弱膠結地層重復采動覆巖滲透性演化規律研究

劉洪林，肖 杰，甄文元，朱鋮宇，陳志文，羅文杰

（1.新疆大學地質與礦業工程學院，新疆烏魯木齊 830046；2.新疆大學礦產資源生態環境保護性開采自治區高校重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046；3.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京 100013）

伊犁地區煤炭儲量豐富為實現伊犁礦區生態環境保護，區域煤炭資源大規模開采過程中，水資源保護將作為基礎約束條件[1-5]。伊犁礦區煤系地層均為侏羅系、白堊系弱膠結地層，可采煤層數多、埋藏淺、上覆基巖薄，煤層開采過程中極易造成淺表水資源的流失[6-8]。已有研究表明，弱膠結地層巖石都具有強度低、孔隙度大、遇水易泥化崩解等特點[8-10]。西部弱膠結地層巖石的強度遠小于東部地區煤系地層巖石，由于巖石膠結松散，三軸壓縮過程中彈性能積聚能力弱，巖石破壞時的彈性能釋放少，峰后階段主要呈現黏性流動狀態、無明顯的剪切裂隙[11-12]。弱膠結巖石的宏觀破壞形式主要為張拉破壞，細觀破壞則主要發生在巖石顆粒間的膠結物[13-17]。弱膠結巖石遇水易泥化崩解，在相同的地層結構和開采參數條件下，弱膠結覆巖的兩帶發育高度較小[11]。已有研究成果為弱膠結地層煤炭資源的安全開采提供了基礎，但弱膠結采動地層的滲透性演化規律尚不清晰，需進一步研究。為此，采用數值計算的方法，分析弱膠結地層近距離煤層開采過程中，地層應力場、采動覆巖破壞情況及滲流場演化規律，對西部礦區安全高效和生態環境保護性開采具有積極的指導意義。

1 工程概況

伊犁礦區伊新煤業礦井位于新疆伊犁哈薩克自治州霍城縣東南部，主采21-1 煤層和23-2 煤層，現階段正進行21-1 煤層的開采。井田地層由上到下依次為：第四系、古近系、新生代新近系；侏羅系水西溝群三工河組、八道灣組；中生代三疊系上統小泉溝群赫家溝組；古生代石炭系中統奧依曼布拉克組。礦井主采煤層所屬侏羅系地層主要是細砂、粉砂、中砂巖以及泥巖[2]。煤層組覆巖層不存在厚而堅硬的關鍵層，煤系地層主要巖石力學參數見表1。

表1 煤系地層主要巖石力學參數Table 1 Main rock mechanics parameters of coal measure strata

伊新煤業井田處于傾狀向斜盆地中，西側地形較低，其余三面地形均較高[4]。特殊的簸箕狀地形決定了井田區域為附近區域地下水的徑流排泄補給區。井田東南側基巖露頭區為區域地下水東南側補給邊界，井田北部為無限補給邊界。研究區主要含水層為：第四系沖洪積孔隙含水層（H1）、古近系砂礫巖孔隙含水層（H2）。21-1 煤層覆巖含水層特征見表2。

表2 21-1 煤層覆巖含水層特征Table 2 Characteristics of coal 21-1 overburden aquifer

研究區內地表植被生存依賴于淺表含水層中液態和包氣帶水資源，若淺表含水層水資源大量流失將會威脅礦區地表生態環境。為此，結合礦井含水層結構特征，主要針對近地表的第四系和古近系含水層水資源流失情況進行研究。保障隔水層結構不受破壞是實現保水開采的關鍵，位于目標含水層（H1、H2）之下，21-1 煤層之上的G1、G2、G3隔水層的完整程度將決定目標含水層水資源是否流失。覆巖主要隔水層特征及地層結構含水層、21-1 煤層覆巖主要隔水層特征見表3，煤系地層結構及煤系地層含水層隔水層分布如圖1。

圖1 煤系地層結構及煤系地層含水層隔水層分布Fig.1 Structure of coal measure strata and distribution of aquifers in coal measure strata

