煤層傾角對(duì)上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的影響

龐杰文，李鵬偉，郝永江，謝建林，梁 磊

（太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引 言

導(dǎo)水裂隙發(fā)育是礦井突水事故發(fā)生的一個(gè)重要原因，研究導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律是礦井水害防治的一個(gè)重要課題[1-2]。目前，許多學(xué)者對(duì)影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的因素進(jìn)行了研究，取得了較為豐碩的成果[3-4]。許家林等[5]認(rèn)為覆巖關(guān)鍵層的位置對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度有影響，主關(guān)鍵層與開采煤層的距離存在一個(gè)臨界值，大于臨界值可按照“三下”規(guī)程中的計(jì)算公式預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度，小于臨界值不可按照“三下”規(guī)程預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度；李洋[6]對(duì)煤層厚度與裂隙帶高度進(jìn)行了線性回歸，得出了適用于潘謝礦區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)公式；王創(chuàng)業(yè)、薛瑞雄等[7]運(yùn)用UDEC 數(shù)值模擬軟件建立不同采高的二維地質(zhì)模型，結(jié)合關(guān)鍵層分析了不同采高下導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律；朱偉、滕永海、唐志新[8]通過(guò)地面施工勘探鉆孔，采用水文觀測(cè)、注水試驗(yàn)等綜合手段，對(duì)采空區(qū)頂板巖層裂隙分布進(jìn)行了探測(cè)研究，分析了不同開采工藝對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響；劉洋[9]研究了水簾洞礦綜放開采條件下，工作面不同采寬與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度之間的關(guān)系；杜時(shí)貴、翁新海[10]通過(guò)彈塑性巖石材料的非線性有限元模擬，利用應(yīng)力重分布圖對(duì)中、緩傾角煤層采空區(qū)覆巖“三帶”高度進(jìn)行了判別。

然而僅用應(yīng)力重分布圖對(duì)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行分析，只能說(shuō)明巖石的張拉破壞，而裂隙帶的形成不僅與巖石的張拉破壞有關(guān)。為此，本文以四明山礦工程地質(zhì)條件為背景，運(yùn)用UDEC 數(shù)值模擬軟件分別建立了0、15°、30°、60°煤層傾角條件下的煤層開挖模型，通過(guò)分析不同煤層傾角條件下上覆巖層的離層和塑性破壞情況，確定煤層傾角對(duì)上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的影響規(guī)律。研究成果可為制定礦井水害防治對(duì)策提供重要理論依據(jù)。

1 工程地質(zhì)條件

四明山煤礦首采煤層為9 號(hào)煤層，煤層厚1.40～1.78 m，平均厚1.6 m，埋深約為755 m。煤層層位較穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層走向?yàn)镹E23°，傾向?yàn)镹W60°。煤層傾角1°～15°。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。9 號(hào)煤層直接充水含水層為其頂板K5 灰?guī)r含水層，煤層局部頂板裂隙發(fā)育，回采推進(jìn)中，會(huì)出現(xiàn)頂板裂隙淋水。預(yù)測(cè)9號(hào)煤工作面正常涌水量30 m3/h，最大涌水量60 m3/h。隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層垮落，形成裂隙，含水層的水將通過(guò)裂隙導(dǎo)入工作面。為此研究其上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的分布特征十分有必要。同時(shí)，由于9 號(hào)煤的煤層傾角在1°～15°變化，煤層傾角的變化會(huì)對(duì)上覆巖層裂隙帶的分布形態(tài)有所影響，因此，研究煤層傾角對(duì)上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的分布特征可為9 號(hào)煤工作面的防治水工作提供依據(jù)。

表1 9 號(hào)煤頂?shù)装鍘r性柱狀Table 1 No.9 coal roof and floor lithologic column

2 模擬方案

選取0、15°、30°、60°傾斜角度分別代表近水平煤層、緩傾斜煤層、傾斜煤層和急傾斜煤層。通過(guò)分析4 種傾斜角度下上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的分布特征，研究煤層傾角對(duì)上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的影響。

