隆德煤礦3-1煤覆巖垮落及孔隙率演化規(guī)律研究

白成杰

（神木縣隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西省 榆林市 719300）

0 引言

近年來(lái)，煤炭資源的開(kāi)發(fā)力度不斷增大，煤炭資源開(kāi)發(fā)環(huán)境和煤層賦存條件也逐漸多樣化、復(fù)雜化，復(fù)合水體下采煤是近年來(lái)煤礦開(kāi)采過(guò)程面臨的一項(xiàng)新的技術(shù)難題，一般是指煤層頂板以上存在著多種類(lèi)型的水體，包括地表水體、含水層水、老采空區(qū)水等多種賦存形式[1-4]，且水體對(duì)下伏煤層的開(kāi)采存在著安全威脅。復(fù)合水體下采煤作業(yè)面臨著多種水害問(wèn)題，需要針對(duì)不同的隱患水體進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的技術(shù)研究、制定必要的防治措施。上述問(wèn)題的存在使得復(fù)合水體下采煤作業(yè)相比傳統(tǒng)水下采煤具有安全風(fēng)險(xiǎn)增加、開(kāi)發(fā)難度大、作業(yè)環(huán)境惡劣，開(kāi)展復(fù)合水體下安全開(kāi)采技術(shù)研究意義重大，研究成果不僅有助于上述問(wèn)題的解決，指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)，還能豐富礦井防治水工作經(jīng)驗(yàn)，提高礦井生產(chǎn)效益[4-7]。

1 礦井基本概況

隆德煤礦位于陜西省榆林市神木縣西南部，行政區(qū)劃隸屬于榆林市神木縣大保當(dāng)鎮(zhèn)管轄，是華電煤業(yè)集團(tuán)有限公司控股的改擴(kuò)建煤礦。地理坐標(biāo)在北緯38°43′57″～38°49′42″，東經(jīng)109°58′08″～110°04′24″之間，平均走向長(zhǎng)度2.3～9.3 km，平均傾斜寬度4.0～8.6 km，井田面積44.51 km2。

隆德煤礦東部與黑龍溝煤礦相鄰，南部與大保當(dāng)井田相鄰，西部與小保當(dāng)井田和錦東煤礦相鄰，北部為大保當(dāng)普查區(qū)。井田范圍與周邊礦權(quán)設(shè)置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 井田范圍及與周邊礦權(quán)關(guān)系示意圖

本區(qū)地處陜西“米”字型公路網(wǎng)內(nèi)，榆神二級(jí)公路（S204省道）和西包鐵路（神延段）并行沿井田東南邊界外約4～5 km處通過(guò)，建設(shè)中的包西鐵路二線沿煤礦以東約2 km處通過(guò)，在建中的210國(guó)道陜（西）（內(nèi)）蒙段高速公路從井田西部外圍南北經(jīng)過(guò)，交通干線架基本形成。

2 3-1煤層覆巖破壞高度計(jì)算

2.1 覆巖破壞規(guī)律概述

煤層開(kāi)采后，煤層及其圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，頂板巖層自下而上出現(xiàn)垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶?？迓鋷侵腹ぷ髅婊刂蛞萍芎笠鸬拿簩又苯禹敯逑虿煽諈^(qū)垮落的巖層范圍，該區(qū)的巖層以梁或板結(jié)構(gòu)的脆性斷裂為主，巖塊之間的空隙多，連通性強(qiáng)，水、砂均可以通過(guò)。

垮落帶以上為裂縫帶，一般發(fā)生垂直或近于垂直層面的裂隙和沿層面的離層裂隙，是貯水和導(dǎo)水的通道。因垮落帶和裂縫帶均具有導(dǎo)水性，因此又合稱(chēng)導(dǎo)水裂隙帶。導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)的含水層成為工作面的直接充水水源。彎曲下沉帶指的是自裂縫帶頂界到地表的整個(gè)巖層，彎曲下沉帶內(nèi)的巖層也可能產(chǎn)生裂縫，但是裂縫微小，數(shù)量少，裂縫間的連通性弱，導(dǎo)水能力微弱。

