海域重復(fù)采動條件下覆巖破壞規(guī)律分析與研究

周心剛

（山東能源龍礦集團，山東 龍口 265700）

龍礦集團北皂煤礦海域一采區(qū)H1105工作面東為SF-20斷層及一二采區(qū)邊界線、西為-350m回風巷、-350m皮帶巷，南為設(shè)計H1104面，北為設(shè)計1106面。工作面下方距離18m為已開采的煤2層H2107、H2108采空區(qū)，煤2采厚約4m。H1105工作面在下伏煤2開采的基礎(chǔ)上采用上行開采的方式，主采煤1油2層，設(shè)計傾斜長171.5m，走向長1070m，采用綜采工藝，采高為4m。結(jié)合《煤礦防治水規(guī)定》對水體下采煤后覆巖垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度計算要求，采用數(shù)值模擬法（FLAC有限元及UDEC離散元數(shù)值模擬方法）、相似材料模擬手段，綜合研究海域上行重復(fù)開采條件下覆巖破壞規(guī)律，為工作面安全開采上限的確定及安全性論證等提供重要依據(jù)。

1 FLAC3D數(shù)值模擬

1.1 地層模型概化

采用數(shù)值模擬評價的好處就是能夠處理復(fù)雜條件下的巖石力學行為，通過適當?shù)牧W模型、足夠的網(wǎng)格精度以及適合的求解方法，就能得到較為準確的結(jié)果。根據(jù)概化的研究區(qū)地層情況，對H1105工作面頂?shù)装宓貙舆M行工程地質(zhì)分組，以便建立進行數(shù)值模擬的地層模型，見圖1所示。

圖1 概化的地層結(jié)構(gòu)

采用基于連續(xù)介質(zhì)的FLAC3D數(shù)值模擬軟件對煤層采后產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育情況進行模擬。各工程地質(zhì)類型（層組）的物理力學性質(zhì)由巖塊性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面、軟弱夾層及各巖層物理力學性質(zhì)等綜合決定，通過已有鉆孔室內(nèi)試驗的抗壓強度數(shù)據(jù)，利用Hock-Brown準則估算修正巖體抗拉強度參數(shù)，再根據(jù)各工程地質(zhì)類型（層組）組合情況，參考以往經(jīng)驗確定數(shù)值模擬所需的物理力學參數(shù)，最終確定選取表1參數(shù)進行數(shù)值模擬計算。材料屈服破壞準則采用莫爾-庫倫準則。

表1 模型中采用的巖體力學參數(shù)

建立的地層模型尺寸為800m×300m×201.5m（走向×傾向×厚度），地層平均傾角為6°，模型底部為固定位移邊界，四周為簡支邊界，在基巖泥巖、鈣質(zhì)泥巖組的上頂界面施加第四系厚度以及海水深度的自重應(yīng)力。

建立的模型共有149391個節(jié)點，857769個單元。將各地層的自重應(yīng)力以及上覆荷載作為初始地應(yīng)力按梯度加載到模型各個節(jié)點上，計算平衡后，按照先煤2后煤1油2的上行順序?qū)γ簩臃謩e進行開采，每次開采步距為50m，設(shè)置收斂標準并計算平衡后，再進行下一步開采，每層煤各開采12個周期步距，共計24個步距。開采各煤層過程中，煤層覆巖塑性破壞情況和最大最小主應(yīng)力場分布情況如下所示。

1.2 煤2開采過程中覆巖破壞情況

當煤2中的工作面完全開采結(jié)束后，塑性破壞已經(jīng)發(fā)育至泥巖、泥灰?guī)r組，約57m，除此之外，開采步距兩幫處的頂?shù)装迤茐某潭让黠@強于其他位置。

1.3 考慮開采影響的煤1油2覆巖破壞情況

當煤1油2中的工作面完全開采結(jié)束后，塑性破壞已經(jīng)發(fā)育至泥巖、鈣質(zhì)泥巖組，約73m。

1.4 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度綜合分析

煤1油2和煤2開采結(jié)束后，圍巖中的塑性破壞區(qū)域如圖2所示，分別選取模型中部的走向截面和傾向截面，其塑性破壞在地層線框網(wǎng)格的透視圖如圖3所示。

