榆陽礦區(qū)覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度研究*

趙兵朝，王守印，劉晉波，賀銅章，魚智讓，劉　浪,張　杰

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜西銀河煤業(yè)開發(fā)有限公司，陜西 榆林 719099)

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榆陽礦區(qū)覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度研究*

趙兵朝1，2，王守印1，2，劉晉波3，賀銅章3，魚智讓3，劉浪1，2,張杰1，2

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜西銀河煤業(yè)開發(fā)有限公司，陜西 榆林 719099)

為了準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)榆陽礦區(qū)覆巖導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度，從而達(dá)到該區(qū)域保水開采的目的，以榆陽礦區(qū)煤層賦存條件較為典型的薛廟灘煤礦開采為背景，理論分析了主關(guān)鍵層位置、基載比、基采比等開采參數(shù)對覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的影響，并采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M了薛廟灘煤礦開采時(shí)上覆巖層的移動(dòng)變形規(guī)律。研究結(jié)果表明：覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度與主關(guān)鍵層在“三帶”中的位置有著密切的關(guān)系，主關(guān)鍵層位置可通過基載比和基采比進(jìn)行判斷，結(jié)合巖層斷裂與其自身拉伸變形的關(guān)系，可以確定出覆巖導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度；計(jì)算出薛廟灘煤礦煤層開采后導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為167.21 m，即發(fā)育至地表。研究成果為進(jìn)一步研究榆陽礦區(qū)“保水開采”奠定了理論基礎(chǔ)。

導(dǎo)水裂縫帶；關(guān)鍵層；拉伸變形；基載比；基采比

2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China；

3.YingheCoalIndustryCo.Ltd.，Yulin719099，China)

0　引　言

陜北榆陽礦區(qū)位于毛烏素沙漠南緣，地下煤層儲量豐富，地表生態(tài)環(huán)境脆弱，且該區(qū)域煤層埋藏較淺，具有基巖薄、松散層厚、開采高度大等特點(diǎn)。陜北淺埋煤層的開采實(shí)踐表明，在大采高條件下，淺部煤層開采極易使覆巖導(dǎo)水裂縫突破隔水關(guān)鍵層，從而波及含水層甚至地表，導(dǎo)致水位下降，加劇生態(tài)環(huán)境的惡化進(jìn)程[1]。因此，實(shí)現(xiàn)“保水開采”對于保護(hù)榆陽礦區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境已刻不容緩，而“保水開采”的關(guān)鍵技術(shù)是避免采空區(qū)覆巖導(dǎo)水裂縫帶與含水層相貫通，其中控制和預(yù)測覆巖導(dǎo)水裂縫帶的高度是這一技術(shù)的重中之重[2-3]。

目前覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的研究成果很多，具有代表性的有：高延法[4]提出了中間層的概念，并采用兩段圓弧擬合巖層下沉盆地的邊緣曲線，研究了覆巖導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)裂隙巖層導(dǎo)水性與覆巖巖層層向拉伸變形的關(guān)系；許家林[5]在深入研究覆巖關(guān)鍵層對導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了通過覆巖關(guān)鍵層位置來預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶高度的方法；弓培林[6]應(yīng)用關(guān)鍵層理論研究了采場覆巖結(jié)構(gòu)特征及移動(dòng)規(guī)律，認(rèn)為大采高的垮落帶及裂隙帶高度與覆巖關(guān)鍵層的分布特征密切相關(guān)；康建榮[7]根據(jù)覆巖的破壞機(jī)理，在考慮覆巖巖性、厚度和埋深等因素的基礎(chǔ)上，建立覆巖巖層斷裂時(shí)臨界開采長度的計(jì)算模型；范志勝[8]利用變形分析方法根據(jù)工作面推進(jìn)過程中引起的上覆巖層水平拉伸變形的大小，結(jié)合該巖層的力學(xué)性質(zhì)來判斷其是否導(dǎo)水，從而確定導(dǎo)水裂縫帶的高度；文中作者[4]提出了導(dǎo)水裂縫帶廣義損傷因子的概念，研究了導(dǎo)水裂縫帶高度與廣義損傷因子的關(guān)系等。可見，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度與關(guān)鍵層位置、覆巖巖性、開采厚度、基巖厚度和載荷層厚度等開采參數(shù)有著密切的關(guān)系。

