覆巖導水裂隙發育的影響因素分析

何建東，孫 瑞，曾 文

(1.合肥工業大學資源與環境工程學院，安徽合肥230009;2.安徽省地質礦產勘查局313地質隊，安徽 六安237010)

關鍵層理論提出后，許多學者對其進行了研究，許家林、王曉振等人針對關鍵層位置、厚度以及是否存在主亞關鍵層等情況進行考慮，分析其對導水裂隙發育的影響［1－4］;繆協興等人提出的隔水關鍵層原理應用于采煤保水［5－7］;研究覆巖導水裂隙發育的方法主要包括現場實測統計分析、數值模擬試驗和物理模擬試驗［8－9］。由于祁東煤礦在采煤過程中發生過多次的壓架突水事故［10］，故本文基于關鍵層理論，采用數值模擬方法，選取關鍵層位置、關鍵層距四含距離、關鍵層破斷步距和關鍵層間距這四種典型因素，研究它們對導水裂隙發育的影響，并采用正交試驗設計方法確定各因素及其變化(或稱為水平)的最優組合，確定模擬步驟［11］，討論影響導水裂隙發育的主要因素及其重要性排序。

1 正交試驗方案設計

本文研究松散承壓含水層下采煤引起的突水壓架事故原因，在影響導水裂隙發育的各種原因中選取4種典型因素，每種因素在3個水平上進行正交試驗，選取正交試驗表L9(34)進行試驗安排，見表1。

表1 正交表L9(34)Tab.1 Orthogonal table L9(34)

表2 UDEC數值模擬參數Tab.2UDEC parameters of numerical model

2 數值模型確定

在正交試驗中，統一以祁東煤礦典型工作面四含承壓含水層埋深350 m，四含厚度20 m，采煤高度2 m，主關鍵層厚度5 m，亞關鍵層厚度3 m進行計算，當試驗中僅有一層主關鍵層時，關鍵層間距為主關鍵層至直接頂的距離。每次計算中推進10 m，模型左右各留40 m長度的保護邊界。主亞關鍵層按照實際工作面來壓步距劃分。主關鍵層每隔50 m，劃分一個結構面，亞關鍵層每隔20 m劃分一個結構面。

模型邊界條件的確定:模型在左右邊界設置水平方向約束，固定x方向位移，在底部界面固定y方向位移，在頂部設置上部缺省松散土層的自重應力。模型塊體單元采用摩爾庫倫塑性本構，節理單元采用摩爾庫倫滑移本構，主要計算參數見表2，模型見圖1。

3 計算結果及分析

3.1 模擬結果處理

利用UDEC軟件對9個試驗進行數值模擬，結果利用直觀分析法分析(見表3)。

直觀分析法是通過對每一因素的極差來分析問題，某種因素極差越大表明此種因素對整個試驗結果影響越大，各因素按照極差大小排列，可以得出影響整個試驗結果的主次順序，從而得出影響試驗結果的優水平和優組合。

本次正交試驗結果的直觀分析步驟如下:(1)列出正交試驗表，并在表尾增加一列，用于填寫每次正交試驗結果。

(2)計算某種因素在某種水平下的試驗結果之和，例如在本次正交試驗中，關鍵層距離四含距離這種因素在9次試驗中第1種水平作用下，進行了3次試驗，分別是試驗1、試驗2和試驗3。統計3次試驗中，導水裂隙發育高度之和K1=140 m+118 m+160 m，并計算K1平均值k1。

(3)計算極差R值，R為最大和最小均質之差。

(4)統計各因素極差R值大小，從大到小排列。由于本次計算得到的是導水裂隙發育最大高度，在考慮到突水性時，應把某種能使導水裂隙發育高度最小的因素作為主要因素。

(5)按照極差大小，分出優水平和優組合。(6)畫出各因素的效應曲線圖。

3.2 因素分析

(1)根據表3可知，各因素對裂隙發育的影響重要性排序:關鍵層距四含距離＞關鍵層位置＞關鍵層破斷步距＞關鍵層間距。

(2)由圖2可更直觀的看出關鍵層與承壓含水層距離越大，導水裂隙高度越大。其根本原因在于:關鍵層破斷時，其控制的上覆巖層中有一部分巖層要隨之破斷垮落，另一部分巖層要彎曲下沉。彎曲下沉帶整體彎曲下沉的范圍也要隨著破斷巖層范圍的增加而增加，最終導致大范圍的破斷巖層中產生大高度的導水裂隙，并與大范圍的彎曲下沉帶中的導水裂隙相互貫通，形成導水通道，最終發生突水事故。

(3)主亞關鍵層距離對導水裂隙發育高度影響特點如下:當主亞關鍵層之間距離在25～20 m范圍時，導水裂隙高度隨著兩者之間距離的減少而減少;但是當主亞關鍵層距離小于20 m之后，導水裂隙高度基本不發生變化;當基巖厚度小于某臨界值時(正交試驗中，臨界值為20 m)，主亞關鍵層復合破斷造成的影響不明顯，亞關鍵層的破斷可以看做是一層基巖的破斷。

表3 正交試驗直觀分析表Tab.3 Intuitive analysis of Orthogonal table

(4)當主關鍵層在上部時，下部亞關鍵層破斷時，導水裂隙一直被限制在主關鍵層之下，并且由于主關鍵層在上部，減小了主關鍵層離承壓含水層之間的距離，導水裂隙高度不會很高。

當主關鍵層在下部時，主關鍵層的破斷造成上部亞關鍵層的破斷，而亞關鍵層是不能很好抑制主關鍵層破斷造成的影響，導水裂隙最少也要發育至亞關鍵層之上。

主關鍵層在下部時，變相增加了主關鍵層離承壓含水層之間的距離，造成主關鍵層控制的基巖厚度變大。一旦主關鍵層破斷時，大范圍的破斷巖層中將產生高度明顯發育的導水裂隙。

(5)主關鍵層破斷步距對導水裂隙發育高度影響大小依次為:破斷步距60 m，破斷步距40 m，破斷步距50 m。主關鍵層破斷步距50 m是一個臨界值，在此種破斷步距影響下，導水裂隙高度最小。

4 結論

1)關鍵層距承壓含水層距離和關鍵層位置這兩種因素最能影響導水裂隙的發育。因素對結果影響主次是:關鍵層距四含距離＞關鍵層位置＞關鍵層破斷步距＞關鍵層間距。

2)最優組合是關鍵層距四含距離60 m，關鍵層間距20 m，主關鍵層位置在上部，主關鍵層破斷步距50 m，在這種組合中，導水裂隙發育高度最小，在工作面大周期來壓期間最不易發生突水事故。

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