厚沖積層礦區導水裂縫帶高度發育規律*

方良成，薛 博，2，徐燕飛，2

(1.淮南礦業(集團)有限責任公司，安徽 淮南 232001；2.平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

導水裂縫帶是煤層采動導致覆巖垮落、斷裂，誘發的具有導水性的溝通采空區與上覆含水層的導水通道，導水裂縫帶波及到含水層時，對煤層開采具有一定的危險性。導水裂縫帶高度的形成主要與開采厚度、開采尺寸、開采深度、覆巖巖性及結構特征等因素相關。確定覆巖導水裂縫帶破壞高度的方法通常有經驗公式、現場實測、實驗室物理模擬及數值模擬等方法[1-13]。近年來，煤炭科學工作者對其研究已取得了豐碩成果。施龍青等[14]綜合考慮開采影響和巖石力學性質等因素推導出了導水裂縫帶理論計算公式；陳榮華等[15]運用巖石破斷過程分析軟件RFPA2D模擬上覆巖層的破壞、彎曲情況，最終得出覆巖導水裂縫帶高度；趙明等[16]運用相似模擬方法模擬了工作面開采上限提高后的覆巖運移破壞規律及“兩帶”發育特征，并利用計算公式預測了“兩帶”高度；李佳等[17]通過UDEC數值模擬，對曙光煤礦1208工作面兩帶高度進行分析，確定了1208工作面垮落帶高度為16 m，裂隙帶高度為30 m。

基于FLAC3D軟件建立三維數值模型，依據淮南礦區張集煤礦相關地質資料和巖體物理力學參數，對厚沖積層條件下覆巖破壞規律進行數值仿真模擬，研究淮南礦區厚沖積層下煤層覆巖破壞規律，為安全開采提供技術依據。

1 導水裂縫帶高度發育規律數值模擬

1.1 研究區地質條件的特殊性

淮南煤田地處黃淮平原，全部被第四系覆蓋，淮南礦區以淮河為界，分為老區和新區，兩區煤系地層基本相似，可采煤層共9層，平均可采總厚24.11 m，均為多煤層重復開采。兩區最主要的差異在于第四系沖積層厚度，北區沖積層厚度為120～500 m，而南區只有20～40 m。大量數據表明，當有巨厚沖積層存在時，開采引起的地表移動變形規律與常規開采條件(無沖積層或沖積層較薄)存在較大的不同。

1.2 數值模型建立

1.2.1 數值模型建立

FLAC3D軟件采用塑性本構模型可顯示符合屈服準則的區域，根據塑性區確定破壞區域范圍[18]。數值模型如圖1所示，模型尺寸為800 m×300 m×450 m，模擬3層開采煤層，煤層為近水平，開采厚度為5 m，煤層埋深自上而下分別為360 m、400 m和430 m。松散層厚度為150 m，松散層厚度通過在基巖層上方施加等效載荷代替。

圖1 多煤層開采數值模型

1.2.2 開采方案設計

先開采上部煤層1，煤厚5 m，分析對比開采50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m、350 m、400 m時覆巖應力分布、塑性破壞區、豎直方向位移變化規律。煤層1開采結束后，開采下伏煤層2，煤厚5 m，與上部煤層1的層間距為35 m和70 m這2種，分步開采煤層2，研究當下伏煤層2采空區垮落帶觸及上部采空區條件下，重復采動覆巖移動及導水裂縫帶發育規律。最后開采下伏煤層3，煤層3與上覆煤層2層間距25 m，研究分析二次重復采動導水裂縫帶高度發育規律。

1.2.3 模型邊界條件及巖石參數

固定開采模型的前、后、左、右邊界位置，即X、Y方向上水平位移為零。固定開采模型的底部邊界位置，即Z=0的位置水平、垂直方向上位移均為零；模型頂端施加等效重力載荷。巖石物理力學參數見表1。

表1 巖石物理力學參數

2 數值模擬結果及規律分析

2.1 第1層煤層開采導水裂縫帶發育規律

從圖2(a)、(b)可看出，煤層1回采100 m時，模擬結果顯示切眼處的支承壓力最大值約為13.7 MPa，導水裂縫帶發育高度60.2 m，此時采空區上方直接頂處多發育為剪切破壞，由于采空區底板卸壓，底板出現較小的拉伸破壞區，采空區上方塑性破壞范圍成“馬鞍狀”分布狀態。

從圖2(c)、(d)可看出，當回采至200 m時，采空區中部首次出現壓實應力聚集區，最大壓實應力約為2.5 MPa，導水裂縫帶發育高度為84.6 m，由于應力壓實區的出現，卸壓區域的形態發育為近平頂拱形。

從圖2(e)、(f)可看出，當回采至400 m時，最大壓實應力為15.8 MPa。導水裂縫帶發育高度穩定為116.3 m，裂采比約為23.3，此時采場上方導水裂縫帶發育范圍由“馬鞍狀”逐漸變為“臺字形”分布形態。煤層1開采導水裂縫帶高度發育規律如圖3所示。

