新疆塔什店礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)

摘要：上覆巖層具有含水層的煤層開采有煤層透水的潛在危險(xiǎn)性，有效預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度對(duì)預(yù)防開采過程中煤層透水具有重要意義。新疆塔什店礦區(qū)一號(hào)礦井具有7層煤層，亟需開展導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)，評(píng)估上覆含水層對(duì)煤層開采的影響程度。本文采用典型有限差分軟件FLAC3D，對(duì)塔什店礦區(qū)一號(hào)礦井煤層開采覆巖發(fā)育規(guī)律進(jìn)行模擬分析，揭示多層煤層開采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶與上覆含水層的位置關(guān)系。結(jié)果顯示，在煤層推進(jìn)長度為600m時(shí)，煤層開挖后上覆含水層底板產(chǎn)生較小程度的下沉。導(dǎo)水裂隙帶高度擴(kuò)展至8-1煤層頂板以上30～40m，距含水層底板仍有57～67m距離，煤層開采導(dǎo)水裂隙帶難以擴(kuò)展至該含水層。各煤層開挖后，含水層底板位置的垂直應(yīng)力與開挖前相差較小。該研究成果可有效指導(dǎo)塔什店礦區(qū)一號(hào)礦井煤層開采活動(dòng)。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)水裂隙帶；數(shù)值模擬；多層煤層開采；塔什店礦區(qū)

中圖分類號(hào)：TD745 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.08.004

引文格式：路兵，楊海博.新疆塔什店礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)［J］.山東國土資源，2024，40（8）：23-28.LU Bing， YANG Haibo. Development Height Predication of Transmission Fissure Zone in Tashidian Mining Area in Xinjiang Uygur Autonomous Region［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（8）：23-28.

0 引言

隨著我國煤炭開發(fā)利用程度加劇，東部地區(qū)煤炭資源日漸枯竭，產(chǎn)量萎縮。中部地區(qū)受資源與環(huán)境約束的矛盾日益加劇，資源開發(fā)加速向生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱的西部地區(qū)轉(zhuǎn)移［1-4］。在生態(tài)環(huán)境脆弱的西部地區(qū)，受到含水層影響的煤炭層開采不僅可能威脅煤礦生產(chǎn)工作，還可能引起地下水位大幅度下降，導(dǎo)致一系列的生態(tài)環(huán)境問題［5-6］。

冒落帶與裂隙帶合稱為導(dǎo)水裂隙帶，為開采造成的破壞影響范圍［7］。導(dǎo)水裂隙帶的分布形態(tài)和最大高度是開展水體下采煤的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其主要受到覆巖力學(xué)性質(zhì)和不同煤層開采厚度的影響［7-8］。研究預(yù)測(cè)裂隙帶的發(fā)育高度，確定多層煤層開采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶與上覆含水層的位置關(guān)系，對(duì)防止礦井突水事故的發(fā)生和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要指導(dǎo)意義［9-11］。

目前，導(dǎo)水裂隙帶的主要研究方法有理論分析、物理相似模擬、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等［12-16］。其中，數(shù)值模擬能夠獲取采礦中覆巖冒落過程的足夠信息，預(yù)測(cè)給定開采條件下覆巖應(yīng)力、位移、塑性區(qū)演化規(guī)律，得到以往研究者的廣泛應(yīng)用［17-18］。新疆塔什店礦區(qū)一號(hào)礦井具有7層煤層，亟需開展導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)，評(píng)估上覆含水層對(duì)煤層開采的影響程度。為此，本文以新疆庫爾勒塔什店礦區(qū)一號(hào)礦井為例，采用FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)各煤層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行對(duì)比分析，預(yù)測(cè)礦井7層煤開采過程中覆巖含水層對(duì)礦井現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的影響程度，為礦井工作面布置、采區(qū)接續(xù)等安全生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

