近距離煤層群綜放開采覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律

王紅勝，張勝偉，李 斌，李 磊，郭衛(wèi)彬，肖雙雙

(1．西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2．西安科技大學(xué) 沖擊地壓防控研究所，陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著工作面的推進(jìn)，覆巖結(jié)構(gòu)受到破壞。覆巖的變形破壞會(huì)形成垮落帶和裂隙帶，這是良好的導(dǎo)水通道，容易造成礦井涌水量增加，甚至造成礦井突水等嚴(yán)重水災(zāi)。相較于單一煤層采動(dòng)覆巖破壞及導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律，近距離煤層群重復(fù)采動(dòng)覆巖破壞及導(dǎo)水裂隙演化更為繁復(fù)。

眾多學(xué)者對(duì)工作面覆巖破斷特征及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律展開了研究，其中文獻(xiàn)[1-3]分析模擬了隔水層覆巖破斷規(guī)律、導(dǎo)水裂隙發(fā)育的過程，文獻(xiàn)[4]運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬分析了海底礦山巖體穩(wěn)定性并給出礦山合理巖柱寬度。文獻(xiàn)[5]針對(duì)孟巴礦開采地質(zhì)條件，提出了上保下疏開采模式，定義了協(xié)調(diào)減損開采科學(xué)涵義。文獻(xiàn)[6-8]采用物理模擬和數(shù)值模擬，對(duì)覆巖破斷規(guī)律及裂隙演化機(jī)理展開了研究。文獻(xiàn)[9]通過物理實(shí)驗(yàn)得出了不同基巖厚度采場(chǎng)實(shí)現(xiàn)保水開采的合理推進(jìn)距。文獻(xiàn)[10]采用物理相似材料模擬及RFPA數(shù)值模擬方法，研究采后導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律并提出限高協(xié)調(diào)開采理論。文獻(xiàn)[11-20]對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律展開了研究，針對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度提出了多種預(yù)測(cè)方法。文獻(xiàn)[21]通過理論分析，物理模擬等方法，對(duì)重復(fù)采動(dòng)條件下的覆巖采動(dòng)裂隙進(jìn)行分析，得到裂隙動(dòng)態(tài)循環(huán)變化過程及一次梯形，二次M型裂隙分布形態(tài)。文獻(xiàn)[22]運(yùn)用理論分析，推導(dǎo)出了橢拋帶沿走向及傾向分布的理論模型。近距離煤層群二次采動(dòng)條件下，覆巖變形破斷呈現(xiàn)典型“垮落帶疊加”形態(tài)，所得巖層拉伸率計(jì)算公式為導(dǎo)高計(jì)算提供理論驗(yàn)證[23-25]。綜上所述，多煤層重復(fù)采動(dòng)覆巖破壞及導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律與單煤層開采相比研究較少，應(yīng)對(duì)煤層群重復(fù)采動(dòng)覆巖破斷及裂隙發(fā)育規(guī)律開展深入研究。

燕家河煤礦可采煤層共3層，分別為5-1，5-2和8煤層。洛河組與直羅組中的含水巖組為該礦的直接充水含水層，該含水巖組具有產(chǎn)狀厚，含水量大，容易滲透的特點(diǎn)，對(duì)礦井煤層的安全開采造成嚴(yán)重威脅。因此，筆者針對(duì)燕家河煤礦工程地質(zhì)條件，開展了近距離煤層群上行開采及下行開采覆巖運(yùn)移破壞、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律研究，為確定煤層群合理開采順序提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

8105綜放面北部為8106采空區(qū)，南部為8104采空區(qū)，西部為8煤4條下山，東部為村莊保護(hù)煤柱，如圖1所示。

圖1 8105綜放工作面位置Fig.1 Location of 8105 fully mechanized caving face

8105綜放面煤層厚度為5.44～6.36 m，平均為5.90 m，煤層傾角為4°，工作面長200 m，走向長1 360 m。頂板主要成份為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖及砂巖；鋁土泥巖、鋁粉砂巖為底板主要成份，部分含碳質(zhì)泥巖偽底。工作面直接充水含水層為直羅組、洛河組含水巖組，煤層群與含水層位置關(guān)系如圖2所示。工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法，采用全部垮落法管理頂板。

圖2 煤層群與含水層位置關(guān)系Fig.2 Location relationship between coal seam group and aquifer

2 綜放開采覆巖運(yùn)移及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征

2.1 模型設(shè)計(jì)

