煤層過溝開采覆巖破壞特征及地表水入滲規(guī)律研究

蔚 波，王 皓，尚宏波

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077）

隨著我國煤炭開采重心的轉(zhuǎn)移，西部礦區(qū)已成為我國煤炭資源供應(yīng)的主要基地[1]。該區(qū)域煤層開采過程中，導(dǎo)水?dāng)嗔褞г跍\埋及過溝區(qū)域發(fā)育至地表，造成地表破壞，地表水體沿著導(dǎo)水?dāng)嗔褞霛B至采煤工作面，對礦井安全開采造成嚴(yán)重的威脅。同時(shí)因西部礦區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，開采造成地表水及地下水流失對礦山生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[2-3]。因此，為實(shí)現(xiàn)煤炭資源開采與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)同發(fā)展，研究煤層過溝開采覆巖破壞特征及地表水體入滲規(guī)律對于確保工作面安全高效開采具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4-6]。

針對上述問題，諸多科技工作者在該領(lǐng)域開展了大量的研究工作。錢鳴高[7]等指出了開采擾動(dòng)必然引起巖層運(yùn)動(dòng)和地層內(nèi)應(yīng)力場與裂隙場的改變，從而影響礦壓顯現(xiàn)、地下水流失和地表破壞等安全與環(huán)境問題；范立民[8-10]等通過資料收集與實(shí)地調(diào)查的方法，研究了榆神府礦區(qū)高強(qiáng)度煤層開采對地下水的影響，得到了導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ш秃畬犹卣魇敲簩娱_采過程中控制地下水位變化幅度和范圍的關(guān)鍵所在；黃慶享[11-12]等通過物理模擬與地裂縫實(shí)測分析，揭示了覆巖“上行裂隙”和“下行裂隙”的發(fā)育規(guī)律；王新豐[13]等采用數(shù)值模擬、物理實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場監(jiān)測的手段，對采場覆巖運(yùn)移及裂隙分布的動(dòng)態(tài)演化特征和時(shí)空耦合規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，探討了覆巖位移場及頂板裂隙場的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制；賈后省[14]等通過相似模擬、理論分析及現(xiàn)場實(shí)測的綜合研究方法，分析了淺埋薄基巖采煤工作面上覆巖層縱向裂隙“張開-閉合”的規(guī)律；楊達(dá)明[15]等通過實(shí)驗(yàn)測定了工作面頂板覆巖的微觀結(jié)構(gòu)及宏觀力學(xué)性質(zhì)，研究了工作面覆巖裂隙及結(jié)構(gòu)特征；馬立強(qiáng)[16]等分析了淺埋煤層長臂工作面保水開采地表水位的變化，研究結(jié)果為淺埋煤層礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)和提高煤炭資源回收率提供借鑒；任艷芳[17]等采用物理相似模擬，分析了淺埋深長臂工作面覆巖破斷特征；黃炳香[18-20]等研究了破斷裂隙的貫通度，同時(shí)分析了斷層對導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度的影響；Wu Q[21-22]等在分析了煤層開采頂板巖層變形破壞的基礎(chǔ)上，討論了煤層開采引發(fā)的礦井突水潰沙、地表裂縫塌陷、水源地破壞等問題。

上述研究主要從頂板覆巖破壞規(guī)律、導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育情況、保水開采地表水位變化規(guī)律、煤層開采礦井突水潰沙等方面進(jìn)行了理論研究和工程實(shí)踐，但目前關(guān)于煤層過溝開采覆巖破壞特征及地表水入滲規(guī)律的研究較少。為此，針對煤層過溝開采過程中存在的問題，研究覆巖破壞特征及地表水體沿導(dǎo)水?dāng)嗔褞霛B采煤工作面的過程，旨在為工作面安全高效的回采提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

研究區(qū)屬于鄂爾多斯黃土高原，地表被黃土和風(fēng)積沙大面積覆蓋，地形總趨勢是西南高，東北低，海拔約+1 110～+1 346 m，高差236 m。年平均降水量408 mm，最大降水量247.5 mm/月，總蒸發(fā)量為1 824.7～2 204.6 mm/a。所選研究區(qū)為準(zhǔn)格爾礦區(qū)典型工作面，開采過程中地表溝谷內(nèi)的季節(jié)性河流穿過該工作面，地表河流及典型工作面位置如圖1。

圖1 地表河流及典型工作面位置Fig.1 Location of surface river and typical working face

研究區(qū)內(nèi)的典型工作面主采煤層為6#煤，煤層傾角為2°～6°，為近水平煤層，煤層厚度為5.66～25.51 m，平均厚度為15.59 m，埋深166.80～478.00 m。通過鉆孔資料分析，研究區(qū)內(nèi)的主要含水層包括第四系孔隙含水層、白堊系孔隙裂隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層及奧陶紀(jì)巖溶裂隙含水層。其中第四系孔隙含水層、白堊系孔隙裂隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層位于6#煤之上。根據(jù)地面鉆孔勘探資料，統(tǒng)計(jì)典型工作面及附近的7 個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)中各巖層厚度并取平均值，得到的典型工作面地層柱狀圖如圖2。