塔什店礦區(qū)一號(hào)礦井位于新疆庫爾勒市塔什店煤礦區(qū)東北角（圖1），為沉積盆地的邊緣，屬低山丘陵地帶，地勢(shì)西高東低，北高南低［19-20］。該區(qū)屬暖溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫11.4℃，年平均降水量58.6mm，年潛在蒸發(fā)量為2788.2mm。井田內(nèi)無水系，南部發(fā)育的小沖溝，僅在降水大時(shí)偶有短暫水流，一般多呈干涸狀態(tài)。發(fā)源于博斯騰湖的孔雀河從井田外東南部由東向西流過，孔雀河流量常年穩(wěn)定，平均年徑流量為12.1億m3。

塔什店礦區(qū)一號(hào)礦井整體為單斜構(gòu)造，地層構(gòu)造較簡單，井田內(nèi)控制全區(qū)、大部、局部可采煤層7層，從下至上編號(hào)為13、12、10、9、8-3、8-2和8-1號(hào)煤，可采煤層總厚21.92m，煤層傾角4°～24°。在8-1煤上覆的第三系漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)桃樹園組孔隙裂隙含水層，壓力水頭達(dá)0.44MPa，經(jīng)44個(gè)鉆孔揭露，其厚度達(dá)64.91～158.00m，平均厚116.48m。該含水層井田內(nèi)單位涌水量0.1L/（s·m）lt;qlt;1.00L/（s·m），滲透系數(shù)0.0469～0.2288m/d，屬中等富水性，為煤礦開采主要充水水源。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

FLAC3D數(shù)值模擬軟件廣泛應(yīng)用于巖土工程等相關(guān)方向［17，21］。其通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實(shí)際結(jié)構(gòu)。在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動(dòng)后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動(dòng)。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠準(zhǔn)確地模擬材料的塑性變形、破壞和流動(dòng)［22-24］。該模擬軟件采用顯式的“時(shí)間推進(jìn)”有限體積解方案；對(duì)于每一個(gè)時(shí)間步長，計(jì)算步驟如下：由節(jié)點(diǎn)速度導(dǎo)出新的應(yīng)變速率；利用本構(gòu)方程由應(yīng)變率和前一時(shí)刻的應(yīng)力計(jì)算新的應(yīng)力；利用運(yùn)動(dòng)方程由應(yīng)力和力推導(dǎo)出新的節(jié)點(diǎn)速度和位移。其中，應(yīng)變張量計(jì)算公式為：

式中：ζij為應(yīng)變張量；V為體積；vi和vj為速度分量；n為指向外側(cè)的單位法向量；l為節(jié)點(diǎn)；S為表面積。此外，應(yīng)力張量計(jì)算公式為：

式中：△σij為應(yīng)力張量；△[AKσˇ]為旋轉(zhuǎn)應(yīng)力增量；△σCij為應(yīng)力修正量。

結(jié)合塔什店一號(hào)井相關(guān)地質(zhì)資料，基于井筒檢查孔具體柱狀圖，確定煤層賦存模型（圖2）。在不影響模擬結(jié)果的前提下，模型圖中部分厚度較小且?guī)r性相近的巖層（如細(xì)砂巖和粉砂巖）合并為一層，生成數(shù)值模型（圖3）。模型建立過程中，考慮現(xiàn)場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定范圍，沿煤層走向方向模型長度取1000m；沿高度方向，包括主要含水層及所有可采煤層在內(nèi)的巖層高度取700m。模型上方230m巖層以垂直應(yīng)力的形式施加于模型上表面。上覆230m巖層平均容重取22kN/m3，則施加的垂直應(yīng)力為5.06MPa。由于模型傾向方向全部開挖，其具體厚度對(duì)模擬結(jié)果無影響，考慮網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算速度的影響，在模型傾向方向取100m。

