準東大井礦區巨厚煤層開采覆巖裂隙分布特征

曾 強，李根生，趙龍輝，高 坡

(1.新疆大學資源與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學干旱生態環境研究所，新疆 烏魯木齊 830046；3.綠洲生態教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046)

新疆準東礦區東西長約200 km，面積達15 334 km2，礦區煤炭資源豐富，煤層厚達90 m，屬尚處于開發初期的千億噸級整裝煤田。該礦區煤層賦存平緩，厚度大，開采強度及面積大，煤炭開采對區域覆巖含水層地下水分布、運移具有重要影響。同時，該區域地表-地下水水力聯系密切，覆巖地下水運移、分布改變影響著地表潛水的分布，進而影響礦區植被分布，并對礦區鄰近綠洲生態環境產生深遠影響[1-3]。覆巖裂隙演化與分布規律是該礦區煤炭開采地下水影響研究的核心內容。對于采場覆巖應力分布特征，錢鳴高等[4]將采場覆巖應力按工作面走向方向依次劃分為穩壓區-增壓區-極限平衡區-減壓區-穩壓區；REZAEI M等[5]基于應力能量平衡建立了長壁采煤分析模型，研究了采煤引起的應力重分布特征；王文學等[6]研究分析了采空區覆巖中裂隙巖體應力恢復的時空特征；謝和平等[7]揭示了不同開采條件覆巖運動行為和應力集中系數。對于采場覆巖裂隙演化，范立民等[8]研究了淺埋煤層高強度開采區地裂縫發育特征；來興平等[9-10]運用相似模擬試驗方法，分析了三軟煤巖地質條件下覆巖裂隙發育特征；黃慶享[11-12]研究了淺埋煤層隔水巖組裂隙發育規律；姚邦華等[13]采用數值模擬方法分析了重復采動下覆巖裂隙發育規律；李樹剛等[14]采用物理相似模擬實驗及理論分析，研究了單層開采和重復采動條件下裂隙分布與演化規律；ZHANG R等[15]研究了不同開采方式覆巖裂隙空間分布特征；WANG W X等[16]研究了采動覆巖應力擾動對裂隙巖體滲透性的影響；對于地下煤層開采而言，不同開采方式(單層采高)覆巖應力集中系數及應力場分布不同，從而對覆巖擾動程度不同，進而對采場覆巖裂隙分布產生不同影響，最終對采場覆巖滲流場時空分布產生不同影響。

本文針對準東巨厚煤層典型賦存特征，研究不同開采方式覆巖裂隙時空分布特征，以期為準東巨厚煤層開采覆巖含水層水體滲流特征、地下水位響應特征研究提供一定基礎。

1 研究區概況

準東礦區位于準噶爾盆地東部、克拉麥里山南麓，氣候干旱，生態環境脆弱，大井礦區位于其中北部。礦井主采B1煤層平均厚56 m，地層傾角較緩，僅1～3°，屬于構造簡單地區。煤層頂板多為細砂巖、泥巖、粗砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，底板多為炭質泥巖、含碳泥巖及細砂巖，礦井煤巖典型柱狀見圖1。

圖1 典型鉆孔柱狀圖

2 覆巖裂隙演化特征與關鍵層識別

2.1 覆巖裂隙演化特征

煤層開采自采空區中部到采場前方礦壓顯現規律：減壓區、極限平衡區、彈性區、增壓區、穩壓區。采場覆巖移動劃分為“橫三區、縱三帶”，即煤壁支撐區、離層區、重新壓實區，垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。根據采場礦壓和覆巖移動特征[4]，采場覆巖裂隙演化特征見圖2。