圖2 煤層1開采豎直方向應力分布及導水裂縫帶發育高度

圖3 煤層1開采導水裂縫帶高度發育規律

2.2 第2層煤層開采(一次重復采動)導水裂縫帶發育規律

2.2.1 煤層間距確定

為深入研究多煤層重復采動條件下上覆巖層導水裂縫帶高度發育規律，煤層1初采完畢后，繼續開采下伏煤層2，模擬研究重復采動對巖層應力分布、塑性破壞發育規律的影響，通過采后頂板塑性破壞區域變化的情況和分布規律進行對比分析，探究多煤層重復采動條件下導水裂縫帶的發育規律。重復開采近距離煤層時，下伏煤層與上部采空區的距離將很大程度上影響導水裂縫帶發育的最終高度，故設計煤層間距35 m和70 m這2種工況，研究對比下部煤層垮落帶觸及上部采空區與未觸及上部采空區2種情況下重復采動導水裂縫帶高度發育規律。在上部煤層1開挖完畢的基礎上，將煤層1、2之間間距調整為70 m，開采下部煤層2，煤層2的采厚仍為5 m，對比分析在下部煤層2垮落帶未觸及上部煤層1采空區時重復采動導水裂縫帶高度發育規律。

2.2.2 結果分析

當煤層間距為35 m時，煤層2垮落帶的范圍已觸及到煤層1采空區，相互重疊使上覆巖層剪切、拉伸破壞發育更明顯，從而使得導水裂縫帶發育更高，煤層2回采完畢后，導水裂縫帶最終高度為139.2 m，相比煤層1回采完畢后增加了22.9 m。如圖4、5所示。

圖4 煤層2開采豎直方向應力分布及導水裂縫帶發育高度(煤層間距35 m時重復采動)

圖5 重復采動裂隙帶高度(煤層間距35 m)

當煤層間距為70 m時，煤層2垮落帶的范圍尚未觸及煤層1采空區，重復采動對煤層1采空區上方二次擾動較小，導水裂縫帶增加的值較小，煤層2開采完畢后，導水裂縫帶最終發育高度124.8 m，相比煤層1開采完畢后增加了8.2 m，增長率為1/14，明顯小于煤層間距為35 m時導水裂縫帶增加的高度，如圖6所示。重復采動導水裂縫帶高度發育規律如圖7所示。

圖6 重復采動裂隙帶高度(煤層間距70 m)

圖7 重復采動導水裂縫帶高度發育規律

2.3 第3層煤層開采(二次重復采動)導水裂縫帶發育規律

2.3.1 采后結果

為了進一步研究多煤層重復導水裂縫帶發育的規律，在煤層間距為35 m一次重復采動的基礎上進行二次重復采動，開采下伏煤層3，煤層2、3的間距為25 m，煤層3煤厚5 m。采后結果如圖8所示。

圖8 二次重復采動導水裂縫帶發育高度

2.3.2 結果分析

二次重復采動煤層3開采到200 m前，煤層1、煤層2導水裂縫帶高度變化較小；大于200 m后，煤層1、煤層2導水裂縫帶高度稍微增加，增加量約10%。煤層3開采后，對上覆煤層1和煤層2導水裂縫帶高度整體產生影響，但影響有限。其機理為：對于煤層1的覆巖來說，在煤層3開采影響之前，已經受到2次采動破壞(煤層1和煤層2開采影響)，覆巖巖性相當于變軟(類似于軟弱巖層)，當煤層3開采時，煤層1覆巖會整體彎曲下沉，導水裂縫帶高度增加量較小。對于煤層2覆巖來說，其已經遭受到一次破壞，在受到煤層3開采時導水裂縫帶高度增加量會比煤層1大。二次重復采動時(煤層3開采)，對于煤層3覆巖導水裂縫帶高度已經擾動到煤層2的覆巖破壞帶，因此，對煤層2覆巖導水裂縫帶高度的影響比對煤層1的影響要大。但二次重復采動后，覆巖導水裂縫帶綜合高度增加量有限。初次、一次及二次重復采動導水裂縫帶高度發育規律對比，如圖9所示。

圖9 采動導水裂縫帶高度發育規律對比

3 結論

(1)基于FLAC3D軟件對淮南礦區特有的厚沖積層條件下重復采動導水裂縫帶高度發育規律進行了研究，數值模擬結果可為安全開采提供技術依據。

(2)基于淮南張集煤礦地質采礦條件，建立數值模型，模擬分析了初采過程中覆巖應力動態發育規律及導水裂縫帶發育規律。模擬結果顯示：導水裂縫帶高度變化隨覆巖支撐壓力變化大致可劃分為快速增加、緩慢增加、趨于穩定3個階段。初采完畢后，導水裂縫帶高度為116.3 m，裂采比約為23.3，導水裂縫帶整體形態由“馬鞍形”逐漸發育為“臺”字形。

(3)在初采基礎上進行一次重復采動，模擬結果顯示：當下伏煤層垮落帶高度觸及上部采空區時(間距35 m)，導水裂縫帶高度增加值約為22.9 m，導水裂縫帶高度增長率約為1/5；當下伏煤層垮落帶高度未觸及上部采空區時(間距70 m)，導水裂縫帶高度增加值約為8.2 m，導水裂縫帶高度增長率約為1/14。說明當下部采空區垮落帶觸及上部采空區時，對導水裂縫帶高度影響程度明顯大于后者。

(4)在一次重復采動的基礎上進行二次重復采動，二次重復開采完畢后導水裂縫帶最終發育高度為152.8 m，相比一次重復采動后增加了13.6 m，導水裂縫帶高度增長率約為1/10。綜合分析3層煤重復采動后導水裂縫帶高度整體發育規律，得到結論：初次采動時，在煤層開采前期導水裂縫帶高度增加較快，后期逐漸趨于穩定；重復采動時，開采初期對導水裂縫帶高度整體的影響較小，重復采動后期對導水裂縫帶高度發育影響較為明顯；二次重復采動對導水裂縫帶高度發育的影響明顯小于一次重復采動；重復采動使得綜合導水裂縫帶高度裂采比減小，對導水裂縫帶高度發育起到了一定的抑制作用。