圖2 煤層頂板塑性破壞區(qū)域線框透視圖

圖3 煤層頂板塑性破壞區(qū)域的走向、傾向截面線框透視圖

根據(jù)模擬計算的塑性破壞結(jié)果，隨著煤層的不斷采出，煤層覆巖塑性區(qū)的高度也逐漸升高。根據(jù)開采循環(huán)的數(shù)值模擬結(jié)果，計算不同階段工作面中部覆巖塑性區(qū)的發(fā)育高度，繪制推進距離與塑性區(qū)高度的關(guān)系曲線，見圖4所示。

結(jié)合以上各個階段塑性破壞圖以及圖4，可以發(fā)現(xiàn)，隨著工作面推進長度的不斷增加，覆巖產(chǎn)生的塑性破壞區(qū)的高度也呈階梯狀增高。在模擬的工作面條件下：單獨開采煤2時，工作面中部覆巖塑性破壞區(qū)的發(fā)育高度最終穩(wěn)定在了57.6m，此時已經(jīng)到達泥巖、泥灰?guī)r組；當上行開采煤1油2時，導(dǎo)水裂縫帶的上界會進一步向上發(fā)育，工作面中部覆巖產(chǎn)生的塑性破壞區(qū)的上界距離煤1油2頂板51.6m，此時導(dǎo)水裂縫帶已經(jīng)進入泥巖、鈣質(zhì)泥巖組。

圖4 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度與推進距離的關(guān)系

2 UDEC數(shù)值模擬

2.1 模型的設(shè)計及參數(shù)選取

在采用FLAC3D模擬的基礎(chǔ)上，再次選取UDEC4.0離散元程序建立數(shù)值模擬模型，對比分析相同開采條件下H1105工作面覆巖破壞規(guī)律，重點模擬已開采的煤2層H2107、H2108采空區(qū)上部18m的H1105工作面煤層開采過程中的覆巖疊加移動變形規(guī)律進行分析，包括煤2層和煤1油2層分別開采過程中的覆巖的裂隙破壞結(jié)構(gòu)圖、塑性區(qū)圖、位移云圖和應(yīng)力云圖，以獲取煤層開采過程中巖體內(nèi)部應(yīng)力的變化情況及覆巖的疊加移動與破壞過程。

2.2 模型的建立

結(jié)合H1105工作面的開采條件、地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，選取二維計算模型的長×高分別800m×280m，可以同時模擬開采過程中覆巖破壞以及地表的移動變化情況。巖層從上到下依次是：鈣質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖、含油泥巖、煤1油2、含油泥巖、煤2、砂巖和中砂巖，巖層傾角6°近似水平煤層，其中煤1油2厚4m，煤2厚4m。

數(shù)值模擬模型的邊界條件為：(1)模型左右兩端邊界的水平位移為零；(2)模型底部邊界的水平位移和垂直位移均為零；(3)模型的頂部是自由邊界。

根據(jù)計算，模型頂部施加的豎直荷載為8.64MPa。模型僅受到重力作用的影響，重力加速度設(shè)定為9.81m/s2。

模型力學參數(shù)與FLAC模擬一致。模型按上行順序?qū)γ簩舆M行開采，即先采煤2后采煤1油2，開采步距為50m，開采平衡后進行下一段開采。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，從應(yīng)力場和位移場角度對H1105工作面開采過程中的覆巖破壞規(guī)律進行分析，其中，應(yīng)力場主要包括最大主應(yīng)力分布狀態(tài)；位移場主要研究豎向的位移場。

2.3.1 煤2開采過程覆巖破壞

隨著工作面向前推進，上覆巖土體下沉值不斷變化，下沉值不斷變大，受影響的巖土層范圍越來越大，地表的沉陷范圍也不斷增大，由于上覆巖土層在豎直方向的最大位移位于采空區(qū)的中部上方附近，所以沉降區(qū)域呈現(xiàn)出漏斗狀形態(tài)，并且比較對稱，工作面開采長度達600m，采空區(qū)中上方的土層沉積穩(wěn)定后，整體豎向位移呈馬鞍形。

