神南礦區(qū)淺埋近距離煤層開采覆巖導水斷裂帶發(fā)育高度研究

謝黨虎，王建文，李民峰，郭書全，王二云，馬宗宇，杜超杰

（1.陜西涌鑫礦業(yè)有限責任公司，陜西 榆林 719407；2.陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300；3.中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京 100083）

我國神南礦區(qū)煤炭儲量豐富，煤層埋深淺、煤層間距較小[1]。近距離煤層重復采動覆巖導水斷裂帶與淺部含水層連通，極易造成工作面突水潰沙現(xiàn)象。因此，導水斷裂帶高度是神南礦區(qū)“科學采礦”的重要依據(jù)[2-4]，國內外學者對于采動覆巖斷裂帶高于進行了大量研究。許家林等[5]基于工程實測和理論研究提出了通過覆巖關鍵層位置來預計導水斷裂帶高度的新方法，彌補了將頂板巖性均化預測導水斷裂帶高度的不足；黃慶享等[6-8]通過現(xiàn)場實測和物理模擬提出了淺埋煤層覆巖破壞“拱梁”結構模型和“雙關鍵層”結構模型；GUO Wenbing 等[9]提出了1種基于覆巖失效轉移過程的導水斷裂帶高度預測的新理論；許峰等[10]采用現(xiàn)場實測以及數(shù)值模擬手段，對神東礦區(qū)多層煤層重復采動導水斷裂帶的發(fā)育高度進行了實測與計算，表明42 上煤開采后導水斷裂帶最大發(fā)育高度達到頂板以上160 m，溝通了延安組和直羅組含水層，但未溝通白堊系志丹群含水層；康國彪等[11]研究了神東礦區(qū)大采高工作面覆巖導水斷裂帶發(fā)育高度及其影響因素；楊達明等[12]研究了厚松散層軟弱覆巖下綜放開采導水斷裂帶發(fā)育高度，厚煤層軟弱覆巖厚松散層條件下綜放開采的導水斷裂帶高度與采厚比為6.87～7.02；左建平等[13]、SUN Yunjiang 等[14-15]提出了淺埋煤層開采覆巖裂隙場呈類雙曲線形態(tài)分布特征。上述研究未考慮厚黃土層覆巖條件下近距離煤層重復采動導水斷裂帶發(fā)育規(guī)律。為此，采用相似模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場鉆孔實測方法研究神南礦區(qū)檸條塔礦厚黃土和紅土層條件下近距離1-2煤和2-2煤開采覆巖導水斷裂帶發(fā)育規(guī)律，為該礦區(qū)淺部近距離煤層開采頂板突水潰沙防控提供科學依據(jù)。

1 工程背景

檸條塔煤礦位于陜北礦區(qū)，1-2煤和2-2煤為近距離煤層，間距約為40 m。1-2煤層厚度由北向南遞減，南翼1-2煤不采；北翼先采1-2煤后采2-2煤。目前北翼正在開采2-2煤層，埋深約170 m，平均厚度約為4.9 m。礦區(qū)內有2 個主要含水層：①第四系松散孔隙潛水含水層分布于考烏素溝以南地區(qū)，含水層巖性多為粉細砂及細砂，含水層厚0～25.04 m，一般厚10.00 m 左右，水位埋深2.80～16.20 m，礦化度為0.18～0.257 g/L，為HCO-Ca 及HCO-Ca·Mg 型水；②侏羅系風化基巖承壓水含水層分布較普遍，受到不同程度的風化，巖石結構雜亂，松軟易碎，孔隙度增大，巖石透水性增強，節(jié)理裂隙顯現(xiàn)，含水層厚度10.00～33.76 m，一般20.00～30.00 m，滲透系數(shù)為0.056 59～0.111 m/d，礦化度為212～228 mg/L，水化學類型為HCO3-Ca·Mg 或HCO3-Ca·Na 型。在2 個含水層中間存在保德組紅土隔水層。

由于神南礦區(qū)煤層埋藏淺、煤層厚，1-2煤和2-2煤重復開采上覆巖層斷裂帶發(fā)育到含水層，可能造成工作面突水潰沙事故。因此，有必要對神南礦區(qū)淺埋近距離煤層重復采動覆巖斷裂帶發(fā)育高度進行研究，指導煤礦安全開采和生態(tài)保護。

