山區內淺埋煤層導水裂隙帶高度發育研究

張 揚

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

1 工程概況

某礦受區域地質構造和巖層性質影響，屬于高原低山丘陵地貌。礦井地面一般海拔標高為1250～1350m，相對高差一般為100～150m。井田范圍內地勢普遍呈現東南方向高、西北方向低。11607工作面位于礦井一采區東南部，地面主要以丘陵和山地為主，工作面東側和西側分別為已經回采完的11609和11608工作面，工作面開采水平為+1115m，煤層底板標高為+1154.9～+1180m，平均標高+1167m，地面標高為+1260～1320m，平均標高為+1290m，煤層平均埋藏深度為100m左右，屬于淺埋煤層。工作面斜長80m，走向長524m，所采16煤，煤厚2.6～4.2m，均厚3.4m，煤層平均傾角6°，賦存條件穩定，煤層結構相對復雜，內含厚0.2m額1～3層夾矸，煤層上覆直接頂為均厚3.44m的深灰色泥質粉砂巖，老頂為均厚3.48m的灰色石灰巖，直接底為均厚2.1m的灰黑色泥巖。

2 工作面導水裂隙帶實測

圖1 仰孔分段注水漏失量分布圖

針對11607工作面導水裂隙帶的觀測采用仰孔分段注水測漏的方法來進行，該方法所用的觀測儀器設備簡單，便于在井下使用，同時具有施工工程量小，測量精度高，效果明顯的特點。通過在上覆巖層中使用仰斜長鉆孔，對鉆孔進行分段封堵注水，對各段鉆孔內水的漏失量進行測定，從而對上覆巖層的裂隙發育情況進行測定。根據工作面工程地質條件設計了施工及觀測方案，對觀測鉆孔內的水量漏失量進行了定性及定量的分析，最終得出的11607工作面導水裂隙帶發育規律如圖1所示。由圖1可知，工作面內側的導水裂隙帶高度低于外側，兩孔所測的裂隙帶高差為3.4m，在工作面開采影響下，上覆巖層導水裂隙帶發育會呈現工作面中部低而兩側高的趨勢，其中Ⅰ-2號孔傾角為56.9°，最大裂隙發育高度為44.4m，Ⅰ-3號孔傾角為45°，最大裂隙發育高度為41m，結合工作面綜合柱狀圖分析可知，44.4m導水裂隙帶高度所對應巖層為33.77m厚的細砂巖、粉砂巖、泥灰巖交替互層及其與上覆30.38m的石灰巖交界面。

3 覆巖導水裂隙帶發育相似模擬實驗

以該礦11607工作面地質條件為原型，根據幾何比例1：200建立二維相似模擬實驗臺，實驗臺長3m、寬0.3m、高0.9m，實驗臺長度方向為工作面推進方向，模型長度的3m代表煤層走向方向600m，相似模擬材料選擇河砂、云母、石膏、碳酸鈣等，根據不同的材料配比來模擬不同的巖層，各巖層間的分層材料選擇云母片，材料配比見表1。

表1 材料配比

將模型鋪設完成后，將模型養護7天后，拆板進行風干，同時設置位移觀測點，從煤層頂板開始按10mm×10mm的形式設置橫向和縱向觀測線，從頂板向上布置A～E共計6層，在橫向及縱向線交點處設置十字觀測點，通過全站儀配合拍照的方式對開采過程中測點位移的變化進行觀測，鋪設好的模型如圖2所示。

圖2 相似模擬實驗模型

開切眼位置位于模型左邊界90cm處，此后向著右邊界開始推進，每次開挖10cm（代表工作面向前推進20m），從工作面開切眼開始，工作面的推進導致上覆頂板出現離層現象，覆巖并未發生垮落；當工作面推進到80m時，隨著頂板懸露距離的增加，上覆巖層間的離層現象也愈發明顯，直接頂開始發生垮落，工作面兩側的破斷裂隙發育高度也不斷增加，此時，覆巖冒落帶高度為8m左右，如下圖（a）所示；當工作面推進到120m時，直接頂垮落長度進一步增加，上覆巖層裂隙向上位巖層繼續擴展；當工作面推進到140m時，直接頂在工作面全長大面積垮落，引發上覆老頂巖層內產生貫穿裂隙，并繼續向上發展，上覆巖層發生破壞的高度增加到22m，如下圖（b）所示；當工作面繼續推進到180m時，老頂的破斷導致其上部巖層發生破斷，覆巖導水裂隙帶發育高度增加到32m，如下圖（c）所示；當推進距離達到220m時，上覆巖層破壞范圍在工作面推進方向及頂板豎直方向均發生明顯地增加；當最后推進到240m時，上覆巖層導水裂隙帶高度基本不再向上發展，最終破壞高度約為43m左右，如下圖（d）所示。