文中以榆陽礦區(qū)煤層賦存條件較為典型的薛廟灘煤礦為工程實(shí)例，通過理論分析與相似材料模擬實(shí)驗(yàn)對其覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度進(jìn)行研究，為薛廟灘煤礦水體下安全開采提供了理論依據(jù)，對進(jìn)一步研究榆陽礦區(qū)“保水開采”奠定了理論基礎(chǔ)。

1　覆巖斷裂與巖層拉伸變形量的關(guān)系

覆巖變形破壞與覆巖巖性、開采厚度、基巖厚度和載荷層厚度等開采參數(shù)有著密切的關(guān)系。由文獻(xiàn)[4]、[9]可知，采場上覆巖層中的任一巖層隨著工作面的推進(jìn)而發(fā)生彎曲下沉，相對于巖層原始狀態(tài)，此時(shí)該巖層的中間層會發(fā)生層向拉伸變形，當(dāng)層向拉伸變形量大于其臨界拉伸變形量時(shí)該巖層就成為導(dǎo)水裂縫帶巖層，結(jié)合覆巖下沉函數(shù)的分布形態(tài)，認(rèn)為覆巖下沉曲線的內(nèi)外邊緣曲線可采用兩段橢圓曲線進(jìn)行擬合，如圖1所示。因此，可通過計(jì)算巖層的層向拉伸變形量來判別其是否斷裂成為導(dǎo)水裂縫帶巖層，巖層彎曲變形后的總拉伸變形量為

(1)

式中L0為巖層彎曲變形前的直線段長度，m； L1為巖層彎曲變形后的曲線段弧長，m.

由圖1可知，橢圓曲線的短半軸la/2為巖層最大下沉值的一半，即la/2=w(z)/2；橢圓曲線的長半軸lb/2等于巖層的影響半徑r(z)，為便于計(jì)算，可近似認(rèn)為巖層影響半徑r(z)與地表主要影響半徑r相等。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系及橢圓的幾何性質(zhì)，可得出L0，L1的計(jì)算公式如下

(2)

圖1　巖層彎曲下沉幾何模型Fig.1　Geometrical model of rock stratum’s bending and subsidence

將式(2)代入式(1)，得出巖層彎曲變形后的總拉伸變形量為

(3)

當(dāng)巖層的拉伸變形量大于其臨界拉伸變形量，即ε>[ε]時(shí)，可判定該巖層斷裂成為導(dǎo)水裂縫帶巖層。

2　主關(guān)鍵層與導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的關(guān)系

2.1主關(guān)鍵層在“三帶”中的位置

關(guān)鍵層判定首先需計(jì)算出巖梁所承受的載荷，然后進(jìn)行關(guān)鍵層剛度(變形)判別，同時(shí)還必須滿足關(guān)鍵層的強(qiáng)度條件，最后確定出覆巖中主關(guān)鍵層與亞關(guān)鍵層的位置[10]。

主關(guān)鍵層對采場上覆巖層活動(dòng)起主要的控制作用，且對導(dǎo)水裂縫具有較大的抑制作用，因而其在“三帶”中的位置對于研究導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度具有重要的意義。由文獻(xiàn)[11-12]可知，主關(guān)鍵層在覆巖中的位置與基載比(簡稱JZ)和基采比(簡稱JC)有如下關(guān)系

當(dāng)JZ<0.8，JC<10～15且開采高度較大時(shí)，主關(guān)鍵層位于“冒落帶”，覆巖表現(xiàn)為“三帶合一”現(xiàn)象；當(dāng)JZ<0.8，10～150.8，JC>25且開采高度較小時(shí)，主關(guān)鍵層位于“彎曲下沉帶”。

2.2確定導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度

通過基載比JZ和基采比JC判斷出主關(guān)鍵層位于“三帶”中的位置，進(jìn)而確定導(dǎo)水裂縫帶的高度(如圖2所示)，具體分析如下

1) 主關(guān)鍵層位于冒落帶時(shí)，煤層采出后，主關(guān)鍵層將垮落下沉充填采空區(qū)，失去了對上覆巖層的控制作用，使之發(fā)生同步破斷下沉，導(dǎo)水裂縫迅速向上發(fā)育直至地表，即導(dǎo)水裂縫帶最大高度為煤層的埋深；

2) 主關(guān)鍵層位于裂隙帶時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶最大高度不小于主關(guān)鍵層到煤層頂板的距離，需依據(jù)式(3)依次判斷主關(guān)鍵層及其上覆各巖層是否斷裂，直至判別出斷裂巖層，則該巖層到煤層頂板的距離即為導(dǎo)水裂縫帶的最大高度；