基于8105工作面附近的X4鉆孔柱狀圖，采用2.0 m×1.5 m×0.2 m(長×高×寬)平面應(yīng)力模型試驗(yàn)臺(tái)模擬工作面回采，模型幾何相似比α1=200，容重相似比αγ=1.67，時(shí)間相似比αt=14.14，強(qiáng)度相似比為αR=334。通過物理配重對(duì)模型覆巖進(jìn)行加載。5-1煤層采高為3 m，5-2煤層采高為2 m，8煤層采高為7 m。模擬上行開采，開挖順序?yàn)?煤，5-1煤，5-2煤，開挖步距均為15 m，共開挖16次，開挖總長度為240 m。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程及分析

2.2.1 8煤回采

當(dāng)工作面推至20 m時(shí)，由于覆巖壓力壓力，直接頂開始出現(xiàn)離層，離層裂隙隨頂板暴露面積增加迅速發(fā)育；當(dāng)工作面推至37.5 m時(shí)，直接頂離層明顯發(fā)育，并伴隨有大面積垮落。當(dāng)推至59 m時(shí)，基本頂破斷，工作面初次來壓，裂隙發(fā)育高度超過5-1煤頂板，形成離層區(qū)域。當(dāng)推至79 m時(shí)，工作面第1次周期來壓，覆巖采動(dòng)裂隙持續(xù)發(fā)育，采動(dòng)裂隙明顯增高，采動(dòng)邊界張拉裂隙發(fā)育加快，裂隙高度為37.5 m。

圖3 8煤采動(dòng)覆巖運(yùn)移特征Fig.3 Migration characteristics of overburden during 8 coal mining

當(dāng)工作面推至240 m時(shí)，8煤開挖完成，覆巖垮落壓實(shí)后，采動(dòng)裂隙高度為98.4 m，模型上部張拉裂隙呈逐漸閉合趨勢(shì)。上覆5-1煤層，5-2煤層頂板呈現(xiàn)均勻整體下沉。

2.2.2 5-1煤回采

5-1煤覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征如圖4所示。隨著工作面推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙二次發(fā)育，此時(shí)開切眼側(cè)導(dǎo)水裂隙最為發(fā)育。當(dāng)5-1煤層工作面推至240 m時(shí)，采動(dòng)邊界處的覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育最為明顯，永久導(dǎo)水裂隙在采動(dòng)邊界處形成，中部離層裂隙及張拉裂隙由發(fā)育狀態(tài)呈現(xiàn)為閉合狀態(tài)，采動(dòng)裂隙發(fā)育至118.6 m。

圖4 5-1煤覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征Fig.4 Development characteristics of water-flowing fractures in mining of 5-1 coal overburden

2.2.3 5-2煤回采

5-2煤覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征如圖5所示。5-2煤采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育呈現(xiàn)區(qū)域特征，當(dāng)工作面推至240 m時(shí)，5-2煤層回采結(jié)束，導(dǎo)水裂隙發(fā)育程度達(dá)到最大。與5-1煤覆巖采動(dòng)裂隙相比，此時(shí)采動(dòng)邊界處張拉裂隙、離層裂隙明顯增高。采空區(qū)中部離層裂隙及張拉裂隙呈壓實(shí)狀態(tài)。采動(dòng)邊界處裂隙發(fā)育溝通上部采動(dòng)裂隙形成導(dǎo)水裂隙，此時(shí)導(dǎo)水裂隙高度為129.0 m。隨著工作面推進(jìn)，煤層頂板垮落，采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育寬度逐漸增加，當(dāng)工作面推至停采線，導(dǎo)水裂隙高度發(fā)育最大且到達(dá)直羅組含水層頂部，直羅組水不斷流失。

圖5 5-2 煤覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征Fig.5 Development characteristics of water-flowing fractures in mining of 5-2 coal overburden

3 煤層群開采導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律分析

3.1 數(shù)值模型設(shè)計(jì)

根據(jù)燕家河煤礦X4鉆孔柱狀圖，采用非線性數(shù)值計(jì)算軟件UDEC模擬采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律，將覆蓋層簡(jiǎn)化為施加在數(shù)值模型上邊界的均布荷載，固定模型下邊界的垂直位移及左右邊界的水平位移。建立走向模型，模型尺寸為400 m×280 m，模型如圖6所示，開挖長度為240 m，確定Mohr-Coulumb模型為圍巖本構(gòu)關(guān)系。

圖6 UDEC模型示意Fig.6 Sketch of the UDEC model

3.2 上行開采導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律分析

3.2.1 8煤回采

依次開挖8煤、5-1煤、5-2煤，8煤開挖240 m，采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征如圖7所示。

圖7 8煤采后導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征Fig.7 Development characteristics of water-flowing fractures after 8 coal mining

