多煤層重復(fù)采動(dòng)覆巖破壞高度發(fā)育規(guī)律研究

李友偉，張玉軍，肖 杰

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013； 3.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；4.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

煤層開采后上覆巖層形成“兩帶”或“三帶”破壞形態(tài)，尤其是在多煤層開采時(shí)，重復(fù)采動(dòng)會(huì)引起采動(dòng)裂隙的二次發(fā)育，使得頂板裂隙范圍增大[1，2]。一旦導(dǎo)水裂縫帶觸及含水層，會(huì)造成礦井涌水量的增加，從而威脅礦井的安全生產(chǎn)，因此確定多煤層開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度及覆巖破壞規(guī)律對(duì)于頂板水害防控和預(yù)測具有重要的意義[3-19]。

以往研究豐富了重復(fù)采動(dòng)下覆巖破壞規(guī)律的內(nèi)容，但對(duì)于重復(fù)采動(dòng)下裂隙發(fā)育高度的時(shí)空變化規(guī)律需要進(jìn)一步深入研究。通過現(xiàn)場實(shí)測及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)多煤層重復(fù)采動(dòng)條件下導(dǎo)水裂縫帶高度變化規(guī)律及覆巖破壞特征進(jìn)行了研究，分析了重復(fù)采動(dòng)裂縫帶發(fā)育機(jī)理及導(dǎo)水裂縫帶高度的確定方法，以期對(duì)含水層下多煤層開采的礦井提供一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

公烏素煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市南部，核定生產(chǎn)能力約為260萬t/a，劃分南、北兩個(gè)采區(qū)，走向長壁工作面布置，綜合機(jī)械化開采，全部垮落法管理頂板。其中，北采區(qū)主采9、12、16號(hào)煤，9和12號(hào)煤為綜采一次采全高，煤層平均厚度分別為3.83m和1.14m；16號(hào)煤平均厚度8.33m，距9號(hào)煤80～90m，距12號(hào)煤層36～57m，采法為綜放開采。北采區(qū)1604工作面位于主井東部，煤層傾角15°～25°，平均傾角18°，平均煤厚7.5m，工作面走向1768m、傾向310m，1604工作面上部為9、12煤，厚度分別約為3m、1m。主要含水層為第四系松散巖層孔隙潛水含水層，富水性強(qiáng)，其余含水層富水性弱，因此需要確定裂縫帶高度與含水層位置關(guān)系。礦井水文地質(zhì)情況如圖1所示。

圖1 礦井水文地質(zhì)柱狀

2 覆巖破壞高度的實(shí)測研究

2.1 鉆孔布置

結(jié)合公烏素煤礦采礦地質(zhì)條件、開采順序及地面施工條件等具體情況，布置2個(gè)采后觀測鉆孔：在1604工作面回風(fēng)巷一側(cè)地表布置“兩帶”探測鉆孔LD01(非重復(fù)采動(dòng)條件)；在9煤左一工作面、12煤左一工作面和16煤1604工作面運(yùn)輸巷一側(cè)上部地表布置“兩帶”探測鉆孔LD02(重復(fù)采動(dòng)條件)。鉆孔布置在工作面回采巷道靠近采空區(qū)內(nèi)側(cè)15～20m，在地面施工，終孔層位原則上為16號(hào)煤層底板。覆巖“兩帶”探測鉆孔布置位置如圖2所示。

圖2 覆巖“兩帶”探測鉆孔布置位置

2.2 鉆孔實(shí)測結(jié)果分析

2.2.1 非重復(fù)采動(dòng)實(shí)測結(jié)果分析-LD01

LD01孔沖洗液消耗量與孔深關(guān)系曲線如圖3所示。鉆進(jìn)過程中，鉆孔沖洗液消耗量整體變化幅度較大，在孔深10.20m左右(巖性為泥質(zhì)砂巖和細(xì)粒砂巖)處出現(xiàn)沖洗液漏失量顯著增加現(xiàn)象，判斷此處有原生裂縫發(fā)育，孔深10.20m至37.20m沖洗液漏失量消耗穩(wěn)定，孔深37.20m至50.50m沖洗液漏失量消耗較大，判斷該段進(jìn)入裂縫帶，孔深50.50m處沖洗液完全漏失，采動(dòng)裂縫較發(fā)育。鉆孔鉆進(jìn)至86.10m、91.00m、97.50m、101.20m時(shí)出現(xiàn)多次掉鉆、吸風(fēng)現(xiàn)象，判斷自86.10m進(jìn)入垮落帶。