圖2 典型工作面地層柱狀圖Fig.2 Typical working face strata histogram

野外觀測發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)典型工作面回采過程中導(dǎo)水?dāng)嗔褞б呀?jīng)發(fā)育至地表，在雨季時(shí)溝谷內(nèi)將會(huì)形成季節(jié)性河流，地表水體沿著導(dǎo)水?dāng)嗔褞нM(jìn)入礦井，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。因此，研究典型工作面煤層過溝開采覆巖破壞特征及地表水的入滲規(guī)律對于礦井安全回采具有重要意義。

2 煤層過溝開采覆巖破壞特征

2.1 地層物理力學(xué)性質(zhì)

獲取地層物理力學(xué)參數(shù)是煤層過溝開采覆巖破壞特征研究的基礎(chǔ)。為更清楚的認(rèn)識各地層的性質(zhì)，通過典型工作面地面鉆孔對不同埋深的地層取樣，并進(jìn)行相關(guān)的物理力學(xué)性質(zhì)測試，得到的各地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各地層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Formation physical and mechanical parameters

2.2 煤層過溝開采覆巖破壞數(shù)值模擬

基于典型工作面工程地質(zhì)條件及鉆孔資料，采用UDEC 建立符合實(shí)際地層的數(shù)值模型，研究過溝開采后覆巖破壞特征。由圖1 可知，典型工作面上方有河流穿過，當(dāng)煤層開采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育至地表，溝谷內(nèi)的季節(jié)性河流將會(huì)沿著斷裂帶進(jìn)入礦井。工作面上方溝谷是季節(jié)性河流水體進(jìn)入礦井的主要區(qū)域，因此選取溝谷附近區(qū)域并按照地層的綜合柱狀圖，建立長度600 m、高度333.52 m 的二維數(shù)值模型。根據(jù)工作面上方實(shí)際溝谷位置及深度，模型中設(shè)置2 處溝谷，溝谷1 深10 m，溝谷2 深6 m，煤層過溝開采覆巖采動(dòng)數(shù)值模型如圖3。

圖3 煤層過溝開采覆巖采動(dòng)數(shù)值模型Fig.3 Numerical model of overburden mining in coal seam mining through gully

模型左右邊界、下邊界為位移固定，左右邊界施加圍壓，模擬采場實(shí)際受力情況。模型主要分析煤層過溝開采覆巖破壞特征，模擬方案為自右向左走向推采，考慮模型邊界效應(yīng)，預(yù)留煤柱100 m，每次推采50 m，共推采300 m。不同推采距離下覆巖破壞特征如圖4。

圖4 不同推采距離下覆巖破壞特征Fig.4 Failure characteristics of overburden under different advancing distances

由圖4 可以看出，當(dāng)工作面推采至50 m 時(shí)，頂板裂隙開始發(fā)育，基本頂上部出現(xiàn)離層現(xiàn)象，采空區(qū)中部出現(xiàn)少量縱向破斷裂隙，隨著工作面繼續(xù)推采，直接頂泥巖隨采隨落。當(dāng)工作面推采至100 m 時(shí)，基本頂發(fā)生初次垮落，即出現(xiàn)初次來壓，此時(shí)斷裂帶高度約為98 m。隨著工作面推采距離的繼續(xù)增加，基本頂發(fā)生周期性垮落，覆巖垮落高度及斷裂帶發(fā)育高度也隨之發(fā)生變化。當(dāng)工作面推采至200 m時(shí)，頂板裂隙繼續(xù)發(fā)育，斷裂帶發(fā)育至地表溝谷2處，推采至300 m，斷裂帶發(fā)育至地表溝谷1 處，此時(shí)斷裂帶直接貫穿地表，采空區(qū)中部由于礦山壓力的作用形成壓實(shí)區(qū)，壓實(shí)區(qū)采動(dòng)裂隙密度減少。由于該地層屬于軟硬相間的地層結(jié)構(gòu)，使得采場上方采動(dòng)裂隙較為發(fā)育，特別是切眼和工作面上方區(qū)域，采動(dòng)裂隙發(fā)育范圍較大，采動(dòng)裂隙主要集中在切眼和工作面上方巖體。煤層開采后，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育至地表，溝谷內(nèi)的季節(jié)性河流水體沿著導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入礦井，造成災(zāi)害性的突水事故。數(shù)值計(jì)算得到的導(dǎo)水裂隙帶的最大高度為230～250 m。同時(shí)，采用鉆孔沖洗液漏失量法對過溝開采典型工作面導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨冗M(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，通過井下向工作面施工仰斜鉆孔，沿鉆孔進(jìn)行分段封堵注水，測定鉆孔各段的漏失量，通過分析鉆孔漏失量實(shí)測數(shù)據(jù)，最終確定過溝開采典型工作面現(xiàn)場實(shí)測的最大導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?25～245 m。模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本吻合，表明建立的煤層過溝開采覆巖破壞數(shù)值模型是可靠的，能夠?yàn)榈乇硭霛B規(guī)律研究提供基礎(chǔ)。