根據(jù)四明山煤礦地質(zhì)地層巖性特征，運(yùn)用UDEC 軟件建立數(shù)值模型，模型尺寸為400 m×800 m，劃分巖層11 組。模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表2，各巖層節(jié)理力學(xué)參數(shù)見表3。模型左右邊界為固定邊界，上部邊界為自由邊界，下部邊界為固定邊界。模型重力加速度設(shè)置為9.8 m/s2，初始應(yīng)力條件設(shè)置水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)為1.2。垂直應(yīng)力梯度為2.5×105Pa/m，水平應(yīng)力梯度為3×105Pa/m。同時(shí)，在9 號(hào)煤層上部布置12 條位移監(jiān)測(cè)線，每條監(jiān)測(cè)線布置40 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔10 m。第1 條監(jiān)測(cè)線布置在煤層上方1 m位置處，然后每隔10 m 布置1 條監(jiān)測(cè)線，共布置12 條位移監(jiān)測(cè)線。模擬計(jì)算分為兩步，第一步在初始應(yīng)力條件下，模型運(yùn)算至平衡狀態(tài)，模擬巖層開挖前的狀態(tài)；第二步，煤層開挖240 m，繼續(xù)運(yùn)算，運(yùn)算至平衡狀態(tài)。

表2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of coal rock

表3 煤巖節(jié)理力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of coal rock joints

3 模擬結(jié)果分析

3.1 頂板離層分析

圖1 為9 號(hào)煤上方1～121 m 各巖層的位移監(jiān)測(cè)曲線。各上覆巖層垂向位移差值越大，代表上覆巖層沉降越不一致，離層現(xiàn)象越明顯。通過(guò)對(duì)比1號(hào)監(jiān)測(cè)線與12 號(hào)監(jiān)測(cè)線的位移差值，即可劃分出煤層頂板離層明顯區(qū)域。

由圖1 可以看出，當(dāng)煤層傾角為0 時(shí)，由煤層向上采空區(qū)各巖層沉降量逐漸變小，采空區(qū)上覆巖層離層現(xiàn)象基本均勻一致，與采空區(qū)邊界兩端相比，采空區(qū)中心區(qū)域頂板離層現(xiàn)象更為明顯；當(dāng)煤層傾角為15°時(shí)，由煤層向上采空區(qū)各巖層沉降量逐漸變小，采空區(qū)頂板離層現(xiàn)象明顯不對(duì)稱，采空區(qū)中心區(qū)域靠近右側(cè)邊界區(qū)域即沿傾向較高的位置，其頂板離層明顯的范圍更大；當(dāng)煤層傾角為30°時(shí)，1 號(hào)監(jiān)測(cè)線位移呈現(xiàn)不規(guī)律波動(dòng)，此不規(guī)律波動(dòng)是煤層直接頂垮落引起的，在分析采空區(qū)頂板離層時(shí)不將其考慮在內(nèi)，通過(guò)分析2～12 號(hào)監(jiān)測(cè)線的位移變化可知，煤層傾角為30°時(shí)，由煤層向上采空區(qū)各巖層沉降量逐漸變小，頂板離層明顯區(qū)域集中分布在靠近右側(cè)邊界，即沿傾向較高的位置；當(dāng)煤層傾角為60°時(shí)，采空區(qū)煤層上覆巖層沉降位移不再是越接近煤層，巖層沉降量越大，而是越遠(yuǎn)離煤層，巖層沉降量越大，直到接近采空區(qū)右側(cè)邊界時(shí)，采空區(qū)煤層上覆巖層越接近煤層，巖層沉降量越大，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與巖層傾角有關(guān)，巖層傾角為60°時(shí)，由于自重應(yīng)力的影響，右側(cè)邊界巖層垂向位移更為明顯，離層現(xiàn)象更為明顯。由此可知，煤層傾角使得采空區(qū)右側(cè)邊界（傾向高處）附近頂板離層現(xiàn)象更為明顯。