圖3 覆巖垮落過程

由圖3對覆巖垮落過程的分析可知，工作面的開采會導致上覆巖層發生垮落變形，且推進距離越長，上覆巖層破壞范圍越大，但增大到一定程度后，此變形逐漸趨于緩和，最終在發生變形的上覆巖層頂端形成一條離層線，在工作面推進過程中，上覆巖層周期性破斷，最終在切眼和工作面推進位置處形成一條規則的垮落線，在工作面推進240m位置處，上覆巖層破壞高度穩定達到43m，如圖4所示。

通過在工作面推進過程中，對觀測點位移變化的持續觀察和記錄，得出如圖5所示的上覆巖層破壞高度與工作面推進距離之間的關系，在工作面推進初期，覆巖破壞高度基本呈一條水平直線，覆巖破壞范圍較小，當工作面推進到120m時，上覆巖層破壞高度出現快速增長，當推進距離達到180m時，破壞高度增長速度放緩，直至推進到240m時，達到43m。究其原因，主要是受到上覆巖層周期性破斷變形而影響，總體呈現一條階梯狀曲線。相似模擬實驗結果（43m）與現場實測結果（44.4m）得到了很好的吻合，表明在進行模型參數選取時，與工作面實際工程地質條件性質接近，因而此參數選取合適，分析有效。

圖4 覆巖最終垮落

圖5 工作面推進距離與覆巖破壞高度關系

4 覆巖導水裂隙帶發育數值模擬研究

數值模擬模型同樣基于該礦工程地質條件而建立，X方向代表工作面推進方向，Y方向代表工作面斜長方向，Z方向代表地層豎直方向，所建立的模型尺寸為：924m×140m×113m，將X方向和Y方向的邊界位移固定，Z方向固定底部邊界位移，本構模型選用莫爾庫倫模型，在模型參數選取時，將巖石力學實驗所測得的煤巖塊參數轉換為巖體的參數，同時結合現場觀測結果和相似模擬實驗結果，對數值計算方案參數進行調整。數值模擬計算模型如圖6所示。

圖6 數值模擬計算模型

模型建立完成后，首先生成自重應力場，將產生的速度及位移清零后，隨后進行模型的開挖，采取分布開挖的方式，每次開挖長度為20m，最后一次開挖長度為26m，共計開挖26次，總開挖距離為524m，對開挖過程中上覆巖層發生塑性變形破壞范圍進行觀測，得出其導水裂隙帶發育高度變化規律，并與現場實測結果和相似模擬實驗結果進行對比驗證。

上覆巖層塑性區破壞范圍與導水裂隙帶發育具有很好地一致性，在開采動壓影響下，上覆巖層塑性區主要表現為剪切和拉伸破壞，圖中藍色區域表示未發生破壞范圍，其余顏色表示回采導致的上覆巖層破壞范圍，在工作面推進不同距離時，其塑性區發育范圍表現不同特征。由塑性區變化特征可知，上部覆巖受影響較小，未發明顯的變形破壞，整體性良好，工作面的開采導致巖層內部產生拉剪破壞，首先發生剪切破壞，進一步在豎直方向上產生拉伸裂隙區，當巖層間抗拉強度超過其極限抗拉強度時，巖層間發生拉伸裂隙離層區，裂隙的產生導致巖層滲透性及導水性發生改變，各種裂隙貫通后最終導致上覆巖層導水裂隙帶的形成，下部巖層發生冒落。

選取幾個典型工作面推進過程中塑性區分布圖7，當工作面推進距離較小時，上覆巖層裂隙區發育不是很明顯，當工作面推進到80m時，上覆巖層裂隙發育逐漸明顯增加，且呈現兩側高中間低的馬鞍形，塑性區發育高度達到27m，如圖7（a）所示；當工作面推進到200m時，在老頂的周期破斷影響下，覆巖裂隙帶高度增加到42m，如圖7（b）所示；直至推進到524m時，覆巖導水裂隙帶高度也不再向上發展，基本保持在此高度，如圖7（c）所示。

圖7 覆巖導水裂隙帶發育高度隨工作面推進距離的關系

5 結 論

通過仰孔分段注水測漏的方法對工作面上覆巖層導水裂隙帶高度進行了實測，可知其裂隙帶最大發育高度為44.4m。由相似模擬和數值模擬可知，隨著工作面向前推進，工作面上覆巖層發生破斷變形，圍巖塑性區開始發育，裂隙增多，當工作面推進到一定距離時，覆巖導水裂隙帶不在向上發展，逐漸趨于穩定，模擬結果與現場實測得到了相互驗證。該項研究對山區內覆巖導水裂隙帶發育規律研究起到一定參考借鑒意義。