淺埋深薄基巖礦井綜放工作面導水裂縫帶發育規律研究

徐建國

(兗州煤業鄂爾多斯能化有限公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017010)

東勝礦區是我國目前最大的煤炭生產基地，該礦區的可采煤層具有埋深淺、頂板基巖厚度小、第四系松散沉積物厚度大等特點，但煤層覆巖采動破壞裂隙造成的水害事故嚴重制約著該區內煤層的安全開采。由于東勝礦區處于西北干旱地區，淺埋深煤層開采易造成水資源賦存環境的破壞。目前針對陜北礦區淺埋深煤層開采導水裂縫帶發育特征的研究較多，這些研究基本是在干旱地區保水采煤的角度提出來的。

張小明等通過數值模擬與相似材料模擬，研究了厚土層淺埋深煤層開采后覆巖“三帶”發育演化特征及保水采煤的措施；黃慶享等通過土工試驗分析了淺埋深煤層上覆黏土隔水層的阻水性能，指出了影響隔水層在采動破壞后的穩定性因素，提出了采動裂隙發育及閉合的判據，為存在黏土隔水層礦區保水采煤提供了理論依據；張杰依據關鍵層理論，采用相似材料模擬研究了淺埋煤層在流固耦合作用下的覆巖破壞運移特征，提出了主關鍵層位置是影響裂隙帶發育的主要因素；劉玉德等研究了影響淺埋深煤層保水開采的綜合分類指標，獲得了沙基型淺埋深煤層保水開采的“技術體系”，利用相似材料模擬基于關鍵層理論的覆巖冒裂形態，即“馬鞍形”；師本強利用地表及巖層移動變形，獲得了砂土基型淺埋深煤層導水裂縫帶發育高度，對比了分層開采和全采高開采的發育高度，實踐驗證了分層開采方法在淺埋深煤層保水開采中的正確性。以往對于導水裂縫帶發育形態及特征研究側重于相似材料模擬，缺乏實測證據，對覆巖移動形態與覆巖采動破壞導水裂縫帶發育形態存在差別沒有進行分析。

本文以東勝礦區南部轉龍灣井田為例，以淺埋深薄基巖煤層開采頂板水害為引出點，采用數值模擬與現場實測相結合的方法，研究了轉龍灣井田首采工作面頂板采動覆巖導水裂縫帶發育規律，獲得了淺埋深煤層薄基巖礦區綜放工作面導水裂縫帶發育的高度及其形態，為礦區頂板水害防治、保水采煤提供了基礎資料。

1 研究區地質概況

1.1 地質概況

轉龍灣(擴大)井田屬于東勝煤田，地層區劃屬于華北地層區鄂爾多斯陜甘寧分區準格爾旗臨縣小區。井田內大部分被第四系覆蓋，基巖出露甚少。該區構造簡單，總體為一單斜構造，地層傾角1°～2°。侏羅系中、下統延安組為井田內含煤地層，其中上部的II-3煤層是礦區的首采煤層。該煤層上覆地層自下而上依次為延安組上部、侏羅系中統直羅組、侏羅系中統安定組及第四系，頂板巖性主要以泥質粉砂巖、中粗砂巖、細砂巖為主，局部夾泥巖、粉砂巖；煤層底板主要由延安組內的中砂巖和粉砂巖組成。

1.2 水文地質概況

影響II-3煤層開采的頂板含水層為直羅組砂巖含水層、第四系薩拉烏蘇組沙層含水層和地表水。直羅組砂巖含水層雖然整體富水性弱，但存在局部的強富水性區域，且在該區其他礦井生產中曾出現過嚴重影響礦井安全生產的涌水事故。第四系薩拉烏蘇組沙層含水層與直羅組有良好的水力聯系，為直羅組含水層的重要補給水源。本區地表水系較為發育，與地下水聯系較為密切，對礦井充水存在直接或間接影響。

自第四系底板起至三疊系延長組之間共劃分9個隔水層。巖性為泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖及充分膠結的砂巖和煤層。隔水層由北西向南東由厚變薄，隔水條件比較好，在天然狀態下各個含水層之間基本沒有水力聯系。