圖3 LD01鉆孔沖洗液消耗量與孔深關(guān)系曲線

LD01鉆孔孔壁展開如圖4所示。LD01鉆孔采動(dòng)裂縫帶以上地層原生裂縫發(fā)育，以水平狀為主。鉆孔在孔深37.24m處開始出現(xiàn)連續(xù)性的縱向裂隙，表明進(jìn)入采動(dòng)裂縫帶，鉆孔在孔深84.32m處出現(xiàn)連續(xù)較大的空洞，判斷進(jìn)入垮落帶。鉆孔探測至87.40m時(shí)，巖層呈碎塊狀，并且碎石卡在鉆孔中，使得鉆孔電視探頭無法繼續(xù)下降，鉆孔電視探測工作結(jié)束。

結(jié)合鉆孔電視、沖洗液漏失量和鉆探異?，F(xiàn)象綜合判斷，LD01孔的導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)位置孔深為37.20m。根據(jù)16煤實(shí)際生產(chǎn)情況，該孔16煤頂板埋深116.83m，采放煤厚7.50m，導(dǎo)水裂縫帶高度為79.63m，裂采比10.62，垮落帶高度20.03m，垮采比2.67。

圖4 LD01鉆孔部分巖層段孔壁展開

2.2.2 重復(fù)采動(dòng)實(shí)測結(jié)果分析-LD02

LD02鉆孔沖洗液消耗量與孔深關(guān)系曲線如圖5所示。全孔漏失量呈現(xiàn)由小變大的一般性規(guī)律。該孔的鉆探表明，全孔鉆進(jìn)較困難，由于處于地表移動(dòng)周期內(nèi)，淺部巖層仍在移動(dòng)、變形，分別在7～8m、12～13m、32～33m等多處出現(xiàn)下鉆困難和卡鉆現(xiàn)象，判斷原生裂縫發(fā)育，因此淺部地層沖洗液漏失量較大?？咨?10.30至146.20m，鉆孔沖洗液漏失進(jìn)一步加劇，判斷從110.30m進(jìn)入裂縫帶，孔深146.20m，鉆孔沖洗液完全漏失，判斷進(jìn)入裂縫帶底部，接近垮落帶。

LD02鉆孔孔壁展開如圖6所示。LD02鉆孔整體裂隙發(fā)育較明顯，淺部地層(0～90m)裂縫受水平錯(cuò)動(dòng)、拉剪力作用，裂縫以水平狀為主；鉆孔下部地層(110m至終孔)出現(xiàn)較多縱向裂隙，判定孔深111.28m處進(jìn)入導(dǎo)水裂縫帶。鉆孔探測至197.28m時(shí)，由于孔內(nèi)巖石卡孔，探頭無法繼續(xù)下降，鉆孔電視探測工作結(jié)束。

圖5 LD02鉆孔沖洗液消耗量與孔深關(guān)系曲線

圖6 LD02鉆孔部分巖層段的孔壁

結(jié)合鉆孔電視、沖洗液漏失量和鉆探異?，F(xiàn)象綜合判斷，LD02孔揭示的9、12、16煤多煤層開采導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)位置孔深為110.30m，距離16煤頂板113.54m。另外，鉆孔180～201.4m巖段巖芯呈破碎狀，鉆進(jìn)至200.20m時(shí)，出現(xiàn)連續(xù)掉鉆現(xiàn)象，判斷進(jìn)入16煤垮落帶。導(dǎo)水裂縫帶高度為113.54m，裂采比15.14，垮落帶高度23.64m，垮采比3.15。

3 重復(fù)采動(dòng)覆巖破壞特征模擬

3.1 模型建立及方案設(shè)計(jì)

采用3DEC模擬1604綜放工作面回采時(shí)覆巖破壞規(guī)律，建立模型尺寸300m×5m×170m(長×寬×高)，9、12、16煤層相鄰煤層間距為30m、50m，煤層厚度分別為3m、1m、7.5m，模型按各巖層水平處理，整個(gè)模型垂直方向上共模擬了22層巖層，由于實(shí)際巖層柱狀圖存在誤差，對(duì)模型進(jìn)行了簡化處理。模型設(shè)定四周單約束邊界，底部固定，頂部為自由邊界，X軸、Y軸初始水平位移為0，未模擬覆巖替以0.75MPa的補(bǔ)償荷載，巖體破壞準(zhǔn)則采用摩爾庫倫，接觸面采用庫倫滑移模型。將開切眼設(shè)置在距離左邊界100m處，以消除邊界效應(yīng)，從左向右推進(jìn)，每次開挖步距30m，共開挖180m。數(shù)值模型如圖7所示，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖7 數(shù)值模型