因此，導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)的含水層是影響采煤工作面安全的主要水害威脅，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是評(píng)價(jià)上部水體是否成為影響工作面安全開(kāi)采的重要參數(shù)，其發(fā)育范圍和程度直接決定著水體下采煤可行性和安全性，因此搞清導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律和形態(tài)成為解放水體下壓煤和保證礦井安全生產(chǎn)所不可缺少的重要內(nèi)容。大量的覆巖破壞高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，覆巖類(lèi)型、采厚、開(kāi)采工藝和工作面斜長(zhǎng)是影響覆巖破壞高度的主要因素。目前，確定覆巖破壞高度的方法主要包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法、經(jīng)驗(yàn)公式法、類(lèi)比分析法和數(shù)值模擬法等。

2.2 3-1煤層開(kāi)采覆巖破壞高度計(jì)算

由于隆德煤礦3-1煤層與2-2煤間距較小，研究區(qū)3-1煤層將在2-2煤回采完畢后開(kāi)采，因此3-1煤層屬近距離煤層疊加開(kāi)采，3-1煤層開(kāi)采的覆巖破壞高度計(jì)算需考慮兩層煤疊加開(kāi)采的情況。

按照《“三下”采煤規(guī)范》，如圖2、圖3所示，當(dāng)2層煤采用疊加開(kāi)采的方式，同時(shí)2層煤的最小垂距大于回采下層煤的垮落帶高度時(shí)，上、下2層煤的導(dǎo)水裂隙帶的最大高度可通過(guò)上、下層煤的厚度分別進(jìn)行計(jì)算，其中標(biāo)高的最大高度為上、下2層煤導(dǎo)水裂隙帶的最大高度；當(dāng)下層煤的垮落帶完全進(jìn)入上層煤范圍或者接觸到上層煤時(shí)，不同于上種情況，此時(shí)上層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度通過(guò)本層煤的厚度進(jìn)行計(jì)算，而下層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度則應(yīng)通過(guò)兩層煤的綜合開(kāi)采厚度來(lái)計(jì)算，同樣，取其中標(biāo)高最高者作為上、下層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度。

圖2 近距離煤層覆巖破壞高度示意圖（h＞H垮下時(shí)）

圖3 近距離煤層覆巖破壞高度示意圖（h＜H垮下時(shí)）

由鉆孔資料統(tǒng)計(jì)可知，研究區(qū)2-2煤厚為0～6.10 m，平均為3.75 m；3-1煤厚度分布均勻，平均煤厚為2.66 m，2層煤間距為29.61～41.92 m，平均為35.20 m，如圖4、圖5所示所示。根據(jù)《“三下”采煤規(guī)范》，當(dāng)單層采厚1～3 m，累計(jì)采厚不大于15 m時(shí)，可應(yīng)用規(guī)程給出的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)覆巖破壞高度進(jìn)行計(jì)算。堅(jiān)硬類(lèi)型覆巖的覆巖破壞高度計(jì)算可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

垮落帶：

導(dǎo)水裂隙帶：

式中：Hm為垮落帶最大高度，m；Hli為導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；ΣM為累計(jì)采厚，m。

應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)研究區(qū)3-1煤?jiǎn)我幻簩娱_(kāi)采的覆巖破壞高度進(jìn)行計(jì)算，3-1煤按照采高2.8 m計(jì)算。

根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，2-2煤層開(kāi)采的覆巖破壞高度可按裂采比20、垮采比7進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)工作面開(kāi)采情況分析，按照開(kāi)采厚度4.1 m對(duì)研究區(qū)2-2煤的覆巖破壞高度進(jìn)行計(jì)算。研究區(qū)1-1煤僅在井田西南部局部可采，可采范圍內(nèi)1-1煤厚為0.8～2.38 m，平均為1.72 m，與2-2煤間距為33.89～60.34 m，平均為51.65 m，1-1煤按照采高1.4 m計(jì)算。