1.3 煤層覆巖巖性特征

轉龍灣井田采區及工作面布置概況如圖1所示。井田內可采的II-3煤層埋藏淺，基巖主要為延安組、直羅組、安定組巖層，基巖總厚度為50.91～230.55 m，平均厚度133.20 m。231采區為本礦首采區，23103工作面為首采工作面。231首采區內，基巖厚度總體上從東南向西北逐漸增厚，基本厚度都在100 m以上，局部地區較薄；其中首采區東南側和首采面東南角到公涅爾蓋溝附近等區域基巖厚度小于100 m，尤其是首采面南部厚度小于60 m，為薄基巖區。上覆基巖及第四系含水層、地表水系均對開采存在著一定威脅，特別是當基巖厚度小于II-3煤層開采后形成的導水裂縫帶高度時，必定存在潰水甚至潰沙危險。

2 薄基巖淺埋深煤層覆巖破壞數值模擬

2.1 三維數值模型建立

目前，數值模擬、模型試驗和現場實測是研究開采煤層覆巖運動規律的主要手段，其中FLAC數值模擬軟件是分析覆巖破壞、導水裂縫帶發展過程的主要數值方法之一。運用該方法開展此類研究時，眾多研究人員將塑性區范圍的演化視為頂板導水裂縫帶的發育過程，獲得了較多的研究成果。本文利用FLAC3D有限差分軟件進行建模，研究薄基巖淺埋深煤層開采覆巖運移特征，特別是采動覆巖破壞形成的導水裂縫帶發育形態、高度。結合工作面條件及首采面區域的巖層結構特征，對巖性和力學參數相近的巖層進行簡化合并，建立數值模型長400 m、寬400 m、高200 m，設計一次采全高5 m，三維模型共劃分259675個單元、272448個節點，參照研究區內巖石力學測試資料確定模擬所需的力學參數，見表1。

圖1 井田采區及工作面布置概況圖

巖性密度ρ/kg?m-3體積模量K/GPa剪切模量G/GPa內聚力c/MPa內摩擦角/(°)抗拉強度Rt/MPa地層厚度/m砂土層20000.020.010.02250.1055.82粉砂質泥巖21071.230.860.70370.559.10中砂巖23232.411.452.50402.9718.92粉砂巖24146.015.132.00392.6324.52中砂巖20661.260.952.30391.2024.01粉砂巖24145.094.792.20393.1013.98II-3煤層13001.501.201.20400.655.00粉砂巖23835.854.292.10402.4028.01中砂巖22326.053.643.20413.3020.64

此外，本次巖層的破壞判據采用FLAC3D內置的莫爾—庫倫準則彈塑性本構模型，其屈服準則如下：

(1)

式中：fc——單軸抗壓強度，MPa；

σ1——最大主應力，MPa；

σ3——最小主應力，MPa；

φ——巖石內摩擦角，(°)；

c——巖石黏聚力，MPa。

地層內各點的垂直應力等于上覆巖層的靜壓力，而側向應力由巖層泊松比確定，由于本次模型頂部為第四系，模型頂板沒有其他巖層，因此不需要再加載荷載。模型側邊界施加水平約束，底邊界施加水平及垂直約束。模型力學概念模型如圖2所示，三維模型網格如圖3所示。

2.2 數值模擬結果分析

采用FLAC3D有限差分數值模擬軟件對首采工作面進行了數值模擬，獲得的工作面推進方向(縱向)上關鍵開挖步的垂直應力及塑性區分布如圖4～圖6所示。工作面推采30 m時，頂板發生塑性破壞，首采工作面推進方向的兩端出現應力增高區，最大集中應力為13.7 MPa，采空區中部頂板出現低應力區；模型塑性破壞帶呈現采動空間端部高、中間低的“馬鞍形”，如圖4所示。推采至160 m時，采空區兩端集中應力25.2 MPa，中部出現集中應力，說明采空區覆巖已冒落壓實并恢復至原巖應力；模型塑性破壞帶呈“箱形”，工作面的中部與端部塑性破壞區發育高度基本持平，如圖5所示。推采至300 m時，采空區兩端集中應力穩定至29.2 MPa，模型塑性破壞帶穩定為“箱形”，最大塑性破壞帶發育高度約為84 m，如圖6所示。