由圖7可得，8煤采后，受頂板垮落的層續(xù)性影響，覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙也呈現(xiàn)出層續(xù)性發(fā)育，采動(dòng)裂隙在工作面上方及采空區(qū)一側(cè)開切眼上方分布密集。工作面上部橫向裂隙離層區(qū)作為主要發(fā)育裂隙，工作面下部縱向裂隙作為主要發(fā)育裂隙，二者在中部未連接，導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度為93.6 m。頂板在靠近開切眼側(cè)煤體的支護(hù)作用下，未呈現(xiàn)出下沉趨勢(shì)。此處采動(dòng)裂隙分布密集，作用于巖層的拉伸剪切破壞致使巖層發(fā)生明顯破壞。

3.2.2 5-1煤回采

圖8為5-1煤開挖240 m時(shí)的導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征，由圖可知，推至240 m時(shí)，與8煤回采結(jié)束時(shí)93.6 m的裂隙發(fā)育高度相比，有較為明顯的升高。受拉剪作用影響，工作面兩側(cè)采動(dòng)裂隙發(fā)育高度及寬度均有明顯增加，此時(shí)采動(dòng)裂隙發(fā)育到直羅組含水層內(nèi)且處于直羅組含水層底部。

圖8 5-1煤采后導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征Fig.8 Development characteristics of water-flowing fractures after 5-1 coal mining

3.2.3 5-2煤回采

圖9為5-2煤開挖240 m時(shí)導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征，導(dǎo)水裂隙呈現(xiàn)出了從無到發(fā)育，再依次閉合的周期性的變化歷程。工作面前方5～20 m范圍內(nèi)，導(dǎo)水裂隙發(fā)育明顯。工作面中部冒落巖石隨著工作面推進(jìn)趨于壓實(shí)，導(dǎo)水裂隙在工作面后方60 m區(qū)域逐步閉合。

圖9 5-2煤采后導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征Fig.9 Development characteristics of water-flowing fractures after 5-2 coal mining

上行采后覆巖導(dǎo)水裂隙分布特征如圖10所示。從圖可得，采動(dòng)裂隙寬度及高度與工作面推進(jìn)尺寸呈現(xiàn)正相關(guān)性。工作面推進(jìn)度從0 m到120 m再到240 m，采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度依次118.4，125.2，129.2 m。采動(dòng)裂隙推進(jìn)0 m時(shí)進(jìn)入直羅組含水層，推進(jìn)120 m時(shí)增高6.8 m，推至240 m時(shí)增高10.8 m。當(dāng)工作面推至240 m時(shí)，裂隙未穿透直羅組含水層。

圖10 上行開采導(dǎo)水裂隙分布特征Fig.10 Distribution characteristics of water-flowing fractures in upward mining

3.3 下行開采導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律分析

3.3.1 5-1煤回采

為了分析不同開采方式下導(dǎo)水裂隙的發(fā)育規(guī)律，依次對(duì)5-1，5-2及8煤層開展了數(shù)值模擬分析。5-1煤層采后裂隙發(fā)育規(guī)律如圖11所示。

圖11 5-1煤采后導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征Fig.11 Development characteristics of water-flowing fractures after 5-1 coal mining

5-1煤推至240 m開挖結(jié)束，此時(shí)裂隙呈現(xiàn)密集分布，且密集分布于采場(chǎng)之后10～20 m區(qū)間。從采場(chǎng)后20 m開始，采空區(qū)中間區(qū)域采動(dòng)裂隙呈現(xiàn)出閉合趨勢(shì)，采場(chǎng)上部裂隙與下部裂隙未溝通，60.4 m為導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度。

3.3.2 5-2煤回采

在5-1煤層采動(dòng)覆巖壓實(shí)的基礎(chǔ)上，開挖5-2煤層。工作面開挖完成，覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征如圖12所示。

圖12 5-2煤采后導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征Fig.12 Development characteristics of water-flowing fractures after 5-2 coal mining

當(dāng)5-2煤層推至240 m，中部裂隙壓實(shí)閉合。導(dǎo)水裂隙呈現(xiàn)區(qū)域分布特征，工作面上方25～40 m及后方10.0～30.0 m為裂隙主要分布區(qū)域，裂隙發(fā)育高度為75.7 m。

3.3.3 8煤回采

5-2煤采動(dòng)覆巖壓實(shí)后，對(duì)8煤層進(jìn)行數(shù)值模擬分析，覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征如圖13所示。

圖13 8煤采后導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征Fig.13 Development characteristics of water-flowing fractures after 8 coal mining

