū)上覆巖層裂隙進一步發(fā)育，最大尺寸裂隙與2-2煤最大裂隙合為一體集中發(fā)育。此時復(fù)合裂隙集中發(fā)育在覆巖高度46 m處。

3.3 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律

煤層上方斷裂帶隨著工作面推進的發(fā)育情況如圖5。

圖5 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度圖Fig.5 Development height of water flowing fracture zone

從圖5中可以看出，裂隙的發(fā)育高度受工作面的推進距離和采厚直接影響，導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育隨著煤層的開采以及覆巖的破壞，可以劃分為發(fā)生、向上擴展、最大高度、穩(wěn)定的過程。2-1煤和2-2煤導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育過程均可分為3個階段：緩增階段、突增階段和穩(wěn)定階段。采厚較大的2-2煤導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育速度及高度在3個階段均大于2-1煤導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨龋f明相同地質(zhì)條件及開采方式下，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨仁懿珊裼绊戄^大。

推進距離在50 m時，由于2-1煤1.8 m采厚小于2-2煤3.4 m采厚，在相同開采方式及地質(zhì)條件下，2-1煤上覆巖層未發(fā)生大面積的垮落，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育較小，而2-2煤上覆巖層已發(fā)生垮落，形成了5.5 m的導(dǎo)水?dāng)嗔褞?。表明?dǎo)水?dāng)嗔褞г诎l(fā)生過程中受采厚的影響較大；2-1煤與2-2煤回采到200 m之前，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨劝l(fā)育緩慢，最大發(fā)育高度分別為12.5 m和14 m。說明導(dǎo)水?dāng)嗔褞г谙蛏蠑U展過程中的增大趨勢受采厚影響較小，但導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟀l(fā)育高度受采厚影響較大；2-1煤和2-2煤推進距離均大于200 m時，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨劝l(fā)生突增。由于覆巖中的厚硬巖層一定程度上支撐著上部巖層，對斷裂帶向上發(fā)育具有抑制作用，隨著煤層推進距離增大，厚硬巖層由于懸露跨度過長發(fā)生破斷，從而導(dǎo)致導(dǎo)水?dāng)嗔褞а杆傧蛏习l(fā)育。當(dāng)2-1煤推進到350 m，2-2煤推進至500 m時，斷裂帶高度發(fā)育至最大高度并分別逐漸穩(wěn)定在34 m和41 m處；2-1煤推采至450 m處已完成回采，此時導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ю^續(xù)穩(wěn)定在34 m處。2-2煤繼續(xù)向前推采，此時2-2煤已進入2-1煤采空區(qū)下方，在2-2煤推采完成階段導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度略微增大，最終穩(wěn)定在46 m處。

4 井下鉆孔實測結(jié)果

4.1 井下實測原理與方法

在井下采用仰斜鉆孔導(dǎo)高觀測儀進行導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊拇_定。井下鉆孔導(dǎo)高觀測儀主要由觀測探頭、連接管路與控制臺3部分組成。井下鉆孔實測示意圖如圖6。

圖6 井下仰孔壓水試驗結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of underground uphole water pressure test structure

實測時將探頭送至鉆孔相應(yīng)位置，通過起脹控制臺使膠囊膨脹到完全封堵鉆孔兩端，通過注水管向探頭注水，并記錄控制臺流量表上的讀數(shù)，根據(jù)漏失量大小判斷該處裂隙發(fā)育程度，判斷導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育位置[23]。隨推進高度反復(fù)探查，得到相應(yīng)測試層位的漏失量，確定導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀缰?，計算該處至煤層開采頂面的垂距，即為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度。

4.2 鉆孔布置

1102103工作面回采時間為2015年11月至2016年8月，1102211工作面回采時間為2018年10月至2019年12月，根據(jù)采空區(qū)頂板裂隙發(fā)育規(guī)律，頂板應(yīng)力已達到穩(wěn)定狀態(tài)，可以進行相關(guān)的壓水試驗。為了觀測其頂板“兩帶”發(fā)育情況，于2020年6月在該工作面運輸巷距離終采線158 m處設(shè)計了D1和D2等孔進行緩傾斜雙煤層開采“兩帶”高度探測，鉆孔施工剖面如圖7。