由圖2可知，在采場覆巖應力的控制下，工作面前方覆巖隨工作面推進由穩壓區依次演化為彈性區、彈塑性過渡區、塑性區、破壞區、離層區、閉合區。采場應力分布控制各區域內覆巖裂隙演化：穩壓區內裂隙主要受原巖應力控制，裂隙主要為原巖裂隙；彈性區內隨應力集中系數不斷增加，原巖裂隙逐漸閉合，巖石體積不斷減小；彈塑性過渡區內巖層開始產生新的微裂隙，巖石體積不斷增加；塑性區內覆巖應力快速增加且逐漸達到巖層極限強度，導致巖層新生裂隙迅速發育，巖層體積及變形速度快速增加；破壞區內應力集中系數達到巖層極限強度，巖層破斷，產生縱向破斷裂隙，巖石體積迅速增加，此時空隙率達最大；離層區內由于覆巖老頂極限強度大于下部巖層極限強度，且覆巖老頂垮距與下部巖層垮距相差較大，造成老頂下部離層裂隙的不斷發育；閉合區內隨采場繼續推進，當應力達到老頂極限垮距時，老頂開始破斷，隨工作面推進不斷向上發育至各關鍵層。

圖2 采場覆巖裂隙演化特征

2.2 覆巖關鍵層識別

根據鉆孔柱狀及巖石物理力學參數，對覆巖關鍵層(硬巖)進行判別[4]。上覆巖層物理力學性質情況見表1。

2.2.1 硬巖的識別

第i層巖層對第1層的載荷，計算公式見式(1)。

(1)

式中：qi為第i層所受載荷，kPa；Ei為第i層彈性模量，MPa；γi為第i層體積力，MN/m3；hi為第i層層厚，m。

若(qi)1≥(qi+1)1,即第i層為硬巖，經計算得出覆巖中共含4層硬巖，結果見表2。

表1 上覆巖層物理力學性質

2.2.2 極限破斷距計算

美國國立衛生研究院項目管理程序透明，全流程管理內容集中成文，及時更新《美國國立衛生研究院資助政策聲明》。美國國立衛生研究院管理信息是公開的，例如戰略規劃、顧問委員會會議紀要、績效報告、項目立項及進展情況等均在網絡公布，部分會議向公眾開放。而美國國立衛生研究院各研究所不僅公布有關項目管理人員名單、聯系方式，而且在指南意向性建議、公布指南、申請、管理等階段均可直接溝通聯系。但是有些信息僅為公開，例如科學評審小組專家名單在網站公開，并重點備注說明申請人及其單位在評審前后均不得聯系專家，一旦發現將以違反科研誠信處理。

根據上文判定結果及研究區煤巖賦存特征，采用固支梁彎矩計算法對覆巖極限破斷距逐層計算，計算公式見式(2)。

(2)

式中：Li為第i層的極限破斷距，m；hi為第i層層厚，m；qi為第i層所受載荷，kPa；Ri為第i層抗拉強度，MPa。計算結果見表2。

2.2.3 判斷關鍵層

對硬巖破斷距進行比較，其計算公式見式(3)。

Li≤Li+1

(3)

破斷距最大，則為主關鍵層。各關鍵層計算結果見表2。

表2 關鍵層及破斷距

3 數值模擬

3.1 覆巖力學模型

根據鉆孔柱狀圖、各關鍵層位置、破斷距和煤巖層物理力學參數(表3)，構建數值模型(圖3)。模型包含地表至B1煤層底板，走向長度為1 000 m，高630 m，B1煤層埋深587 m，厚度56 m，左右兩側各留200 m邊界保護煤柱。采用摩爾-庫倫強度準則，固定左右和底部邊界，上部為自由邊界，側向方向施加1.89e7 Pa的初始壓應力。沿煤層走向自左向右依次開挖，分別模擬大采高分層分層(采7 m×8層)開采和放頂煤分層分層(采14 m×4層)開采，開挖步距10 m，走向推進600 m。