2 覆巖導水斷裂帶發(fā)育規(guī)律理論分析

目前對于硬巖層破斷已經進行了大量研究，當硬巖層彎曲下表面產生的最大拉應力σtmax達到抗拉強度，則硬巖層會斷裂，產生豎向的導水裂隙，可根據(jù)下式來判斷：

式中：Iz為巖層的慣性矩，Iz=bh3/12；［σt］為巖層的抗拉強度；M 為巖層的彎矩，M=ql2/8；b 為巖梁的寬度；h 為巖梁的厚度；l 為巖層斷裂的極限跨距；q為巖層上的載荷。

式中：i 為各巖層的編號；Ei為巖層彈性模量；ρi為巖層密度。

取單位巖梁寬度，可得巖梁發(fā)生斷裂，產生豎向裂縫的臨界跨距l(xiāng)i，hard為：

在導水斷裂帶發(fā)展到一定高度后，軟弱巖層（如泥巖、黃土層、紅土層等）是抑制導水斷裂帶向上發(fā)展的關鍵。軟巖一般抗變形能力較強，但強度較低，故采用應變來分析紅土層和黃土層破壞情況。固支梁彎曲后下表面的最大拉應變εmax為：

變形可得到軟巖彎曲產生最大水平拉伸應變的極限跨距l(xiāng)i，soft：

頂部發(fā)生斷裂巖層與煤層之間的距離Hf即為導水斷裂帶發(fā)育的高度，其與工作面推進距離之間存在如下關系：

式中：D 為工作面推進距離；φq、φh分別為巖層的前方、后方斷裂角，根據(jù)相似材料模擬實驗得知，覆巖前方破斷角φq和后方破斷角φh分別取56°和61°。

根據(jù)檸條塔礦各巖層力學參數(shù)和式（6）可得檸條塔煤礦北翼1-2煤和2-2煤開采后導水斷裂帶發(fā)育規(guī)律。檸條塔礦北翼1-2煤和2-2煤開采后覆巖導水斷裂帶發(fā)育規(guī)律如圖1。

圖1 檸條塔礦北翼1-2 煤和2-2 煤開采后覆巖導水斷裂帶發(fā)育規(guī)律Fig.1 Variation of water-conducting fracture zone height caused after 1-2 coal and 2-2 coal mining in Ningtiaota Coal Mine

由圖1 可知：在1-2煤和2-2煤重復采動后基巖堅硬巖層均會發(fā)生破斷而產生導水裂隙。根據(jù)式（6）計算可得導水斷裂帶發(fā)育高度約為136.9 m，即導水斷裂帶發(fā)育到2 號紅土層內，但并沒有導穿。由此可見，軟巖層（紅土層）對抑制導水斷裂帶的發(fā)展起著決定性作用。

3 覆巖破壞及斷裂帶發(fā)育規(guī)律物理模擬試驗

3.1 相似模型參數(shù)及測點布置

1）相似參數(shù)確定。物理模擬試驗模型尺寸為3.0 m×2.5 m×0.2 m，模型相似比為αl=1∶150；時間相似比為αt=1∶11；密度相似比為αρ=2∶3；強度、彈模、黏聚力相似比為αR=αE=αC=1∶225；內摩擦角相似比為αφ=1∶1；作用力相似比為αf=0.386×10-6。

2）相似材料的選擇與配比。相似材料主要有河沙、石膏、大白粉、粉煤灰，模型在鋪設時均勻地撒上云母粉作為分層弱面。根據(jù)相似條件，確定的模擬實驗相似材料配比方案見表1。

表1 模擬實驗相似材料配比方案Table 1 Similar material matching schemes of simulation experiment

3）監(jiān)測方案。模型共布置7 條位移監(jiān)測線，監(jiān)測線分別距離2-2煤15 cm（監(jiān)測線A，2-2煤頂板）、27 cm（監(jiān)測線B，亞關鍵層）、36 cm（監(jiān)測線C，1-2煤頂板）、53 cm（監(jiān)測線D，主關鍵層）、71 cm（監(jiān)測線E，紅土層與基巖分界面）、103 cm（監(jiān)測線F，紅土層中間位置）、130 cm（監(jiān)測線G，約地表）。其中，每條監(jiān)測線布置19 個測點，測點間距為15 cm。模型自上而下先開采上部的1-2煤層，再開采下部的2-2煤層，兩煤層開切眼垂直，每次均開挖1.0 cm。