3 煤層過溝開采地表水入滲規(guī)律

3.1 地表水入滲模型

煤層開采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞贤ǖ乇恚乇硭w發(fā)生漏失，其中溝谷內(nèi)的季節(jié)性河流會(huì)沿著導(dǎo)水?dāng)嗔褞нM(jìn)入礦井，對礦井的安全生產(chǎn)造成威脅。

3.1.1 過溝開采覆巖破壞采動(dòng)裂隙提取

為研究煤層過溝開采地表水沿?cái)嗔褞霛B規(guī)律，探究地表水入滲礦井水量。以煤層過溝開采覆巖破壞特征數(shù)值模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，選取50、100、200、300 m 4 種推采距離，提取覆巖破壞形成的采動(dòng)裂隙，煤層過溝開采覆巖采動(dòng)裂隙提取如圖5。

圖5 煤層過溝開采覆巖采動(dòng)裂隙提取Fig.5 Extraction of mining induced fractures in overburden of coal seam through gully

由圖5 可以看出，煤層開采后，頂板巖層移動(dòng)變形產(chǎn)生張開裂隙和閉合裂隙。圖5 中黑色代表張開裂隙，紅色代表閉合裂隙，其中張開裂隙包括了巖層離層裂隙和穿層裂隙。隨著推采距離增加，導(dǎo)水?dāng)嗔褞е饾u向上發(fā)育，推采至200 m 時(shí)，導(dǎo)水?dāng)嗔褞贤ǖ乇?。?dāng)導(dǎo)水?dāng)嗔褞贤ǖ乇砗?，地表水體以導(dǎo)水?dāng)嗔褞槿霛B通道進(jìn)入采煤工作面造成礦井涌水。

3.1.2 模型和參數(shù)及邊界條件

為進(jìn)一步研究過溝開采地表水沿導(dǎo)水裂隙帶入滲規(guī)律，采用COMSOL 數(shù)值軟件，將圖5 中提取得到的采動(dòng)裂隙導(dǎo)入，構(gòu)建煤層過溝開采地表水入滲數(shù)值計(jì)算模型，研究地表水入滲規(guī)律。以推采50 m和300 m 為例，地表水入滲數(shù)值計(jì)算模型如圖6。

圖6 地表水入滲數(shù)值計(jì)算模型Fig.6 Numerical model of surface water infiltration

地表水主要沿著采動(dòng)形成的斷裂帶進(jìn)入礦井，其余采動(dòng)裂隙未溝通地表的區(qū)域地表水很難進(jìn)入礦井。為簡化模型，可將除采動(dòng)裂隙外的區(qū)域視作1 個(gè)整體，并定義整個(gè)地層的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)地?cái)?shù)值計(jì)算。根據(jù)現(xiàn)場注水試驗(yàn)，測試得到滲透系數(shù)，取平均值定義數(shù)值模型中地層滲透系數(shù)為0.034 m/d。按照表1中的各巖層的孔隙率取其平均值，定義整個(gè)地層孔隙率為0.05。

模型上邊界設(shè)置2 處溝谷，當(dāng)雨季來臨時(shí)，溝谷內(nèi)形成季節(jié)性河流，雨季時(shí)實(shí)測溝谷內(nèi)的水位約為1 m。因此，按照實(shí)際情況，模型溝谷處的邊界設(shè)定為1 m 的水頭，模型左右邊界與底部邊界設(shè)置為無流動(dòng)邊界。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

通過采動(dòng)裂隙提取與數(shù)值模型構(gòu)建，對不同推采距離下的地表水入滲模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析煤層過溝開采地表水入滲規(guī)律。工作面推采至200 m，采動(dòng)裂隙溝通地表溝谷。因此，以工作面推采距離200、300 m 的2 種工況為例，給出的不同推采距離下地表水入滲規(guī)律如圖7。