圖4 井田范圍內(nèi)2-2煤厚度等值線圖

圖5 井田范圍內(nèi)3-1煤厚度等值線圖

研究區(qū)3-1煤?jiǎn)我幻簩娱_(kāi)采的垮落帶高度為15.30 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為61.14 m，研究區(qū)2-2煤的垮落帶高度為28.7 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為82 m，1-1煤的垮落帶高度為9.89 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為46.94 m。2-2煤采動(dòng)裂縫已穿過(guò)2-2煤層，但垮落帶均小于2-2煤與1-1煤間距，并未進(jìn)入2-2煤層。因此，根據(jù)《“三下”采煤規(guī)范》，在1-1煤開(kāi)采地段，3-1煤開(kāi)采的導(dǎo)水裂隙帶最大高度可按1-1煤、2-2煤、3-1煤的厚度分別計(jì)算，取其中標(biāo)高最高者作為3-1煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度，據(jù)此，3-1煤層開(kāi)采的覆巖破壞高度計(jì)算結(jié)果為61.14～149.11 m。

3 巖層垮落及孔隙率演化數(shù)值模擬研究

為了研究2-2工作面和3-1工作面回采后巖層垮落以及采空區(qū)孔隙率變化，采用PFC3D模擬了回采過(guò)程，對(duì)上覆巖層垮落以及采空區(qū)孔隙率演化規(guī)律進(jìn)行了模擬并驗(yàn)證了上節(jié)計(jì)算的合理性和正確性。

3.1 PFC3D模型的建立

模型長(zhǎng)120 m，寬60 m，高150 m，共計(jì)16層，所用模型通過(guò)半徑擴(kuò)展法建立生成，顆粒半徑在平衡的過(guò)程中不斷擴(kuò)展，相互擠壓，直至孔隙率為0.05，達(dá)到目標(biāo)孔隙率，完成模型建立過(guò)程。在模型中，顆粒平均粒徑為1.1，達(dá)到合理尺寸。自由邊界為模型上部邊界，前、后、左、右四側(cè)邊界固定不動(dòng)，顆粒只沿垂直方向移動(dòng)，該移動(dòng)通過(guò)底部邊界限制。

根據(jù)PFC3D軟件的特點(diǎn)，模型測(cè)量圓長(zhǎng)120 m，寬60 m，高100 m，粒徑均為2.5。測(cè)量圓將會(huì)通過(guò)監(jiān)測(cè)顆粒的移動(dòng)對(duì)模型進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，從而監(jiān)測(cè)工作面回采時(shí)覆巖變形情況以及孔隙率的變化規(guī)律。

模擬的3-1煤層為2.77 m、2-2煤層為4.69 m，模擬將采用分步開(kāi)挖方式，首先對(duì)2-2工作面開(kāi)采進(jìn)行模擬，模擬2-2工作面回采時(shí)上覆巖層變形及孔隙率的變化規(guī)律，每次回采距離為50 m，并穩(wěn)定1 500 000步。模擬完2-2工作面回采后，保留10 m兩側(cè)煤柱，以相同的模擬方式對(duì)3-1工作面回采繼續(xù)進(jìn)行模擬，最終模擬完畢后，穩(wěn)定3 000 000步，對(duì)覆巖變形及孔隙率的變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

3.2 回采期間覆巖垮落演化規(guī)律

圖6是2-2工作面和3-1工作面分階段開(kāi)采模擬結(jié)果圖。如圖，垮落第一步后，2-2工作面已經(jīng)開(kāi)采的煤層上覆巖層已經(jīng)開(kāi)始垮落，2-2煤層下面的巖層基本不變；垮落第二步后，2-2工作面煤層的上覆巖層全部垮落，并保持穩(wěn)定；垮落第三步后，3-1工作面煤層上覆巖層開(kāi)始垮落；垮落第四步后，3-1工作面煤層的上覆巖層已經(jīng)全部垮落并保持穩(wěn)定。為了更直觀地看出兩煤層的上覆巖層垮落高度，分別從正面截取模擬圖，如圖7所示。