工作面中上部離層區(qū)呈集中分布，頂板的垮落以時(shí)空層續(xù)性向上發(fā)育。老頂呈規(guī)律性破斷，受拉剪作用，采動(dòng)裂隙呈張開趨勢(shì)，且主要分布于工作面前方20～30 m，采動(dòng)裂隙在橫向與縱向尺寸均有明顯增大。采動(dòng)裂隙較5-2采后增高69.6 m，此時(shí)高度為145.3 m。

下行采后覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙分布特征如圖14所示。由圖14可知，隨著工作面的推進(jìn)，覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙呈馬鞍狀分布。5-1煤開采結(jié)束，裂隙發(fā)育未進(jìn)入直羅組含水層，由于層間距及采厚影響，5-2煤采后，裂隙較5-1煤增高15.3 m，8煤采后，覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙貫通直羅組含水層，未到達(dá)洛河組含水層。

圖14 下行開采導(dǎo)水裂隙分布特征Fig.14 Distribution characteristics of water-flowing fractures in downward mining

3.4 綜合分析

5-1，5-2，8煤下行開采過程中，下層煤重復(fù)采動(dòng)會(huì)對(duì)裂隙帶的發(fā)育產(chǎn)生疊加效應(yīng)，裂隙發(fā)育明顯高于上行開采。5-1煤覆巖受多次擾動(dòng)，工作面兩側(cè)裂隙高于工作面中部，覆巖裂隙呈現(xiàn)出中部低兩邊高的分布特征，裂隙發(fā)育高度進(jìn)一步增大。5-1，5-2煤層相距較近，5-2，8煤相距較遠(yuǎn)，8 煤開采中5-2煤工作面中部及兩側(cè)覆巖形態(tài)與上覆5-1煤層開采呈現(xiàn)相似的裂隙分布特征相較而言，8煤層開采擾動(dòng)程度逐漸增大。

綜上可知，上行開采結(jié)束，導(dǎo)水裂隙進(jìn)入直羅組含水層頂部但未穿透直羅組含水層。下行開采結(jié)束，導(dǎo)水裂隙發(fā)育到直羅組含水層上方且距離洛河組含水層54.7 m。下行開采覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙較上行開采更為發(fā)育。

4 涌水量實(shí)測(cè)分析

綜合以上分析，確定采用上行開采順序，即依次回采8105，5105，5205工作面。8105工作面回采期間，工作面涌水量隨推進(jìn)距離關(guān)系如圖15所示。

圖15 涌水量隨工作面推進(jìn)距離的變化Fig.15 Changes of water inflow with the advanced distance of working face

由圖15可知，工作面推進(jìn)初期，涌水量呈增長趨勢(shì)，推至200 m時(shí)，工作面初次見方，頂板來壓強(qiáng)烈，覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙逐步向工作面上方發(fā)育，涌水量增大。推至400 m時(shí)，工作面二次見方，頂板充分垮落，覆巖破斷，導(dǎo)水裂隙持續(xù)發(fā)育，涌水量達(dá)60 m3/h。推至600 m時(shí)，工作面三次見方，覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育明顯增高，測(cè)站一與測(cè)站二涌水量均達(dá)到最大值分別為77 m3/h與80 m3/h。隨著工作面的推進(jìn)，覆巖沉降趨于緩慢，中部壓實(shí)，導(dǎo)水裂隙由密集分布狀態(tài)隨之變?yōu)橹饾u閉合。推至1 000 m時(shí)，涌水量趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定于31～33 m3/h，保證了工作面安全推進(jìn)。

5 結(jié) 論

1)物理模擬表明，上行開采8，5-1，5-2煤層，導(dǎo)水裂隙帶最終發(fā)育高度為129.0 m，發(fā)育至直羅組含水層頂部但未貫通直羅組含水層。

2)數(shù)值模擬表明，上行開采8，5-1，5-2煤層，導(dǎo)水裂隙帶最終發(fā)育高度為129.2 m，未貫通直羅組含水層。下行開采5-1，5-2，8煤層，導(dǎo)水裂隙帶最終發(fā)育高度為145.3 m，貫通直羅組含水層但未到達(dá)洛河組含水層，距洛河組含水層54.7 m。下行開采較上行開采裂隙發(fā)育。

3)8105工作面涌水量實(shí)測(cè)表明，回采初期由于頂板垮落不充分，導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育較小，涌水量小。隨著工作面推進(jìn)，受頂板來壓影響，導(dǎo)水裂隙帶呈現(xiàn)快速增高趨勢(shì)，涌水量增速加快。工作面涌水量在采動(dòng)充分后呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定。采用上行開采保證了工作面安全回采。