3)主關(guān)鍵層位于彎曲下沉帶時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶最大高度不大于主關(guān)鍵層到煤層頂板的距離，然后依據(jù)式(3)依次判別主關(guān)鍵層及其下部各巖層是否斷裂，直至判別出斷裂巖層，則該巖層到煤層頂板的距離即為導(dǎo)水裂縫帶的最大高度。

圖2　確定導(dǎo)水裂縫帶最大高度流程圖Fig.2　Flow chart of determining the height of water flowing fractured zone

3　工程實(shí)例分析

3.1礦井概況

榆陽礦區(qū)薛廟灘煤礦可采煤層為3#煤層，為近水平煤層，平均埋深約167.21m，其中地表松散層厚度39.8m，基巖厚度127.41m，開采高度為6.3m，屬榆陽礦區(qū)較為典型的煤層賦存條件，因此以其為工程實(shí)例，計(jì)算煤層開采后覆巖導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度。

薛廟灘煤礦3#煤層頂板以細(xì)粒及粉粒砂巖為主，中粒及粗砂巖次之，巖石較為堅(jiān)硬，裂隙不發(fā)育；底板以粉砂巖及細(xì)砂巖為主，泥巖、粉砂質(zhì)泥巖次之。按關(guān)鍵層判定條件計(jì)算可知，煤層上覆第17層巖層為主關(guān)鍵層。煤層上覆各巖層厚度及力學(xué)參數(shù)見表1.

表1　工作面上覆巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2導(dǎo)水裂縫帶高度的確定

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，工作面基巖移動(dòng)角取66°，松散層移動(dòng)角取45°，主要影響角正切值tanβ取1.732，巖石綜合殘余碎脹系數(shù)Ks取1.05，主關(guān)鍵層層位的巖石極限拉伸變形量[ε]為2.9 mm/m，則導(dǎo)水裂縫帶最大高度的確定方法如下

1) 計(jì)算基載比和基采比分別為JZ=3.2>0.8,JC=20.22<25，初步推斷主關(guān)鍵層位于裂縫帶上部，因而可判斷覆巖導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度不小于第17層巖層(主關(guān)鍵層)距煤層頂板的垂直距離；

2)計(jì)算第17層巖層的下沉系數(shù)η(17)為

(4)

將η(17)代入式(3)得

(5)

3) 由于ε17=3.371mm/s>[ε]=2.9mm/m，故第17層巖層(主關(guān)鍵層)斷裂。由于第17層巖層(主關(guān)鍵層)對第18層巖層至地表全部巖(土)層具有控制作用，且這些巖土層以風(fēng)積沙和亞粘土層為主，抗拉強(qiáng)度小，故當(dāng)?shù)?7層巖層(主關(guān)鍵層)斷裂后，其上方的巖(土)層隨之破斷下沉，導(dǎo)水裂縫會直接貫通波及到地表。因此，在該工作面的地質(zhì)、采礦條件下，覆巖導(dǎo)水裂縫帶最大高度為167.21m，即為煤層埋深。

4　相似材料模擬分析

4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)薛廟灘煤礦3#煤層的賦存條件、實(shí)驗(yàn)開采范圍和模型支架的尺寸，實(shí)驗(yàn)選用了3 000(長)mm×1 500(高)mm×2 00(寬)mm的二維模型支架，選取模型幾何相似常數(shù)為αi=150，容重相似常數(shù)為αr=1.56，則應(yīng)力相似常數(shù)為ασ=αi×αγ=234，各巖層的物理力學(xué)參數(shù)及材料配比見表1.此次實(shí)驗(yàn)鋪設(shè)總高度為115cm，鋪設(shè)過程中嚴(yán)格按表1中的模型高度及材料配比進(jìn)行鋪裝，每次鋪裝厚度為1cm，各層水平鋪設(shè)，每層之間均勻鋪灑云母粉做分層層理。

為了研究3#煤層開采過程中覆巖的破壞特征及移動(dòng)變形規(guī)律，在鋪裝好的模型上布設(shè)了6條觀測線A～F，自下而上分別位于第二層亞關(guān)鍵層底面、第三層亞關(guān)鍵層底面、主關(guān)鍵層底面、亞粘土層底面、亞粘土層中性面以及地表深10mm處。在距模型左邊界50cm處掘出開切眼，由開切眼處向模型右側(cè)模擬煤層開采，推進(jìn)距離為200cm.在開挖過程中，當(dāng)亞關(guān)鍵層、主關(guān)鍵層破斷及工作面回采完畢時(shí)，均用PENTAXR-322NX型光學(xué)全站儀對A～F各條測線上的測點(diǎn)進(jìn)行觀測。