2.2 模擬分析

模型建立完成后進(jìn)行8-1煤開挖試驗(yàn)。煤層開挖時(shí)，在模型左右兩側(cè)分別留設(shè)200m邊界煤柱，則沿走向方向，煤層推進(jìn)長度為600m。為有效監(jiān)測(cè)含水層位移情況，在含水層底板位置設(shè)置監(jiān)測(cè)線，監(jiān)測(cè)含水層底板位置應(yīng)力、位移具體情況。開挖區(qū)域及監(jiān)測(cè)線設(shè)置如圖4所示。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)煤層開采具體情況，600m開挖范圍內(nèi)上覆巖層足以達(dá)到充[LM]

分采動(dòng)影響邊界，分析此時(shí)覆巖塑性區(qū)擴(kuò)展規(guī)律，結(jié)合覆巖應(yīng)力、位移演化規(guī)律，確定8-1煤采動(dòng)后上覆含水層對(duì)其的影響情況。

8-1煤模擬完畢，以同樣的方式逐步進(jìn)行8-2煤、8-3煤、9煤、10煤、12煤和13煤開挖，并進(jìn)行覆巖應(yīng)力、位移、塑性區(qū)演化規(guī)律分析，確定所有煤層全部開采后上覆塑性區(qū)擴(kuò)展規(guī)律，分析塑性區(qū)與上覆含水層的連接情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 位移演化結(jié)果

基于模型模擬數(shù)據(jù)，在煤層推進(jìn)長度為600m的條件下，各個(gè)煤層開挖后得到上方含水層底板垂直位移演化規(guī)律（圖5）和覆巖垂直位移演化云圖（圖6）。

結(jié)果顯示，煤層開挖后采空區(qū)上覆巖體產(chǎn)生一定程度的下沉，各煤層的頂板巖層下沉量較大，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育。但在含水層底板位置，含水層近于發(fā)生整體下沉，而且其下沉量較小。開挖煤層數(shù)逐漸增多，導(dǎo)水裂隙帶逐漸發(fā)育，上覆含水層底板下沉量也逐漸增大。在8-1煤層采出后，含水層最大下沉量為33.47mm；8-2煤層開采后含水層最大下沉量累計(jì)達(dá)到39.77mm；8-3煤層開采后，其下沉量為42.55mm；9煤開采后，其下沉量為54.64mm；10煤開采后其下沉量為64.19mm；12煤開采后其下沉量為95.81mm；13煤開采后其下沉量累計(jì)達(dá)到103.70mm。在煤層上覆含水層下方有一層8m厚的泥巖隔水層，則各個(gè)煤層開采產(chǎn)生的較小下沉量，煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度擴(kuò)展至8-1煤層頂板以上30～40m處，與上覆含水層底板仍有57～67m的有效隔水層保護(hù)帶，因此導(dǎo)水裂隙帶難以擴(kuò)展至上覆含水層。

3.2 應(yīng)力演化結(jié)果

在煤層推進(jìn)長度為600m的條件下，各個(gè)煤層開采后得到上方含水層底板位置垂直應(yīng)力演化規(guī)律如圖7所示，覆巖垂直應(yīng)力演化云圖如圖8所示。

煤層開挖后，在開挖區(qū)域上下一定范圍內(nèi)形成卸壓帶。含水層底板位置埋深277m，該處位置巖層平均容重取23kN/m3，對(duì)應(yīng)該位置原巖應(yīng)力約6.371MPa，則在8-1煤層采出后，含水層底板位置垂直應(yīng)力降低為3.932MPa，此時(shí)該處應(yīng)力降低為原巖應(yīng)力的61.7%；8-2煤層開采后含水層底板位置應(yīng)力降低為原巖應(yīng)力的61.1%，為3.893MPa；8-3煤層開采后，含水層底板垂直應(yīng)力降低為3.868MPa，為原巖應(yīng)力的60.7%；9煤開采后，其垂直應(yīng)力降低為3.731MPa，此時(shí)該處應(yīng)力降低為原巖應(yīng)力的58.6%；10煤開采后其垂直應(yīng)力降低為3.610MPa，為原巖應(yīng)力的56.7%；12煤開采后其垂直應(yīng)力降低為3.218MPa，此時(shí)該處應(yīng)力降低為原巖應(yīng)力的50.5%；13煤開采后其垂直應(yīng)力降低為3.135MPa，為原巖應(yīng)力的49.2%?？傮w上含水層底板隨著各煤層開采后，垂直應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，含水層底板無裂隙擴(kuò)展，導(dǎo)水裂隙高度穩(wěn)定在8-1煤層頂板以上30～40m的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