由圖7 可以看出，紅色表示采動(dòng)裂隙中地表水的體積分?jǐn)?shù)為100%，即地表水充滿采動(dòng)裂隙，藍(lán)色表示地表水的體積分?jǐn)?shù)為0，即沒有地表水進(jìn)入。工作面推采200 m 時(shí)，采動(dòng)裂隙發(fā)育至地表溝谷2。當(dāng)t=1 h 時(shí)，溝谷2 中的地表水開始沿采動(dòng)裂隙入滲至工作面，工作面及上方大裂隙中地表水的體積分?jǐn)?shù)明顯大于其余裂隙。隨著時(shí)間增加，采動(dòng)裂隙中的地表水量逐漸增大，其在采動(dòng)裂隙中的體積分?jǐn)?shù)隨之增加。工作面推采300 m 時(shí)，采動(dòng)裂隙發(fā)育至地表溝谷1，溝谷內(nèi)的地表水沿采動(dòng)裂隙入滲至工作面，并在工作面及上方大裂隙中匯聚，隨著時(shí)間增加，采動(dòng)裂隙及工作面的地表水體積分?jǐn)?shù)逐漸增加并趨于穩(wěn)定。

圖7 不同推采距離下地表水入滲規(guī)律Fig.7 Infiltration law of surface water under different advancing mining distances

為進(jìn)一步量化地表水進(jìn)入采煤工作面的水量，對工作面域內(nèi)Ω 的流速u（m/h）進(jìn)行實(shí)時(shí)積分，即Q=?uaΩ，得到地表水入滲工作面的水量Q（m3/h）。得出的不同推采距離下采煤工作面水量隨時(shí)間變化曲線如圖8。

圖8 不同推采距離下采煤工作面水量隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Variation curves of water volume in coal face with time under different advancing distances

由圖8 可知，當(dāng)工作面推采至50 m 時(shí)，采動(dòng)裂隙未溝通地表，地表水未能進(jìn)入工作面，因此工作面的水量為0 m3/h。當(dāng)工作面推采至200 m 時(shí)，采動(dòng)裂隙溝通地表，地表水沿裂隙入滲至工作面，水量增加至10.4 m3/h 左右后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。同樣地，當(dāng)工作面推采至250、300 m 時(shí)，地表水入滲工作面的水量分別增加至14.3、19.7 m3/h 左右后達(dá)到穩(wěn)定。此外，隨著推采距離的增加，地表水入滲至工作面的穩(wěn)定水量相應(yīng)地增大，這是因?yàn)殡S著推采距離的增加，上覆巖層采動(dòng)裂隙發(fā)育更為充分，形成的導(dǎo)水通道較多，地表水入滲至工作面的水量更多。

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的可靠性，以工作面推采300 m 為例，對比分析現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值計(jì)算得到的數(shù)值，數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測采煤工作面水量對比曲線如圖9。

圖9 數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測采煤工作面水量對比曲線Fig.9 Comparison curves between numerical calculation and field measurement of water quantity in coal face

由圖9 可以看出，隨著時(shí)間的增長，數(shù)值計(jì)算得到的工作面水量首先快速增大后逐漸穩(wěn)定，推采300 m 后工作面最終穩(wěn)定后的水量為19.7 m3/h?，F(xiàn)場采用水泵排量法測定了采煤工作面的水量，實(shí)測工作面穩(wěn)定水量為20.7 m3/h?，F(xiàn)場實(shí)測水量略高于計(jì)算值，分析原因主要是數(shù)值計(jì)算中的水量只包含地表水入滲工作面的情況，實(shí)測水量中除地表水外，上覆含水層中的殘余水會(huì)沿著采動(dòng)裂隙進(jìn)入工作面，雖然煤層開采前對上覆含水層進(jìn)行了提前疏干，但仍可能殘留少許水量，因此造成實(shí)測水量略高于數(shù)值計(jì)算水量?，F(xiàn)場實(shí)測與計(jì)算的工作面水量相差不大，表明數(shù)值計(jì)算得到的地表水入滲工作面的水量具有一定的可靠性。

4 結(jié) 語

1）基于研究區(qū)典型工作面工程地質(zhì)條件及地層性質(zhì)，采用UDEC 建立了煤層過溝開采數(shù)值模型。隨著工作面推采，導(dǎo)水?dāng)嗔褞е饾u向地表發(fā)育，當(dāng)工作面推采至200 m 時(shí)，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育至地表。數(shù)值計(jì)算中導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨葹?30～250 m，現(xiàn)場實(shí)測導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?25～245 m，數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本吻合。

2）以煤層過溝開采覆巖破壞數(shù)值模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，提取覆巖采動(dòng)裂隙并導(dǎo)入COMSOL，構(gòu)建了煤層過溝開采地表水入滲模型，分析了工作面不同推距離下的地表水入滲規(guī)律。當(dāng)工作面推采200、250、300 m 時(shí)，地表水沿裂隙入滲至采煤工作面，穩(wěn)定后的水量分別為10.4、14.31、9.7 m3/h。以工作面推采300 m 為例，對比分析了數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測的穩(wěn)定水量，數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測穩(wěn)定后的水量分別為19.7、20.7 m3/h，兩者所得結(jié)果相差較小。