開采煤2時，工作面從開切眼處向前推進，煤層頂板不斷垮落下沉。根據(jù)豎向位移和最大主應(yīng)力集中區(qū)可以看出，煤柱上方及采空區(qū)中段上方出現(xiàn)應(yīng)力集中，在采空區(qū)以上0～16.8m位置最大下沉至最大且最大主應(yīng)力等值線間距較小，產(chǎn)生拉剪破壞，說明巖層破壞嚴重，可以將該部分確定為垮落帶，最終垮落帶高度為16.8m。

根據(jù)裂隙破壞結(jié)構(gòu)圖及豎向位移圖，可以發(fā)現(xiàn)，連貫的裂隙結(jié)構(gòu)主要分布在采空區(qū)上部及兩端。根據(jù)裂隙的連貫性，確定最大連貫高度為導(dǎo)水裂縫帶，高度為53.1m。

2.3.2 煤1油2開采過程覆巖破壞

由于上下兩層間距為18m，煤2開采垮落帶并未影響上層，但導(dǎo)水裂縫帶已貫穿上層。判定煤2的開采對煤1油2破壞不嚴重，且包括煤1油2在內(nèi)的覆巖在破壞穩(wěn)定后，已基本壓實。

進行煤1油2開采時，直接頂仍是隨采隨落，采空區(qū)以上0～18.2m位置出現(xiàn)抗拉破壞，可確定垮落帶高度為18.2m,導(dǎo)水裂縫帶高度為55.8m。

上下兩層的垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度近似，由于兩層之前并沒有發(fā)生嚴重的互層現(xiàn)象，所以相當于單層煤層開采。

3 海域上行重復(fù)開采覆巖破壞規(guī)律初步認識

3.1 H1105工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度確定偏安全

采用規(guī)程公式、FLAC3D軟件和UDEC數(shù)值模擬、工程地質(zhì)模型試驗以及現(xiàn)場實測導(dǎo)水裂縫帶高度資料綜合分析等綜合方法，較為準確地確定覆巖變形、破壞狀況以及上行開采過程中疊加效應(yīng)的影響。在實際應(yīng)用時，按照《煤礦防治水規(guī)定》以及《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》的有關(guān)要求，從偏安全的角度考慮，選用三種方法中導(dǎo)水裂縫帶高度最大值，即煤1油2開采工作面正常部位導(dǎo)水裂縫帶垂高為55.8m、斷層處導(dǎo)水裂縫帶高度67m。

3.2 上行開采覆巖破壞疊加效應(yīng)影響不明顯

理論計算中，不考慮疊加破壞效應(yīng)時煤1油2導(dǎo)水裂縫帶高度在煤2導(dǎo)水裂縫帶基礎(chǔ)上向上延伸36m，UDEC模擬結(jié)果，煤1油2開采導(dǎo)水裂縫帶高度在煤2導(dǎo)水裂縫帶基礎(chǔ)上向上延伸了24.6m，則疊加破壞效應(yīng)對煤1油2開采幾乎不產(chǎn)生影響。綜合分析，上下煤間距11m可作為疊加效應(yīng)影響的臨界值，即當上下兩層煤間距小于11m時，上行開采上層煤時需要考慮覆巖破壞的疊加效應(yīng)；當上下兩層煤間距大于11m時，上行開采上層煤時可不考慮覆巖破壞的疊加效應(yīng)。因此，根據(jù)H1105工作面目前的開采條件及地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，H1105工作面上行開采條件下，由于煤2及煤1油2層間距大于臨界影響距離，重復(fù)采動條件下覆巖破壞的疊加效應(yīng)影響不明顯。

海域一采區(qū)的水文地質(zhì)條件清晰，第四系“兩含夾一隔”水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、海水下滲界面、第四系“二含”入滲下界面和水體采動類型可靠，研究提出的海域重復(fù)采動條件下覆巖破壞規(guī)律，為類似條件下安全開采提供了科學依據(jù)。