（1）塔什店礦區(qū)一號(hào)礦井在煤層推進(jìn)長度為600m時(shí)，煤層開挖后覆巖產(chǎn)生一定程度的下沉，但下沉量較小，導(dǎo)水裂隙帶高度為30～40m，距含水層底板有57～67m的有效隔水層保護(hù)帶，煤層開采導(dǎo)水裂隙帶難以擴(kuò)展至上覆含水層。

（2）煤層開挖后，在開挖區(qū)域上下一定范圍內(nèi)形成卸壓帶。各煤層開挖后，受卸壓作用的影響，在含水層底板位置的垂直應(yīng)力與開挖前相差較小。

參考文獻(xiàn)：

［1］謝克昌.中國煤炭清潔高效可持續(xù)開發(fā)利用戰(zhàn)略研究［M］.北京：科學(xué)出版社，2014：1-20.

［2］嚴(yán)曉輝，楊芊，高丹，等.我國煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化發(fā)展研究［J］.中國工程科學(xué)，2022，24（6）：19-25.

［3］魯曉威，李洪亮，劉紅，等.濟(jì)寧泰安菏澤地區(qū)采煤塌陷地復(fù)墾措施探討［J］.山東國土資源，2021，37（7）：54-59.

［4］鄭國棟，尹亞軍，劉康，等.山東省采煤塌陷地綜合治理實(shí)踐與思考［J］.山東國土資源，2021，37（7）：75-80.

［5］顧大釗，曹志國，李井峰，等.煤礦地下水庫技術(shù)原創(chuàng)試驗(yàn)平臺(tái)體系研制及應(yīng)用［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2023：1-14.

［6］顧大釗.煤礦地下水庫理論框架和技術(shù)體系［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2015，40（2）：239-246.

［7］魏世榮，趙延林，戚春前，等.多煤層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育與覆巖破壞高度規(guī)律［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，37（2）：18-26.

［8］高保彬，劉云鵬，潘家宇，等.水體下采煤中導(dǎo)水裂隙帶高度的探測(cè)與分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（S1）：3384-3390.

［9］曹艷玲，田振環(huán)，王琳.海域煤層防水安全煤柱估算方法評(píng)述：以山東省黃縣煤田梁家煤礦擴(kuò)大區(qū)（西海域）為例［J］.山東國土資源，2016，32（2）：73-76.

［10］王繼芳，韓廷寶，杜顯彪，等.滕縣煤田濱湖煤礦16煤層開采充水條件淺析［J］.山東國土資源，2016，32（1）：41-46.

［11］李軍，朱世芳，安茂國，等.隱伏鐵礦礦井充水機(jī)理分析與防治水措施［J］.山東國土資源，2022，38（6）：33-40.

［12］許家林，王曉振，劉文濤，等.覆巖主關(guān)鍵層位置對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（2）：380-385.

［13］林海飛，李樹剛，成連華，等.覆巖采動(dòng)裂隙演化形態(tài)的相似材料模擬實(shí)驗(yàn)［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（5）：507-512.

［14］趙高博，郭文兵，婁高中，等.基于覆巖破壞傳遞的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度研究［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2019，47（2）：144-150.

［15］于水，黃克軍，楊建輝.曹家灘煤礦首采面導(dǎo)水裂隙帶高度研究［J］.陜西煤炭，2020，39（S1）：42-46.