從工作面分階段開(kāi)采模擬垮落結(jié)果正面圖可以看出，垮落第一步結(jié)束后，2-2工作面煤層上覆巖層的垮落高度約為74.98 m；垮落第二步結(jié)束后，2-2工作面煤層上覆巖層的垮落高度約為85.7 m；垮落第三步結(jié)束后，2-2工作面煤層上覆巖層的垮落高度基本沒(méi)變，約85.7 m，3-1工作面煤層上覆巖層的垮落高度約為32.36 m；垮落第四步結(jié)束后，3-1工作面煤層上覆巖層的垮落高度維持開(kāi)采前半段上覆巖層的垮落高度，約為35.67 m。

圖6 工作面分階段開(kāi)采模擬結(jié)果圖

圖7 工作面分階段開(kāi)采模擬垮落結(jié)果正面圖

根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，模擬的垮落結(jié)果與上節(jié)煤層覆巖垮落帶高度的結(jié)果相差不大，驗(yàn)證了覆巖破壞高度計(jì)算的正確性。

3.3 回采期間孔隙率演化規(guī)律

根據(jù)回采工作面后采空區(qū)情形，可以將采空區(qū)視作一個(gè)多孔介質(zhì)空間，并對(duì)該多孔介質(zhì)空間的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析和確定，最終在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的方程組對(duì)其進(jìn)行模擬和分析。因此模擬回采工作面也將利用測(cè)量圓對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中模型孔隙率的變化情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤，選取測(cè)量圓中第9、13、16、20列測(cè)量圓所測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行孔隙率空間重構(gòu)，在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行孔隙率變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，最后對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而總結(jié)得到孔隙率變化規(guī)律，孔隙率結(jié)果如圖8所示。

圖8 工作面分階段開(kāi)采模擬孔隙率結(jié)果圖

選取回采第一次、第二次、第三次以及第四次四個(gè)回采階段，測(cè)量圓測(cè)得的孔隙率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，工作面進(jìn)行回采時(shí)，煤層覆巖將隨工作面推進(jìn)的距離而不斷進(jìn)行垮落與堆積，因此孔隙率將發(fā)生變化，通過(guò)圖中第一步垮落可以得到，由于前半部分已經(jīng)開(kāi)采，孔隙率由0.1變?yōu)?.56，上覆巖層的孔隙率變?yōu)?.28，2-2工作面未開(kāi)采部分的孔隙率保持不變；通過(guò)第二步垮落可以得到，由于2-2工作面全部采完，上覆巖層孔隙率整體變?yōu)?.28，煤層處，前半部分由于垮落堆積的影響，孔隙率變?yōu)?.2，新開(kāi)采煤層處的孔隙率為0.56；通過(guò)第三步垮落可以得到，由于3-1煤層厚度不大，開(kāi)采后兩工作面之間的孔隙率變化不大，由0.1變?yōu)?.12；通過(guò)第四步垮落可以得到，當(dāng)3-1工作面整體采完后，兩工作面間的孔隙率由0.1變?yōu)?.44。

4 結(jié)論

1）3-1 煤層與2-2煤間距小，3-1煤層屬近距離煤層疊加開(kāi)采問(wèn)題。3-1煤層覆巖破壞高度為2-2煤與3-1煤間距、2-2煤厚與2-2煤導(dǎo)水裂隙帶高度三者之和。3-1煤開(kāi)采的垮落帶高度為13.02～15.82 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為57.57～135.91 m。

2）3-1 煤層開(kāi)采的覆巖破壞高度計(jì)算結(jié)果為61.14～149.11 m，并根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，模擬的垮落結(jié)果與煤層覆巖垮落帶高度的結(jié)果相差不大，驗(yàn)證了覆巖破壞高度計(jì)算的正確性。

3）根據(jù)回采期間孔隙率規(guī)律模擬可以看出，煤層覆巖孔隙率隨著工作面推進(jìn)的距離而不斷進(jìn)行垮落與堆積發(fā)生變化。