鄒莊煤礦32煤導水裂縫帶動態觀測與模擬聯合分析

【摘要】以鄒莊煤礦3111工作面所在區域為研究對象，本文采用井下仰斜鉆孔采動應力動態觀測、數值模擬采動破壞分析、同一監測位置應力和破壞發育趨勢對比識別方法確定開采形成的導水裂縫帶范圍。觀測和計算分有斷層和無斷層兩種條件。經過測試和研究得出，3111工作面導水裂縫帶發育受開采推進位置控制，在超前推進位置60m測孔內即可監測到覆巖內應力變化，在超前推進位置40m測孔內可監測到覆巖內應力變化達到最大值。無斷層條件下測得導水裂縫帶最大高度位置超前測點33m，導水裂縫帶高度是采厚的13.90倍，在落差3m斷層影響下測得導水裂縫帶最大高度位置超前測點25m，導水裂縫帶高度是采厚的16.60倍。覆巖結構對導水裂縫帶有控制作用，軟硬分界面往往是破壞發育的邊界。以上分析成果可為礦區地下水資源保護和減少水患提供決策依據。

【關鍵詞】導水裂縫帶；數值模擬；動態觀測；聯合分析

1、引言

煤層的開采引起的上覆巖層移動與破壞必然影響隔水層的穩定，增加地下水滲漏和突涌水威脅。覆巖移動和破壞一般可劃分出三個不同性質的破壞和變形影響帶，由下至上依次分為垮落帶、導水裂縫帶和彎曲下沉帶。導水裂縫帶的預測與實測方法主要有根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》計算、數值計算、室內模型試驗和現場實測等。原位實測是獲得采動破壞高度、范圍等分布規律的最直接手段，主要方法有沖洗液漏失量觀測、壓水試驗、聲波成像或鉆孔攝像等。其中沖洗液漏失量觀測、壓水試驗、聲波成像或鉆孔攝像等為靜態方法，只能代表某一時間狀態即開采階段的變形破壞。沖洗液漏失量觀測大多需要在地面鉆孔內實施，壓水試驗原理可靠但測試裝備的可靠性往往不高。總體而言，行之有效和充分可靠的測試還需要克服很多現實的困難。

本文以鄒莊煤礦3111工作面所在區域為研究對象，采用仰斜鉆孔實測和數值計算方法綜合分析采動覆巖導水裂縫帶高度和范圍。其特點是根據仰斜鉆孔內軸力動態監測和數值模型中相同位置軸力與破壞范圍的對應關系聯合分析獲得導水裂縫帶高度和動態發育特征，可為同類動態觀測提供借鑒。

2、鄒莊煤礦地質及開采條件

鄒莊煤礦地處安徽省淮北市濉溪縣南坪集附近，其中心東北距宿州市約25km，位于淮北煤田南部，地處宿北斷裂、光武-固鎮斷裂、豐縣-口孜集斷裂與固鎮-長豐斷裂組成的斷塊內，童亭背斜東翼的中段。鄒莊煤礦及其鄰近煤礦均未見基巖裸露。經鉆探揭露，新生界松散層下伏地層自下而上分別為奧陶系的馬家溝組、老虎山組，石炭系的本溪組、太原組，二疊系的山西組、下石盒子組、上石盒子組。石炭系、二疊系皆為含煤地層。3111工作面32煤層煤厚1.80m～3.08m，平均2.59m，煤厚變化較小，煤層穩定，直接頂板以泥巖，粉細砂巖為主，厚度一般6.43～10.5m。老頂以粉細砂巖、泥巖為主，厚度6.62～16.3m，通過巖性判斷3111工作面頂板為中硬頂板，3111工作面靠近停采線處有逆沖斷層，落差3m，風巷在逆沖斷層下。

3、井下采動破壞實測

本文采用仰斜鉆孔埋入傳感器和數值計算方法綜合分析采動覆巖破壞高度和范圍。在測試前為了指導現場測試和室內分析計算，采用經驗公式對開采破壞高度進行初步估算，得到在采厚為2.59m時上覆巖層垮落帶高度為8.30±2.2m，導水裂縫帶發育高度約為33.44±5.6m。

根據開采實際，在3111工作面設計測點2處，采用鉆孔埋置應力測試傳感器、在開采期間動態測試鉆孔軸向力變化，根據測試結果，再結合數值計算獲得的動態規律和模型試驗成果共同解釋覆巖破壞特征。兩測點分別位于兩處鉆窩內，測點布置如圖1所示。測點1鉆孔仰角50°，斜長為51m，控制垂直測試高度40m，鉆孔朝向采空區方向，與巷道成5度夾角。該孔布置拉壓力傳感器5個和壓水測試點4個。測點2布置在回采收作線外側10m的巷道附近。該鉆孔需穿過3111F4逆斷層，因此測點2的鉆孔在平面上與巷道成30°夾角偏向采面內部，仰角45°，斜長67m，控制垂直測試高度47m。該孔布置拉壓力傳感器。

應力測試使用GGLJ型振弦式鋼筋應力計，通過GSJ-2A電腦檢測儀采集測試數據。由于鉆孔埋入傳感器時采用PVC花管作為導向和支架，以及注漿和封孔，傳感器與周圍巖層接觸關系較為復雜。本文在監測結果初步分析的基礎上，僅以各測點數據動態變化趨勢作為分析依據，其數據絕對值與開采條件對應關系尚需進一步研究與試驗。

根據測試，繪制測試成果曲線如圖2和圖3。根據曲線動態變化特征，結合地層性質與厚度，將鉆孔軸線上由壓轉拉的范圍定為導水裂縫帶的上界，與開采推進位置對應關系可根據圖2和圖3水平坐標判定。