3.2 煤層重復開采覆巖斷裂帶高度演變規(guī)律

3.2.1 1-2煤開采覆巖斷裂帶發(fā)育規(guī)律

1-2煤不同推進度覆巖破斷規(guī)律如圖2。

圖2 1-2 煤不同推進度覆巖破斷規(guī)律Fig.2 Variation of overburden breaking and fissures with advancing of 1-2 coal

由圖2 可知：當工作面開采58.5 m 時，基本頂發(fā)生初次斷裂；當工作面開采73.5 m 時，基本頂發(fā)生第1 次周期斷裂，周期斷裂步距約為15 m；當1-2煤開采330 m，達到充分采動時，覆巖斷裂帶高度約為50 m，尚未與上部的第四系松散孔隙潛水和侏羅系風化基巖承壓水連通，故不會發(fā)生突水事故，也不會造成地下水位下降。

3.2.2 2-2煤開采覆巖斷裂帶發(fā)育規(guī)律

1-2 煤和2-2煤層開采后覆巖破斷規(guī)律如圖3。

圖3 1-2 煤和2-2 煤層開采后覆巖破斷規(guī)律Fig.3 Variation of overburden breaking and fissures after mining of 1-2 coal and 2-2 coal

由圖3 可知：當工作面開采66 m 時，基本頂發(fā)生初次斷裂；當工作面開采80 m 時，基本頂發(fā)生第1 次周期斷裂，周期斷裂步距約為14 m；當1-2煤開采330 m，達到充分采動時，覆巖斷裂帶高度約為135 m，與上部侏羅系風化基巖承壓水連通，故需要采取措施防止突水，但并未與第四系松散孔隙潛水連通，故對淺部地下水位影響較小。

1-2 煤和2-2煤開采后覆巖下沉曲線如圖4，1-2煤和2-2煤重復開采覆巖斷裂帶發(fā)育高度變化規(guī)律如圖5。

圖4 1-2 煤和2-2 煤開采后覆巖下沉曲線Fig.4 Subsidence curves of overlying strata after 1-2 coal and 2-2 coal mining

圖5 1-2 煤和2-2 煤重復開采覆巖斷裂帶發(fā)育高度變化規(guī)律Fig.5 Variation of fractured zone in overburden in repeated mining of 1-2 coal and 2-2 coal

由圖4 結合圖5 可知：1-2煤開采后，地表最大下沉量約為1.1 m，下沉系數(shù)約為0.55；1-2煤和2-2煤開采后，地表最大下沉量約為3.5 m，下沉系數(shù)約為0.51；1-2煤開采后導水斷裂帶發(fā)育高度約為56 m，2-2煤開采后導水斷裂帶發(fā)育高度約為140 m。當2-2煤開采100 m 以后，導水斷裂帶的高度突然陡增，主要是由于2-2煤頂板斷裂帶與1-2煤開采產生的斷裂帶導通。當兩層煤推進超過150 m 后，斷裂帶高度保持穩(wěn)定。

4 覆巖斷裂帶發(fā)育規(guī)律數(shù)值模擬

根據(jù)檸條塔礦地質資料，采用離散元UDEC 建立檸條塔礦1-2煤和2-2煤開采數(shù)值模型，模型側壓系數(shù)取1.0?？紤]到邊界效應，工作面開挖距離邊界100 m，推進距離為300 m，此時已達到充分采動。

1-2 煤開采覆巖斷裂帶高度變化規(guī)律如圖6，2-2煤開采覆巖斷裂帶高度變化規(guī)律如圖7，1-2煤和2-2煤不同推進度覆巖斷裂帶高度變化規(guī)律如圖8。

圖6 1-2 煤開采覆巖斷裂帶高度變化規(guī)律Fig.6 Variation of overburden breaking and fissures during 1-2 coal mining

圖7 2-2 煤開采覆巖斷裂帶高度變化規(guī)律Fig.7 Variation of overburden breaking and fissures during 2-2 coal mining