為研究16煤采動(dòng)對(duì)覆巖破壞程度的影響，共設(shè)計(jì)兩種方案：方案1單煤層開采，不采9煤和12煤，直接開采16煤，模擬16煤單獨(dú)開采時(shí)覆巖的破斷過程，對(duì)應(yīng)實(shí)測孔LD01的探測情況；方案2三煤層開采，先開采9煤和12煤，頂板覆巖穩(wěn)定后回采16煤，模擬重復(fù)采動(dòng)條件下覆巖破斷過程，對(duì)應(yīng)實(shí)測孔LD02的探測情況。

3.2 采動(dòng)覆巖破壞特征

3DEC離散元數(shù)值模擬軟件可模擬覆巖的垮落破斷過程，通過提取不同開挖步距下覆巖的垮落破斷狀態(tài)，可直觀地判斷裂縫是否貫穿某一覆巖巖層，進(jìn)而可得裂縫帶發(fā)育高度。

3.2.1 單煤層開采覆巖破壞規(guī)律

方案1的16煤開采及方案2的9煤開采均屬于無重復(fù)采動(dòng)，但因各自煤層厚度與頂板巖性的不同，呈現(xiàn)出了不同的覆巖破壞特征。分別提取不同開挖步距下覆巖垮落破斷狀態(tài)，分析垮落帶和裂縫帶的演化過程。對(duì)比分析多煤層覆巖破壞特征，可以反映出重復(fù)采動(dòng)下的影響程度。

方案1單采16煤覆巖破壞特征如圖8所示。工作面推進(jìn)30m時(shí)，頂板泥巖、砂質(zhì)泥巖、中砂巖發(fā)生垮落，此時(shí)覆巖破壞高度為18m，上方巖層未出現(xiàn)裂隙。推進(jìn)至60m時(shí)，垮落至堅(jiān)硬粗砂巖，垮落帶高度達(dá)到最大。隨工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，至90m時(shí)，上方巖層裂隙發(fā)育，并不斷向上發(fā)展，直至推進(jìn)至120m時(shí)，裂隙發(fā)育高度達(dá)到最大，而之后的推進(jìn)過程，裂隙區(qū)域雖逐漸擴(kuò)大，但裂隙高度未發(fā)生明顯的變化。

圖8 方案1單采16煤覆巖破壞特征

方案2中9煤開采覆巖破壞特征如圖9所示。當(dāng)工作面推進(jìn)30m時(shí)，直接頂(泥巖)隨即開始垮落填充采空區(qū)，覆巖破壞高度為5m，基本頂暫未有明顯裂隙。推進(jìn)至60m時(shí)，覆巖破壞向上傳遞至砂質(zhì)泥巖，基本頂出現(xiàn)裂縫并開始下沉。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，裂縫發(fā)育高度不斷增加，在工作面推進(jìn)150m時(shí)達(dá)到充分采動(dòng)，距煤層頂板50m處的砂質(zhì)泥巖頂界面出現(xiàn)明顯的離層，由此判斷裂縫帶高度為50m，垮落帶高度為13m，裂隙發(fā)育形態(tài)呈現(xiàn)“梯形”分布。隨后在下方12煤和16煤重復(fù)采動(dòng)的作用下，中間區(qū)域裂隙出現(xiàn)壓實(shí)閉合的現(xiàn)象，裂隙發(fā)育高度變化不明顯。

圖9 方案2中9煤開采覆巖破壞特征

3.2.2 重復(fù)采動(dòng)覆巖破壞規(guī)律

按下行開采順序，依次回采9煤、12煤、16煤。分析回采16煤時(shí)頂板覆巖破壞特征及對(duì)上部采空區(qū)覆巖破壞狀態(tài)的影響，提取不同開挖步距下巖層的垮斷情況，直觀判斷裂縫帶的發(fā)育高度。