圖1 煤層頂板位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.1 Coal seam roof displacement monitoring curve

3.2 塑性破壞區(qū)分析

圖2 為9 號(hào)煤開采后上覆巖層的塑性破壞區(qū)分布圖。由圖2 可知，煤層傾角分別為0、15°、30°、60°時(shí)，煤層開挖后其上覆巖層塑性破壞區(qū)域呈“馬鞍狀”，靠近采空區(qū)邊界，其上覆巖層破壞區(qū)域擴(kuò)展高度較高，中心區(qū)域塑性破壞區(qū)域擴(kuò)展 高度較低。

圖2 塑性破壞區(qū)分布圖Fig.2 Distribution of plastic failure zone

當(dāng)煤層傾角為0 時(shí)，采空區(qū)左右兩側(cè)邊界附近塑性破壞區(qū)高度基本一致；當(dāng)煤層傾角為15°、30°、60°時(shí)，采空區(qū)右側(cè)邊界附近塑性破壞區(qū)高度明顯大于左側(cè)邊界。而導(dǎo)水裂隙帶的高度往往是指煤層開挖后上覆巖層裂隙貫通的高度，因此分析采空區(qū)右側(cè)邊界附近塑性破壞區(qū)高度意義更大。煤層傾角為15°、30°、60°時(shí)，采空區(qū)右側(cè)邊界附近塑性破壞區(qū)高度分別為35.5、47.6、75.9 m。由此可知，煤層傾角使得上覆巖層塑性破壞區(qū)呈現(xiàn)非對(duì)稱特征，而且煤層傾角越大，上覆巖層塑性破壞區(qū)擴(kuò)展高度越高。

3.3 煤層傾角對(duì)上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的影響分析

煤層開挖后，上覆巖層沉降、彎曲、破斷，形成橫向裂隙和縱向裂隙，橫向裂隙主要是由于頂板的離層引起的，縱向裂隙是巖石破壞引起的，縱向裂隙和橫向裂隙的貫通，決定著導(dǎo)水裂隙帶的高度。通過(guò)對(duì)圖1 進(jìn)行分析可知，煤層傾角越大，上覆巖層頂板離層明顯區(qū)域越偏向傾向高處（即右側(cè)邊界附近）。由此可以推斷，煤層傾角越大，橫向裂隙發(fā)育嚴(yán)重區(qū)域越靠近傾向高處（即右側(cè)邊界附近）。通過(guò)對(duì)圖2 進(jìn)行分析可知，煤層傾角越大，上覆巖層塑性破壞區(qū)擴(kuò)展高度越高。而巖石的破壞是縱向裂隙發(fā)育的主要因素。橫向裂隙和縱向裂隙帶貫通決定了導(dǎo)水裂隙帶的高度，因此可以得出，在傾斜巖層中，導(dǎo)水裂隙帶最發(fā)育的區(qū)域靠近傾向高處，且煤層傾角越大，導(dǎo)水裂隙帶最發(fā)育的區(qū)域越靠近采空區(qū)右側(cè)邊界傾向高處，導(dǎo)水裂隙帶高度越大。

4 結(jié) 論

（1）煤層傾角越大，頂板離層現(xiàn)象最明顯區(qū)域越靠近采空區(qū)右側(cè)邊界（傾向高處）。

（2）在傾斜巖層中，煤層開挖后其上覆巖層塑性破壞區(qū)呈現(xiàn)非對(duì)稱特征，采空區(qū)右側(cè)邊界附近（傾向高處）塑性破壞區(qū)高度明顯大于左側(cè)邊界。而且煤層傾角越大，上覆巖層塑性破壞區(qū)擴(kuò)展高度越高。

（3）在傾斜巖層中，導(dǎo)水裂隙帶最發(fā)育的區(qū)域靠近傾向高處，且煤層傾角越大，導(dǎo)水裂隙帶最發(fā)育的區(qū)域越靠近采空區(qū)右側(cè)邊界傾向高處，導(dǎo)水裂隙帶高度也越大。