［16］林建成，郭林生，李可，等.覆巖采動(dòng)裂隙演化規(guī)律相似材料模擬試驗(yàn)［J］.陜西煤炭，2021，40（2）：14-18.

［17］臧浩，種衍飛，馮堂武，等.基于FLAC～（3D）數(shù)值模擬的老采空區(qū)剩余沉降量分析計(jì)算：以山東棗莊安博化工項(xiàng)目為例［J］.山東國土資源，2015，31（7）：55-58.

［18］孫振洋.鷹駿三號(hào)井田2煤層頂板“兩帶”高度數(shù)值模擬研究［J］.煤炭與化工，2023，46（1）：60-64.

［19］蒲朝陽，鄧昀，邵公育，等.塔什店礦區(qū)一號(hào)礦井井筒檢查孔施工工藝研究［J］.煤炭技術(shù)，2016，35（10）：41-44.

［20］崔德廣，霍少磊.新疆庫爾勒市塔什店礦區(qū)一號(hào)礦井涌水量預(yù)測(cè)［J］.中國西部科技，2011，10（14）：47.

［21］王緒民，雷志超，李劍.基于FLAC3D的斜坡塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性研究［J］.地下水，2021，43（6）：185-188.

［22］BOCK S. New open-source ANSYS-SolidWorks-FLAC3D geometry conversion programs［J］. Journal of Sustainable Mining， 2015， 14（3）： 124-132.

［23］FENG W， WERE P， LI M， et al. Numerical study on hydraulic fracturing in tight gas formation in consideration of thermal effects and THM coupled processes［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2016， 146： 241-254.

［24］LU X， MENGEN S， WANG P. Numerical simulation of the composite foundation of cement soil mixing piles using FLAC3D［J］. Cluster Computing， 2019， 22（4）： 7965-7974.

Development Height Predication of Transmission Fissure Zone" in Tashidian Mining Area in Xinjiang Uygur Autonomous Region

LU Bing1， YANG Haibo2

（1. Xintai Bureau of Natural Resources and Planning， Shandong Xintai 271200， China; 2. Shandong Zhengyuan Geological Exploration Institute of China Metallurgical Geology Bureau， Shandong Ji'nan 250000， China）

Abstract： The mining of coal layers with aquifers in overlying strata has the potential risk of seepage. It is of great significance to effectively predicate the development height of the water conducting fracture zone to prevent the coal seam from permeability during mining. There are 7 coal layers in No. 1 mine of Tashidian mining area in Xinjiang Uygur Autonomous Region. It is urgent to carry out the predication of the development height of transmission fissure zones and evaluate the influence of overlying aquifers on coal layers mining. In this paper， typical finite difference software FLAC3D has been used to simulate and analyze the overlying rock development law of coal seam mining in No. 1 coal mine of Tashidian mining area. The position relationship between the transmission fissure zone and the overlying aquifer has been revealed. It is showed that when the coal layer advancing length is 600m， the bottom of the overlying aquifer will sink to a small degree after coal layer excavation. The height of transmission fissure zone extends to 30～40m above the roof of 8-1 coal layer， and there is still a distance of 57～67m from the aquifer floor. It is difficult for the transmission fissure zone of coal seam mining to expand to the aquifer. After the excavation of each coal seam， the difference in vertical stress in the position of the aquifer floor is small compared with that before excavation. The research results can effectively guide the coal layer mining activities of No. 1 coal mine in Tashidian mining area.

Key words： Transmission fissure zone; numerical simulation; multiple coal layers mining; Tashidian mining area

收稿日期：2023-11-27；修訂日期：2024-01-23；編輯：曹麗麗

作者簡介：路兵（1985—），男，山東濰坊人，高級(jí)工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)及礦產(chǎn)開發(fā)工作；E-mail：xtdhke@163.com