3.2 結果分析

為研究巨厚煤層大采高分層開采覆巖裂隙演化規律，對大采高首分層開采裂隙演化和后續分層開采覆巖裂隙分布開展了模擬和研究，得出了采動覆巖裂隙分布規律，見圖4和圖5。

表3 煤巖層物理力學參數

圖3 覆巖力學模型

由圖4可知，覆巖裂隙隨工作面的推進自開切眼不斷向前發育，裂隙分布范圍也不斷擴大，裂隙主要沿巖層破斷線分布，切眼側覆巖裂隙發育高度及寬度均大于工作面側覆巖發育高度及寬度，采空區中部覆巖裂隙隨工作面的推進逐漸閉合，覆巖裂隙呈現周期演化。開挖50 m時覆巖裂隙上部已發育至老頂，切眼側裂隙寬度最大；開挖120 m時覆巖裂隙已發育至各亞關鍵層，此時老頂已完全破斷；開挖240 m時覆巖裂隙已發育至主關鍵層，此時主關鍵層下方離層裂隙范圍達最大，覆巖裂隙沿巖層破斷角呈“八”字形分布，采空區中部覆巖裂隙已閉合，各亞關鍵層已破斷；開挖280 m時由于覆巖主關鍵層快速下沉，其下方的離層裂隙已閉合，切眼側覆巖裂隙僅出現高度減小，工作面覆巖裂隙出現周期演化，采空區覆巖裂隙閉合區范圍不斷增大，此時主關鍵層上覆巖層快速下沉；開挖550 m時由于主關鍵層結構破壞，使得覆巖裂隙分布范圍有所降低，工作面側覆巖裂隙尤其是沿巖層破斷角附近的裂隙大量閉合，切眼側覆巖裂隙發育高度進一步降低，主關鍵層下方離層裂隙主要分布于工作面側覆巖中，覆巖離層裂隙隨著工作面的推進不斷向前發育且呈現周期性演化，采空區中部覆巖裂隙閉合范圍進一步擴大。

由圖5可知，覆巖裂隙發育高度、隙寬及范圍隨分層開采數目的增加而不斷增加，覆巖裂隙主要分布在采空區兩側，且切眼側覆巖裂隙發育寬度大于停采線側，覆巖裂隙發育寬度及范圍自煤層至地表不斷減小，主關鍵層控制覆巖裂隙發育高度，采空區中部覆巖裂隙已閉合。采完第二分層時覆巖裂隙最大發育高度約200 m，主關鍵層附近裂隙主要為離層裂隙且停采線側覆巖離層裂隙發育寬度大于切眼側，切眼側覆巖裂隙貫通性較停采線側好；采完第四分層時覆巖裂隙發育高度仍至主關鍵層，覆巖裂隙發育寬度及發育范圍增加，裂隙沿破斷線不斷向外側擴展；采完第六分層由于主關鍵層結構破斷，導致覆巖裂隙發育高度增加，關鍵層上部裂隙沿巖層破斷角呈“八”字形分布，縱向裂隙快速發育，離層裂隙趨于閉合；采完第八分層覆巖裂隙發育高度快速增加且裂隙已發育至地表附近，主關鍵層離層裂隙已完全閉合，主關鍵層之上裂隙沿巖層破斷角呈內外雙“八”字形分布，外側裂隙發育高度大于內側裂隙發育高度，內側裂隙貫通性優于外側裂隙貫通性，兩條“八”字形裂隙是采場與覆巖含水層導水的關鍵通道。