4、覆巖破壞高度數值的模擬分析

為研究3111工作面采后上覆巖層破壞分布規律，根據研究區的地質測繪成果和各煤層資料，選取過兩處測點的縱向剖面作為試驗和計算研究的基本原型，建立FLAC3D數值計算模型，如圖4所示。采用Mohr-Coulomb塑性本構模型和Mohr-Coulomb破壞準則對煤層頂板采動破壞特征進行計算。得到計算結果如圖5。

根據圖4塑性區分布特征分析，在沒有斷層的影響下，采空區上方頂板為拉張破壞區，兩側煤柱上浮為剪切破壞區；在有逆沖斷層的影響下，導水裂縫帶已經影響到斷層，但沒有向斷層上部巖層發展，表明斷層對破壞可以起到屏障作用，抑制破壞帶向上發育，在水平方向上，由于逆沖斷層的影響，塑性區已經與斷層貫通。

根據開采結束后塑性區分布得到，32煤開采后的垮落帶高度為12m，導水裂縫帶高度為33m。在逆沖斷層的影響下使得頂板破壞高度有一定的上升，斷層側導水裂縫帶高度為45m，遠離斷層側導水裂縫帶高度60m，為不對稱分布。

5、實測結果與數值模擬聯合分析

由于實測鉆孔軸力不能直觀反應巖體裂隙發育的真實情況，以下鎖定實測測點位置，通過實測軸力變化和數值模擬應力變化與覆巖破壞的對應關系，分析導水裂縫帶的動態發育特征。

根據數值模擬可獲得對應鉆孔測點處軸向應力的動態演化曲線，如圖6。

根據測得的軸向力和計算獲得的軸向應力曲線，測點1軸向應力總體隨開采推進呈現先升后降的變化趨勢。根據計算結果，推進至距離測試鉆窩40m時，鉆孔內軸向力達到最大值，隨埋深大于38.34m范圍軸向應力呈現一致性下降趨勢，埋深小于25.95m范圍軸力表現為先增長再下降趨勢，上下兩段變化趨勢明顯不同，其間埋深38.34m-25.95m孔段為過渡帶。根據測試，當開采推進到距離測試鉆窩38m-26m距離時，以33m處為最顯著，測試鉆孔埋深為38.34m處明顯為拉應力，該點以上處于軸力釋放狀態，以下軸力呈低幅度增長或釋放狀態，與計算結果相比存在變化趨勢和分帶的相似性。通過應力計算和軸力測試成果的相似性分析，結合地層巖性特征，可初步劃定測點位置1覆巖導水裂縫帶高度為煤層頂板以上36.0m。

根據計算結果，由于受斷層的影響，測點2鉆孔內軸力在超前推進位置60m開始分化，超前40m變化達到極值，其中埋深55-65m段軸力一致性降低，埋深30-45m段軸力增大到極值后下降，埋深15-20m段軸力一致性增長，呈現為三段兩過渡帶的特征。根據塑性區分布，上部過渡帶可判斷為導水裂縫帶上界。根據測試結果，在推進到距離測試鉆窩34-16m處，以25m最為顯著，測試鉆孔內各點軸力出現明顯分化，其中孔內上段和斷層帶以下測點均以壓應力為主，斷層帶及臨近區域，呈現明顯的拉伸應力狀態，表明開采造成拉伸已經波及斷層帶。根據塑性區分析，破壞已達到斷層帶，由此可確定導水裂縫帶高度為煤層頂板以上43m。

根據以上分析可知，實測軸力與數值模擬結合，可以反饋導水裂隙帶發育特征，其中軸力由壓轉拉或拉轉壓過渡帶是判別采動破壞帶的重要線索之一。

6、結論

1）通過數值模擬計算和塑性區分析，在無斷層影響下，開采32煤，采厚2.59M時，導水裂縫帶最大高度40m；在有逆沖斷層的影響下，開采32煤，采厚2.59m時，導水裂縫帶最大高度60m。

2）通過實測鉆孔內的軸力與模擬分析得出，在無斷層條件下導水裂縫帶最大高度位置超前測點33m，導水裂縫帶高度36m，是采厚的13.90倍，在落差3m斷層影響下測得導水裂縫帶最大高度位置超前測點25m，測試位置導水裂縫帶高度43m，是采厚的16.60倍。

3）通過觀測和實時決策，可為地下水資源保護和預防突水災害提供決策依據。通過實測和數值模擬聯合分析軸力與破壞區的對應關系，在鉆孔內植入拉壓傳感器觀測軸力演化的方法有可能成為全開采過程動態觀測的重要手段之一。

參考文獻：

[1]煤炭科學研究總院北京開采所.煤礦地表移動與覆巖破壞規律及其應用[M].北京：煤炭工業出版社，1983.

[2]劉天泉.礦山巖體采動影響與控制工程學及其應用[J].煤炭學報，1995（01）：1-5.

[3]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京：煤炭工業出版社，2000：

[4]崔安義.基于EH-4大地電磁法探測導水裂縫帶發育高度[J].煤炭科學技術，2012，40（8）：97-99，102.

[5]張艷，郭亮亮，龍建霖.基于鉆孔沖洗液漏失量觀測的導水裂隙帶特征研究[J].內蒙古煤炭經濟，2015（06）：116-117.

[6]李文生，李文，尹尚先.綜采一次采全高頂板導水裂縫帶發育高度研究[J].煤炭科學技術，2012，40（6）：104-107.

作者簡介：吳發宏，男，工程師，現任安徽神源煤化工有限公司副總工程師，長期從事礦井地質技術管理和防治水工作。