重復(fù)采動(dòng)覆巖破壞特征如圖10所示。9煤和12煤已被采空，在采空區(qū)頂板兩側(cè)裂縫發(fā)育明顯且為離散裂隙，中間區(qū)域在重復(fù)采動(dòng)作用下呈現(xiàn)閉合狀態(tài)，而9煤和12煤厚度相對(duì)較小，形成的裂縫區(qū)域未產(chǎn)生貫通的現(xiàn)象，因此各自裂縫帶發(fā)育高度互不影響。當(dāng)16煤回采時(shí)，在工作面推進(jìn)前90m，巖層垮落情況與方案1無明顯區(qū)別，而在90m至120m推進(jìn)期間，頂板裂縫發(fā)育明顯，并與上組煤層采空區(qū)上方的裂縫貫通，導(dǎo)致16煤回采形成的裂縫帶高度明顯增加。重復(fù)采動(dòng)造成間隔層的破斷下沉，從而導(dǎo)致上煤層覆巖垮落帶、裂縫帶的二次下沉破壞，下部煤層開采覆巖裂縫與上部采空區(qū)覆巖裂縫連通，并按照上部煤層初采覆巖裂縫發(fā)展趨勢發(fā)展，從而加大了裂縫帶發(fā)育高度。

圖10 重復(fù)采動(dòng)覆巖破壞特征

3.3 采動(dòng)覆巖破壞高度

不同開采方案覆巖破壞高度如圖11所示，由圖11可知，16煤層為厚煤層，最終形成的垮落帶和裂縫帶相對(duì)較高。方案1單煤層開采，在距離煤層78m處的細(xì)砂巖頂界面出現(xiàn)離層，離層上方裂隙未出現(xiàn)，下方裂隙明顯，因此判定單煤層開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度為78m，裂采比為10.4，垮落區(qū)域明顯，高度為26m，垮采比為3.5。方案2多煤層開采，9煤和12煤回采后，各自采空區(qū)上方巖層形成一定的破壞區(qū)域，裂縫帶未形成貫通，但在回采16煤強(qiáng)采動(dòng)作用下，16煤與12煤采空區(qū)裂縫帶首先形成貫通，裂縫帶高度不斷發(fā)育，最終導(dǎo)致9煤、12煤、16煤采空區(qū)裂縫帶貫通，在9煤采空區(qū)上方靠近邊緣區(qū)域出現(xiàn)對(duì)稱離層，離層下方裂隙區(qū)域明顯。因此多煤層回采情況下的導(dǎo)水裂縫帶高度等于9煤上方裂縫帶頂點(diǎn)到16煤的距離，導(dǎo)水裂縫帶高度為120m，裂采比16.0。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較為接近。

圖11 不同開采方案覆巖破壞高度

4 重復(fù)采動(dòng)裂隙演化機(jī)理及高度計(jì)算

通過分析上述現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬結(jié)果，可知重復(fù)開采受煤層間距、煤層厚度、間隔層巖性等多因素的影響，覆巖破壞及裂隙演化規(guī)律較為復(fù)雜。對(duì)此，簡化條件建立簡易重復(fù)采動(dòng)模型，如圖12所示，分析重復(fù)采動(dòng)裂隙演化過程，并根據(jù)重復(fù)采動(dòng)的影響程度，提出相應(yīng)的采動(dòng)裂縫高度計(jì)算方法。

4.1 重復(fù)采動(dòng)裂隙演化機(jī)理

以三煤層重復(fù)采動(dòng)為例，按一般下行煤層開采順序，上煤層開采后出現(xiàn)了自由空間，頂板巖層處于懸空狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到巖層的極限跨距時(shí)，巖層發(fā)生垮落或斷裂。在平衡的過程中由于巖石的碎脹性自由空間逐漸減少，直至自由空間不足于巖層產(chǎn)生破斷下沉為止，此時(shí)裂縫帶達(dá)到最高。如圖12(a)可知，上部煤層開采后，覆巖形成垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶，垮落帶與裂縫帶合稱為導(dǎo)水裂縫帶。如圖12(b)所示，中部煤層開采后，相應(yīng)上方間隔層破斷發(fā)生垮落和斷裂，與上部煤層已形成的裂縫帶連接，造成上部煤層舊垮落帶和裂縫帶的下沉，從而增加了導(dǎo)水裂縫帶的高度。如圖12(c)所示，下部煤層開采后，采動(dòng)裂隙會(huì)出現(xiàn)中部煤層回采后類似的情況，但由于垮落帶巖石的碎脹性、不規(guī)則性和斷裂帶密實(shí)度差異的特征，導(dǎo)致不同煤層上方巖層的下沉量相差較大，下沉量出現(xiàn)自下而上逐漸減少的現(xiàn)象，但總體裂縫帶高度有所增加。