3.2.2 放頂煤分層開采覆巖裂隙分布

為研究巨厚煤層放頂煤分層開采覆巖裂隙演化規律，對放頂煤首分層開采裂隙演化和后續分層開采覆巖裂隙分布開展了模擬和研究，得出了采動覆巖裂隙分布規律，見圖6和圖7。

由圖6可知，覆巖裂隙隨工作面的推進自開切眼不斷向前及向上發育，裂隙分布范圍不斷擴大，裂隙主要沿巖層破斷線分布，切眼側覆巖裂隙發育高度及寬度均大于工作面側覆巖發育高度及寬度，采空區中部覆巖裂隙隨工作面的繼續推進逐漸閉合，覆巖裂隙呈現周期演化。開挖50 m時覆巖裂隙已發育至老頂，切眼側裂隙高度及寬度最大；開挖120 m時覆巖裂隙已發育至各亞關鍵層，此時老頂已完全破斷；開挖280 m時覆巖裂隙已發育至主關鍵層，此時主關鍵層下方離層裂隙寬度及長度達最大，裂隙與主關鍵層已貫通，采空區中部裂隙開始閉合，各亞關鍵層已破斷；開挖360 m時由于覆巖主關鍵層快速下沉，其下方的離層裂隙已閉合，由于覆巖主關鍵層的存在覆巖裂隙垂向發育速度減慢，工作面側覆巖裂隙出現三條貫通裂隙且呈現周期演化，采空區中部裂隙已閉合，覆巖裂隙沿巖層破斷角呈現“八”字形分布；開挖550 m時工作面側覆巖裂隙尤其是沿巖層破斷角附近的裂隙大量閉合及貫通裂隙高度減小，且工作面側覆巖裂隙分布范圍減小，切眼側覆巖裂隙始終貫通，工作面煤壁區域裂隙發育寬度達最大，主關鍵層下方離層裂隙主要分布于工作面側覆巖中，離層裂隙隨著工作面的推進不斷向前發育且呈現周期性演化，采空區中部裂隙閉合范圍進一步擴大。

圖5 大采高分層開采覆巖裂隙分布

圖6 放頂煤首分層開采覆巖裂隙分布

圖7 放頂煤分層開采覆巖裂隙分布

由圖7可知,覆巖裂隙發育高度、隙寬及范圍隨分層開采數目的增加而不斷增加，覆巖裂隙主要分布在采空區兩側，切眼側與停采線側覆巖裂隙發育寬度與高度基本一致，覆巖裂隙發育寬度及范圍自煤層至地表不斷減小，主關鍵層為裂隙發育程度高低的分界線，采空區中部覆巖裂隙已閉合。采完第一分層時覆巖裂隙最大發育高度約200 m，主關鍵層附近裂隙主要為離層裂隙且停采線側覆巖離層裂隙發育寬度大于切眼側，切眼側覆巖裂隙貫通性較停采線側好；采完第二分層時覆巖裂隙發育高度仍至主關鍵層，覆巖裂隙發育寬度及發育范圍增加，覆巖裂隙沿破斷線不斷向外側擴展；采完第三分層由于覆巖主關鍵層結構破斷，導致覆巖裂隙發育高度增加，縱向裂隙快速發育，離層裂隙趨于閉合；采完第四分層覆巖裂隙發育高度快速增加且裂隙已發育至地表附近，關鍵層上部裂隙沿巖層破斷角呈“八”字形分布，主關鍵層之上覆巖裂隙貫通性較差，停采線側覆巖裂隙貫通性優于切眼側覆巖裂隙貫通性。采空區兩側覆巖“八”字形裂隙是否發育至覆巖含水層是采場涌水量的關鍵。

由大采高及放頂煤開采覆巖裂隙分布模擬結果比較可得：巨厚煤層首分層開采裂隙集中分布于主關鍵層之下，且放頂煤開采覆巖裂隙連續性及裂隙發育范圍大于大采高開采；巨厚煤層首分層采用放頂煤開采主關鍵層下方離層閉合晚于大采高開采；巨厚煤層采用大采高分層開采覆巖裂隙發育高度大于放頂煤開采，且采用大采高分層開采覆巖裂隙連續性大于放頂煤開采。

4 結 論

1) 在采場應力的控制下，工作面前方覆巖隨工作面不斷推進由穩壓區依次演化為彈性區、彈塑性過渡區、塑性區、破壞區、離層區、閉合區，各階段覆巖裂隙由原巖裂隙區依次演化為原巖裂隙閉合區、微裂隙發育區、裂隙快速發育區、破斷裂隙發育區、離層裂隙發育區、裂隙逐漸閉合區。

2) 覆巖主關鍵層是覆巖裂隙發育程度高低的分界線，其控制覆巖裂隙發育高度；覆巖裂隙隨工作面的推進裂隙發育高度、隙寬及范圍不斷增加，且裂隙沿巖層破斷線分布，隨工作面的繼續推進裂隙呈現周期演化。

3) 巨厚煤層開采覆巖裂隙主要分布在采空區兩側，且呈現“八”字形分布，其是覆巖含水層向采場滲流的關鍵通道。

4) 從保水采煤的角度出發，放頂煤分層開采對覆巖含水層擾動較大采高分層開采小。