圖7 鉆孔施工剖面圖Fig.7 Drilling construction profile

4.3 實測結(jié)果

1102211工作面頂板觀測孔D1孔和D2孔的注水試驗漏失量曲線如圖8。

圖8 實測壓水流量曲線圖Fig.8 Measured pressure water flow curves

D1孔主要探查導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度。將探頭推進到相對1102211工作面垂距為8.8 m（鉆孔斜長為16.2 m）的完整煤柱段測定膠囊密閉性良好，此時壓水流量為28.3 L/min，則以此壓水流量為判斷導(dǎo)水?dāng)嗔褞У臉?biāo)準(zhǔn)，壓水流量大于此值為冒裂帶，壓水流量小于或等于此值則為完整巖層。鉆孔斜長在46.2 m（探頭相對1102211工作面垂距為25.6 m）時，壓水流量已增大至122.53 L/min，判斷此處位于2-1煤垮落帶中；鉆孔斜長為52.2 m（探頭相對1102211工作面垂距為28.5 m）時，注水流量開始大幅度減小，說明隨著垂距變大，巖層裂隙發(fā)育程度減小，判斷此垂距已超過垮落帶發(fā)育高度，確定垮落帶高度應(yīng)小于28.5 m，則垮落帶發(fā)育高度以25.6 m為準(zhǔn)。鉆孔斜長為95.7 m（探頭相對1102211工作面垂距為49.6 m）時，壓水流量減小至28.85 L/min，基本恢復(fù)巖層完整段測試流量，而下一測試階段注水流量小于標(biāo)準(zhǔn)注水流量，判斷49.6 m已達導(dǎo)水?dāng)嗔褞舷蕖?jù)此D1孔探查結(jié)果為：垮落帶最大發(fā)育高度25.6 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟀l(fā)育高度49.6 m。

D2孔主要探查垮落帶發(fā)育高度。將探頭推進到相對工作面垂距為8.71 m的完整煤柱段，確定D2孔壓水流量以30.54 L/min為判斷導(dǎo)水?dāng)嗔褞У臉?biāo)準(zhǔn)。D2孔斜長在50.7 m（探頭相對1102211工作面垂距為23.5 m）時，壓水流量增至124.8 L/min，判定此階段位于垮落帶中；斜長為61.2 m（探頭相對1102211工作面垂距為25.1 m）時，注水控制臺的壓力突增，但注水流量和孔口流量變化不大，在下一試驗段的壓水流量表現(xiàn)為明顯下降趨勢，判定該處位于垮落帶頂部，則D2孔探查垮落帶最大高度為25.1 m。鉆孔斜長為89.7 m（探頭相對1102211工作面垂距為35．1 m）時，注水流量為68.33 L/min，仍大于標(biāo)準(zhǔn)壓水流量，判斷該處位于導(dǎo)水?dāng)嗔褞^(qū)域，D2孔已確定垮落帶高度，所以未繼續(xù)鉆探，但可以確定導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨却笥?5.1 m。據(jù)此，D2孔探查結(jié)果為：垮落帶最大發(fā)育高度為25.1 m，垮采比為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度大于35.1 m。

D1孔和D2孔綜合探查結(jié)果如圖9?；凇熬透卟痪偷汀钡脑瓌t，井下仰孔壓水試驗法對導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度的探查結(jié)論為：1102103綜采工作面和1102211綜采工作面重復(fù)開采垮落帶發(fā)育高度為25.6 m，垮采比為4.92（采高為2層煤綜合采高5.2 m）；導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為49.6 m，裂采比為9.54（采高為2層煤綜合采高5.2 m）。

圖9 導(dǎo)水?dāng)嗔褞崪y結(jié)果Fig.9 Measured results of water-conducting fault zone

4.4 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度綜合分析

將《規(guī)范》計算數(shù)據(jù)、井下仰孔實測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬數(shù)據(jù)按“就高不就低”原則列入表3進行對比分析。石槽村煤礦導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葘Ρ缺硪姳?。

由表3對比分析可知，《規(guī)范》計算結(jié)果與實測結(jié)果較為吻合，說明《規(guī)范》中多煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞в嬎愎礁m用于石槽村煤礦。FLAC3D數(shù)值模擬可以分析導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律，井下仰孔注水試驗探查導(dǎo)水?dāng)嗔褞?shù)據(jù)可靠，能較為準(zhǔn)確掌握“兩帶”發(fā)育高度。將井下仰孔注水試驗與FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)合，既能準(zhǔn)確掌握“兩帶”發(fā)育高度，又能了解導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育特征及規(guī)律，從而可為掌握導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度和規(guī)律提供依據(jù)。

表3 石槽村煤礦導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葘Ρ缺鞹able 3 Comparison of the height of Shicaocun Coal Mine water-conducting fault zone

5 結(jié) 語

1）對比《規(guī)范》與數(shù)值模擬導(dǎo)水?dāng)嗔褞в嬎憬Y(jié)果，《規(guī)范》中的導(dǎo)水?dāng)嗔褞в嬎愎礁m用于石槽村煤礦深埋緩傾斜多煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度的預(yù)計。

2）相同地質(zhì)及開采條件下，采厚越大導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育速度越快。采厚較大的2-2煤開采產(chǎn)生的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨瘸^上方2-1煤導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?。單煤層和雙煤層采空區(qū)上方的裂隙分布形態(tài)均表現(xiàn)為兩側(cè)高中間低的“馬鞍形”。

3）通過綜合分析經(jīng)驗公式、數(shù)值模擬和井下仰孔注水試驗的結(jié)果，得到石槽村煤礦2-1煤和2-2煤層重復(fù)開采區(qū)垮落帶發(fā)育高度25.6 m，垮采比為4.92（采高為兩層煤的綜合采高5.2 m），導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為49.6 m，斷采比為9.54（采高為兩層煤的綜合采高5.2 m）。