圖2 采場平面力學模型圖

圖3 采場三維數值模型網格圖

通過數值模擬與相關研究對比可知，隨著工作面的不斷推進(縱向)，采動應力重新分布，在工作面中心位置覆巖得到了充分的垮落，頂板導水裂縫帶形態的發展經歷了由“馬鞍形”到“箱形”的發展過程，而非與東部礦區相同。在東部礦區，通過現場實測方法獲得的裂縫帶最終形狀為中間低、兩側高的“馬鞍形”。

圖4 開挖30 m時覆巖運動垂向應力圖和塑性區圖

圖5 開挖160 m時覆巖運動垂向應力圖和塑性區圖

3 現場實測

根據轉龍灣井田井下現場實際條件，采用鉆孔雙端封堵測漏技術進行II-3煤層開采過程中覆巖破壞特征的實測研究，獲得了首采工作面導水裂縫帶發育高度及形態數據，為正確評價煤層開采受水威脅程度及進行頂板防治水工作提供依據。

3.1 現場觀測原理

鉆孔雙端封堵測漏技術的觀測系統如圖7所示。現場實測過程中，選擇合適的觀測場所，在相鄰工作面的運輸(回風)巷或可測工作面停采線或開切眼以外的巷道中開掘鉆窩(機房)，向工作面上方打仰斜鉆孔。在工作面回采前可以研究頂板巖層的原始裂隙發育規律，在工作面回采以后可以研究煤層頂板冒裂帶高度。采用鉆孔測漏法，沿鉆孔進行分段封堵注水，測定鉆孔各段的漏失流量，以此了解巖石的破壞松動情況，確定煤層頂板冒裂帶高度。

圖7 鉆孔雙端封堵測漏系統結構及觀測原理圖

3.2 觀測孔布置

采動覆巖破壞裂隙發育觀測孔設計原則依據為：

(1) 觀測孔應包括采前、采后兩組鉆孔，用于采動裂隙與原生裂隙進行對比分析；

(2) 觀測孔可供探測的垂高應達到最大導水裂縫帶發育高度，同時需穿過裂隙發育的最高位置；

(3)采后觀測孔的仰角需根據工作面斜長與導水裂縫帶高度綜合確定，同時應有兩組不同仰角的觀測孔進行對比；

(4)觀測孔方位根據工作面布置確定，所有鉆孔平面投影盡量呈扇形展布。

根據以上原則及數值模擬預計結果，最終確定了4組觀測孔的設計參數，詳見表2。

3.2 探測結果

現場探測采用注水壓力0.1 MPa、0.2 MPa，以消除巖粉阻塞孔壁造成的誤差，探測結果繪制成注水漏失量曲線圖，其中紅色、藍色線分別表示注水壓力為0.1MPa、0.2MPa時的實測結果，如圖8所示。

由圖8(a)可知，采前探測孔K3斜長1～30 m 內漏失量均為0，說明該段內巖層裂隙不發育，巷道頂板沒有出現塑性破壞區；斜長30～40 m、50～60 m處注水出現漏失量15 L/min，說明這兩處巖層出現裂隙；其余段內鉆孔漏失量均為0。結合井田內構造分析、井田內勘探鉆孔及采后觀測孔資料，經分析未受到采動影響的巖層裂隙不發育。而該觀測孔30～40m、50～60 m處出現鉆孔漏水，推測是由于受到相鄰的首采工作面采動影響，巖層發生的極個別采動裂隙。