4.2實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析

模型開挖過程中，工作面上覆巖層的移動(dòng)破壞具有如下規(guī)律：隨著工作面的向前推進(jìn)，直接頂開始破斷失穩(wěn)，充填采空區(qū)，由于關(guān)鍵層的彈性模量較大，強(qiáng)度較高，其不會隨著下部巖層一起破斷，因而出現(xiàn)離層。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，關(guān)鍵層達(dá)到其極限跨距或其最大撓度小于下部離層時(shí)發(fā)生破斷，而其控制的全部巖層會發(fā)生同步破斷，導(dǎo)水裂縫會迅速向上發(fā)育。

圖3　離層現(xiàn)象Fig.3　Bed separation

圖4　撓曲下沉Fig.4　Flexural subsidence

圖5　地表裂縫Fig.5　Ground crack

圖6　覆巖垮落形態(tài)Fig.6　Overburden rock failure

當(dāng)工作面推進(jìn)至158 m時(shí)，主關(guān)鍵層下部出現(xiàn)了離層現(xiàn)象，如圖3所示。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，主關(guān)鍵層及其上覆巖層同步撓曲下沉，主關(guān)鍵層下部離層逐漸閉合，如圖4所示。當(dāng)工作面推進(jìn)至250.5 m時(shí)，在工作面開切眼上方地表出現(xiàn)了1條上下貫通的地表裂縫，表明主關(guān)鍵層發(fā)生了破斷，覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育至地表，如圖5所示。當(dāng)工作面推進(jìn)至300 m時(shí)，模擬開挖完畢，待覆巖穩(wěn)定后，測得工作面后方采空區(qū)內(nèi)垮落帶高度為28.5 m，在工作面開切眼與停采線上方地表附近出現(xiàn)數(shù)條地表裂縫并上下貫通，表明覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育至地表，即導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度為167.21 m，如圖6所示。可見，物理相似模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合。

5　結(jié)　論

1) 以基載比JZ和基采比JC為參數(shù)確定出主關(guān)鍵層在“三帶”中的位置，并揭示了主關(guān)鍵層在“三帶”中不同位置對導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的影響；

2) 覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度與關(guān)鍵層位置、基載比、基采比等開采參數(shù)有著密切的關(guān)系，結(jié)合巖層斷裂與其自身拉伸變形的關(guān)系，可以確定出覆巖導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度，并通過工程實(shí)例驗(yàn)證了基于主關(guān)鍵層位置的計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶最大高度方法的可行性；

3) 以榆陽礦區(qū)薛廟灘煤礦為工程實(shí)例，計(jì)算出導(dǎo)水裂縫帶最大高度為167.21 m，即發(fā)育至地表，與物理相似模擬結(jié)果相吻合。

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Height of water flowing fractured zone in Yuyang mining area

ZHAO Bing-chao1，2，WANG Shou-yin1，2，LIU Jin-bo3，HE Tong-zhang3，YU Zhi-rang3，LIU Lang1，2，ZHANG Jie1,2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China；

In order to predicting the height of water flowing fracture zone in Yuyang mine area accurately，and achieving the goal of water-preserved mining，this paper research with the background of Xuemiaotan mine which is the prototype of occurrence conditions in Yuyang mine area，and analyze the impact of key stratum position，and ratio of rock and loading，and ratio of rock and mining on the height of water flowing fracture zone，also use the similar material simulation test to simulate the the laws of ground surface movement and deformation in Xuemiaotan mine.The research result show there is close relationship in the height of water flowing fracture zone and the position of key strata in three zones，the position of key strata could been decided with the ratio of rock and loading and ratio of rock and mining，and combined the strata fracture with tensile deformation itself，the height of water flowing fracture zone is determined.The height of water flowing fracture zone is 167.21 m in Xuemiaotan mine，which extends to the earth’s surface.The research result lays the theoretical foundations for further researches of water-preserved mining in Yuyang mine area.

water flowing fracture zone；key stratum；tensile deformation；ratio of bedrock thickness and overburden thickness；ratio of bedrock thickness and mining height

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0308

1672-9315(2016)03-0343-06

2015-11-19責(zé)任編輯：劉潔

國家自然科學(xué)基金(51504182)；陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(2013KCT-16)；陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(13JS066);國家自然科學(xué)基金(51474173)

趙兵朝(1978-)，男，山西晉城人，博士，副教授，E-mail：zhaobc913@163.com

TD 823

A