圖12 重復(fù)采動(dòng)覆巖破壞演化機(jī)理

4.2 重復(fù)采動(dòng)裂隙發(fā)育高度計(jì)算方法

以雙煤層重復(fù)采動(dòng)為例，依據(jù)各煤層裂縫帶空間的相對(duì)位置，分為3種情況，裂縫帶不重疊、裂縫帶重疊垮落帶不重疊、垮落帶重疊。

裂隙帶空間上不發(fā)生重疊時(shí)(裂縫未貫通)，各煤層單獨(dú)開采時(shí)裂縫帶發(fā)育高度，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算即可。裂縫帶重疊垮落帶不重疊時(shí)(裂縫貫通)，即煤層的間距h大于下煤層的垮落帶高度時(shí)，此時(shí)重復(fù)采動(dòng)影響程度中等，裂縫帶高度可按各煤的厚度計(jì)算，并以上煤層頂板裂隙高度為重復(fù)采動(dòng)時(shí)的裂縫帶高度。如圖13所示，h1、h2分別為下、上煤層單層開采時(shí)導(dǎo)水裂縫帶高度，H為重復(fù)采動(dòng)下最終導(dǎo)水裂縫帶高度。

圖13 雙煤層導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算模型

兩煤層垮落帶重疊時(shí)，即煤層間距h小于下煤層的垮落帶高度，此時(shí)重復(fù)采動(dòng)影響程度較大，采用綜合采厚計(jì)算裂縫帶發(fā)育高度，綜合采厚是兩煤層間隔層的下沉值與上煤層的厚度之和。綜合采厚和裂隙帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)采用文獻(xiàn)[20]給出的表達(dá)式：

Meq=Mu+m

(1)

式中，Meq為綜合采厚，m；Mu為上煤層采厚，m；m為間隔層下沉值，mm；Hf為重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度，m。

根據(jù)公烏素煤礦的實(shí)際煤層地質(zhì)條件，各煤層頂板巖石強(qiáng)度屬于中硬覆巖類型，根據(jù)《“三下”采煤規(guī)范》中的相關(guān)公式[21]，9、12和16煤單層開采后形成的垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度按照式(3)和式(4)計(jì)算：

式中，∑M為累計(jì)采厚，m；Hm為垮落帶高度，m；Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m。

計(jì)算單煤層開采覆巖破壞高度見表2。

通過單層開采導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算高度可知，公烏素各煤層之間屬于裂縫帶重合垮落帶不重合的情況，按上述裂縫帶高度計(jì)算原理，確定9、12、16煤開采時(shí)導(dǎo)水裂縫帶高度為137.57m，由于理論計(jì)算未考慮實(shí)際工程中重復(fù)采動(dòng)裂縫閉合情況，導(dǎo)致理論計(jì)算值較實(shí)測和數(shù)值計(jì)算結(jié)果偏大。

表2 單煤層開采覆巖破壞高度預(yù)計(jì)結(jié)果

5 結(jié) 論

1)現(xiàn)場實(shí)測了公烏素煤礦16煤，非重復(fù)采動(dòng)及重復(fù)采動(dòng)條件下的導(dǎo)水裂縫帶高度：非重復(fù)采動(dòng)條件下，導(dǎo)水裂縫帶高度為79.63m，裂采比10.62，垮落帶高度20.03m，垮采比2.67；重復(fù)采動(dòng)條件下，導(dǎo)水裂縫帶高度為113.54m，裂采比15.14，垮落帶高度23.64m，垮采比3.15。采用鉆孔電視與鉆孔沖洗液漏失量相結(jié)合的實(shí)測法更加準(zhǔn)確。

2)數(shù)值模擬分析了重復(fù)和非重復(fù)采動(dòng)覆巖破壞特征，重復(fù)采動(dòng)覆巖裂隙穿越間隔層與上部采空區(qū)覆巖裂隙連通，并按照上部煤層初采覆巖裂隙趨勢發(fā)展；采空區(qū)兩側(cè)裂隙發(fā)育明顯且為離散裂隙，中部裂隙閉合；數(shù)值預(yù)計(jì)與實(shí)測結(jié)果較為接近。

3)通過分析重復(fù)采動(dòng)裂隙演化機(jī)理，下部煤層的重復(fù)采動(dòng)易使間隔層斷裂下沉，從而導(dǎo)致上煤層頂板垮落帶、裂隙帶的二次下沉破壞，進(jìn)而增加裂縫帶高度；提出了3種不同程度的重復(fù)采動(dòng)裂縫帶發(fā)育高度的計(jì)算方法，由于未考慮實(shí)際工程中裂縫閉合情況，理論計(jì)算公烏素煤礦重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度偏高。