表2 觀測孔參數一覽表

由圖8(b)可知，K1鉆孔斜長175 m，水平投影距離已進入首采工作面采空區內130 m。實測表明在斜長0～4.5 m段內鉆孔注水漏失量為3～4 L/min，推測該段為巷道圍巖塑性圈破壞；4.5～6 m段內注水漏失量為0，該段裂隙不發育；6～150 m段內，注水漏失量在0～13 L/min，采動裂隙發育明顯，漏失量大者，裂隙發育密集，連通情況好，裂隙發育最大垂高92 m；150～175 m段內注水漏失量為0，說明該段巖層裂隙不發育，已處于II-3煤層采動導水裂縫帶發育影響范圍以外，因此K1探測孔導水裂縫帶發育垂直高度為2.5～92 m。

圖8 鉆孔封堵注水漏失量成果圖

由圖8(c)可知，K2鉆孔斜長150 m，0～20 m觀測段內注水漏失量為0，覆巖采動裂隙不發育；20～80 m段內注水漏失量為0～15 L/min，采動裂隙明顯發育；80～150 m段內注水漏失量為0，超出導水裂縫帶發育范圍；依據上述分析K2探測孔導水裂縫帶發育垂直高度為14～53 m。

由圖8(d)可知，K4鉆孔斜長150 m，0～30 m觀測段內注水漏失量為0，覆巖采動裂隙不發育；30～127 m段內注水漏失量為0～15 L/min，采動裂隙發育明顯；127～150 m段內注水漏失量為0，超出導水裂縫帶發育范圍；依據上述分析K4探測孔導水裂縫帶發育垂直高度為21～74 m。

綜合采前與采后鉆孔注水漏失量實測結果，通過平面投影繪制了轉龍灣井田23103首采工作面頂板導水裂縫帶形態綜合特征圖，見圖9，可知該礦首采面導水裂縫帶最大發育高度為92 m。根據23103首采工作面地質特征，II-3煤層平均厚度為4.6 m，因此轉龍灣井田23103首采面裂采比(即導水裂縫帶最大高度與煤層采高比值)為20。

圖9 首采工作面頂板導水裂縫帶發育形態綜合特征圖

根據探測結果，采用最小二乘法獲得了首采工作面半側的導水裂縫帶發育高度擬合公式：

(2)

式中：H——覆巖導水裂縫帶發育高度，m；

x——導水裂縫帶發育高度的水平投影距離，m。

根據式(2)繪制了采動覆巖導水裂縫帶發育形態橫向剖面圖，見圖10。由圖10可知，西部淺埋深薄基巖煤礦綜放工作面采動覆巖導水裂縫帶橫剖面上(橫向)的形狀為拱形，呈現工作面中間高、兩側低的特征，且與相似覆巖條件下的金雞灘煤礦、大南湖礦區等地的實測數據相一致。

圖10 首采工作面覆巖導水裂縫帶發育形態及擬合曲線

4 結論

針對淺埋薄基巖煤層開采頂板導水裂縫帶發育規律，綜合運用數值模擬和現場實測等研究方法，研究了轉龍灣煤礦首采工作面采動過程中頂板巖層應力分布及破壞規律，獲取了導水裂縫帶的最大發育高度及發育形態，結論如下：

(1)根據轉龍灣井田實際地質資料建立了三維數值模擬計算模型，運用FLAC3D軟件開展了工作面回采過程研究。數值模擬過程表明，隨著工作面的不斷推進(縱向)，采動應力重新分布，在工作面中心位置覆巖得到了充分的垮落，頂板導水裂縫帶形態的發展經歷了由“馬鞍形”到“箱形”的發展過程，且塑性破壞區這種形態的變化，是從開切眼巷道塑性破壞區開始，到采空區整個覆巖運移穩定后結束。

(2) 以轉龍灣井田23103首采工作面為對象，采用鉆孔雙端封堵測漏技術開展了現場實測研究，通過采前和采后鉆孔的實測數據對比分析，該工作面采厚為4.6 m的條件下導水裂縫帶最大發育高度為92 m，裂采比為20。

(3)基于實測數據繪制了導水裂縫帶發育形態特征圖，采用最小二乘法原理獲得了首采工作面導水裂縫帶發育高度擬合公式，認為淺埋深薄基巖煤礦綜采工作面在工作面斜長方向(橫向)上導水裂縫帶形態為采空區中部高、向兩側逐漸降低的拱形。