圖8 1-2 煤和2-2 煤不同推進度覆巖斷裂帶高度變化規(guī)律Fig.8 Variation law of fractured zone height in overburden with different advancing degrees of 1-2 and 2-2 coal

由圖6、圖7、圖8 可知：

1）當1-2煤工作面開采55 m 時，基本頂發(fā)生初次斷裂；當工作面開采70 m 時，基本頂發(fā)生第1 次周期斷裂，周期斷裂步距約為15 m；當1-2煤開采300 m，達到充分采動時，覆巖斷裂帶發(fā)育高度如圖6（c），覆巖斷裂帶高度約為50 m，沒有與上部第四系松散孔隙潛水和侏羅系風化基巖承壓水連通。當2-2煤工作面開采65 m 時，基本頂發(fā)生初次斷裂；當工作面開采80 m 時，基本頂發(fā)生第1 次周期斷裂，周期斷裂步距約為15 m。

2）當2-2煤開采300 m，達到充分采動時，覆巖斷裂帶發(fā)育高度如圖7（c），覆巖斷裂帶高度約為140 m，與上部侏羅系風化基巖承壓水連通，故需要采取措施防止突水。

5 覆巖導水斷裂帶高度現(xiàn)場實測及突水防控

5.1 覆巖導水斷裂帶高度現(xiàn)場實測

為了驗證斷裂帶高度模擬結果的正確性，利用鉆孔窺視儀從地表鉆孔觀測覆巖中的采動裂隙。由1-2 煤和2-2煤重復采動后覆巖裂隙發(fā)育現(xiàn)場鉆孔實測圖可知：基巖都有明顯的宏觀裂隙，表明1-2煤和2-2煤重復采動斷裂帶高度大于基巖厚度（約100 m），并且從圖6（c）中可以看出在地下75 m 位置存在顯著的豎向宏觀裂隙，在地下75 m 以淺的位置沒有顯著的豎向裂隙，由此可判斷兩層煤開采后覆巖導水斷裂帶的高度約為130 m，這與相似模擬結果（135 m）和數(shù)值模擬結果（140 m）非常接近。說明1-2 煤和2-2煤重復采動斷裂帶與上部侏羅系風化基巖承壓水連通，故需要采取措施防止突水。

5.2 2-2 煤開采工作面突水潰沙防控措施

分析得知檸條塔礦2-2煤層開采后覆巖導水斷裂帶將會發(fā)育到風化基巖承壓含水層，故現(xiàn)場采用超前工作面疏放承壓水。根據(jù)現(xiàn)場經驗和實施效果優(yōu)化后的方案為超前工作面300 m 從回采巷道向頂板風化基巖打鉆孔提前疏放該含水層的承壓水。其中，鉆孔向工作面內部傾斜約15°，鉆孔間距約為50 m?，F(xiàn)場實踐表明，在采取提前疏放承壓水措施后，2-2煤工作面開采過程中沒有出現(xiàn)突水潰沙災害。

6 結 語

1）神南礦區(qū)檸條塔煤礦1-2煤充分采動時，覆巖斷裂帶高度約為50 m，尚未與上部的第四系松散孔隙潛水和侏羅系風化基巖承壓水連通，故不會發(fā)生突水事故。當近距離1-2煤和2-2煤重復采動時，覆巖斷裂帶發(fā)育高度約為135～140 m，與上部侏羅系風化基巖承壓水連通，故需要采取措施防止突水。

2）現(xiàn)場采用鉆孔窺視儀實測斷裂帶的高度，在地下75 m 及以深位置存在顯著的豎向宏觀裂隙，故兩層煤開采后覆巖導水斷裂帶的高度約為135 m，這與相似模擬結果和數(shù)值模擬結果（均約為140 m）非常吻合。

3）由于1-2煤和2-2煤重復采動覆巖斷裂帶與侏羅系風化基巖承壓水連通，現(xiàn)場超前工作面300 m從回采巷道向頂板風化基巖打鉆孔提前疏放該含水層的承壓水。其中，鉆孔向工作面內部傾斜約15°，鉆孔間距約為50 m?，F(xiàn)場實踐表明，2-2煤工作面開采過程中沒有出現(xiàn)突水潰沙災害。