特厚煤層綜放開采中導水裂隙帶高度研究

吳文曉

（晉能控股集團朔州煤電公司，山西 朔州 038300）

引言

朔州煤礦屬于寧武煤田是跨平魯、朔城區(qū)的大型煤礦，含煤地層為石炭-二疊紀及侏羅系。賦存的地層有奧陶紀、石炭系、二疊系，地形北翼比南翼更陡，傾角分別約為30°～60°和15°～30°。由于地殼運動的影響，產生了F1 和FA 斷層在北部煤田，從而破壞向斜的完整性。地殼運動的影響也可能導致了北翼部分或全部煤巖的缺失。寧武煤田煤層賦存三層，即“采煤層”和A 煤層、B 煤層。主層為“采煤層”，是一種罕見的單層特厚煤層。最大厚度130 m，最小厚度8 m，平均厚度50 m，最大埋深1 300 m，目前煤田礦區(qū)已采用綜采放頂煤開采方法。關于導水裂隙帶高度研究文獻[1]采用現場觀測法以某礦工作面為例闡述測量導水裂隙帶高度的流程。文獻[2]確定了深埋近露頭煤層開采后導水裂隙帶發(fā)育高度和分布形態(tài)，為煤層露頭防水煤柱留設提供了直接依據。文獻[3]采用井下打仰上孔測漏水量方法,經驗公式預計和數值模擬方法,開展了上覆巖層導水裂隙帶高度的研究工作。文獻[4]分析了導水裂隙帶高度計算經驗公式來源背景,闡明了單因素計算導水裂隙帶高度的經驗公式不合理性及其應用的局限性,推導出了考慮開采厚度、開采深度、工作面跨度、巖石的力學性質、巖層的組合特征、含水層水壓等因素的導水裂隙帶理論計算公式。文獻[5]采用BP 人工神經網絡方法,提取8 個預測指標探討研究了頂板導水裂隙帶高度預測方法。本文從特厚煤層綜放開采中導水裂隙帶高度這個方向進行研究。

1 綜放開采導水裂隙帶高度數值模擬分析

1.1 模型控制范圍的設計

圖1 為礦區(qū)5200e 斷面工程地質及分布情況。采用Druck-Prager 彈塑性屈服準則對模型進行分析，5200e 截面以中心出現，向南北兩側分別擴展500 m。其長3 000 m，高1 275 m，沿深度模型幾何尺寸為3 000 m×1 000 m×1 275 m。數值模型分為12 024 個單元和51 165 個節(jié)點。模擬挖掘有4 個步驟。寧武煤田為緩傾斜厚煤層，采取開采方向為南北向推進。南部礦區(qū)自20 世紀50 年代以來就沒有使用過，其余大部分地區(qū)采用長壁采礦法。由于生產時間的近似連續(xù)性，新老礦區(qū)現在相鄰，因此，老礦區(qū)上覆巖層平衡狀態(tài)受到新礦區(qū)的影響，產生疊加效應。另一方面，老礦區(qū)的活化作用于新礦區(qū)，構成一個“鏈式”系統(tǒng)和動態(tài)變化過程,上覆巖體的移動變形機制沒有準確的數學模型來表達。為了使模擬結果更加真實，本文模擬了一個實際的采礦順序和過程，并將模擬結果與工程地質特征數據相結合。

圖1 地層和地質構造圖

1.2 5200e 斷面數值模擬結果與分析

從數值模擬中可以得出一些規(guī)律（見第117 頁圖2～圖5）。

圖2 開采第4 步Y 方向應力分布等高線圖

圖3 開采第4 步X 方向主應力矢量分布

1）隨著采礦空間的不斷增大，斷面移動和破壞的范圍也在增大，這與理論計算的結果基本相同。

2）模擬結果表明，新開挖對老礦的移動盆地有影響，即第二步開挖對第一步開挖引起的移動和破壞區(qū)有擾動和破壞作用。這也體現在兩個方面：一是擾動區(qū)域的重疊對原平衡體的破壞作用。后續(xù)開挖會干擾或破壞前期開挖的應力狀態(tài)，從而破壞前期開挖的平衡；二是原有破壞區(qū)域和活動范圍增大，主要是由于后續(xù)開挖對原有開挖平衡體的擾動所致。之前的移動區(qū)域繼續(xù)移動，直到新的平衡出現。

分析應力場的動態(tài)演化更容易理解，因為隨后的擾動作用改變了原應力場的分布。假設原始巖石應力狀態(tài)為{σ0}，然后第一次開采引起的應力變化為{ΔσL}，當巖體達到穩(wěn)定狀態(tài)時，應力狀態(tài){σ1}={σ0}+{ΔσL}，如果第二次開采引起的應力變化為{ΔσD1}，由于雙重開采影響域的重疊部分，則巖體應力場[5]為{σ2}={σ1}+{ΔσD1}。如果按不同的開采時間劃分應力變化，則開采引起的應力變化為 {ΔσD2}，{ΔσD3}…{ΔσDi-1}。巖體應力場狀態(tài)為{σ3}={σ2}+{ΔσD2}，{σ4}={σ3}+{ΔσD3}…{σi}={σi-1}+{ΔσDi-1}，從而構成一個連續(xù)動態(tài)疊加系統(tǒng)，應力變化所產生的每一步開采{ΔσDi}影響先前的應力場{Δσi}，從而構成一個動態(tài)的變化過程。

3）表1 中破壞高度與開采厚度的比值變化平均

表1 對比5200e 斷面破壞高度與采厚的關系

值為6.2。破壞高度與開采厚度的對比表明，隨著開采步驟的增加，破壞高度與開采厚度的比值略有增大。這是因為后續(xù)的采礦活動對以前的礦區(qū)具有破壞性影響，這是符合實際損害規(guī)律的。

4）上覆巖體的破壞高度隨開挖體積或開采強度的增大而增大。

5）采深增加有正、負接觸應力向下，即離層位置逐漸向下，但是，如果把整個挖掘過程結合起來，可能會留下幾個分離區(qū)域。表2 模擬結果顯示，第1、2、3、4 步開挖離層距離地表分別為120 m～200 m、320 m～515 m、520 m 和500 m～580 m。具體位置如圖4、圖5所示。其中，距地表距離最短為120 m。通過鉆孔調查發(fā)現，離層位于地下130 m 處，與模擬結果基本一致。

表2 開挖步長與橫坐標層離地表高度的關系

圖4 開挖后上覆巖體破壞高度分區(qū)圖

圖5 開挖后上覆巖體沿深度的應力分布

2 結論

特厚煤層垮落條件下導水裂隙帶高度及上覆巖體破壞性質難以確定。本文以寧武煤礦為例，應用數值模擬方法研究了分層崩落法導水裂隙帶的分布規(guī)律。通過與實際鉆井觀測數據的對比分析發(fā)現，其結果與實際結果基本一致。因此，數值模擬方法可用于確定危險區(qū)，保證礦山安全開采。