表3 21-1 煤層覆巖主要隔水層特征Table 3 Characteristics of main water resisting layer of coal 21-1 overburden

綜上所述，伊寧煤田煤系地層弱膠結，煤層具有賦存厚度大、埋深淺和煤層間距小的特點。煤層開采過程中采動裂隙極易導通含水層，造成淺表水資源的流失，引發礦區脆弱生態環境的惡化及井下水害事故。

2 弱膠結地層數值計算模型構建

為研究水力耦合條件下伊新煤業采動覆巖滲透性規律，基于礦井開采地質條件，構建弱膠結地層數值計算模型。模擬型尺寸為700 m×400 m×135 m，模型上邊界施加0.365 MPa 的荷載模擬松散層，固定其余邊界的位移。為減少邊界效應的影響，x 方向兩側各留150 m，y 方向兩側各留100 m。工作面開挖尺寸分別為400 m×200 m×5 m 和400 m×200 m×10 m。以每次推進10 m，每次開挖計算4 000 步，對21-1、23-2 煤層均一次采全厚度進行模擬。自上而下，先開挖21-1 煤層，再開挖23-2 煤層。數值計算模型中各巖層力學參數見表4。

表4 煤系地層力學參數Table 4 Mechanical parameters of coal measure strata

弱膠結地層砂巖、泥巖和砂質泥巖的單軸壓縮強度與常規煤系地層同類巖石相比明顯較低，其在水的作用下強度將發生大幅降低，破壞前塑性變形十分明顯[18]。FLAC3D可用于分析采動巖體滲流場演化規律[19]，為此選用該數值計算軟件在水力耦合條件下進行伊新煤業采動覆巖活動規律和采動覆巖滲透性規律的研究。選取摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）強度準則作為模型巖體破斷規律的本構關系。數值計算模型中的流體采用各向同性（isotropic）本構模型，默認組成巖體的顆粒不可壓縮，則相對應的需要設置的FLAC3D滲流模擬模型參數有流體體積模量、孔隙率以及巖層滲透性系數。模型中流體的密度為1 000 kg/m3，體積模量為2 GPa。

通過巖層密度和吸水率計算得到煤系地層孔隙率，煤系地層孔隙率及滲透率見表5。

表5 煤系地層孔隙率及滲透率Table 5 Porosity and permeability of coal measures

3 弱膠結地層重復采動覆巖滲透性演化規律

3.1 采場圍巖應力場分布規律

煤層開挖打破了地層中的原始應力平衡狀態，地層應力將重新分布。煤層開挖后，采空區上覆巖層失去支撐，其載荷向周圍巖體轉移，從而在采空區四周出現應力集中區，采空區上部則出現應力降低區[20]。21-1、23-2 煤層開采工作面圍巖垂直應力分布如圖2，煤層開挖后工作面前后的覆巖出現應力集中區，采空區上方為應力降低區。

圖2 采動覆巖垂直應力云圖Fig.2 Vertical stress in surrounding rock of working face

煤層開采過程中，沿工作面推進方向支承壓力出現先增加再減小的趨勢。工作面推進方向支承壓力峰值出現距離煤壁5～10 m 的區域，在距離煤壁40 m 時垂直應力恢復到原巖應力水平，支承應力峰值處應力集中系數最大達到1.81。采空區上覆巖層中出現拉應力，最大拉應力出現在采空區中央上部，拉應力峰值達0.9 MPa。

21-1 煤層開采后再開挖23-2 煤層，23-2 煤層工作面周圍應力集中區向下轉移，工作面前方應力峰值出現在工作面前方5～10 m 位置。由于21-1 煤層開挖后其下部巖層處于卸壓狀態，因此23-2 煤層開采時工作面前方應力集中程度較小。上下工作面重疊布置時，上部煤層開采在采空區形成的應力集中將向傳遞到下部煤層，形成較大的集中應力，應力集中系數達到了2.01。

3.2 采場圍巖塑性破壞規律

工作面推進50 m 時，煤層覆巖塑性區發育高度達到20 m，覆巖破壞形式主要為剪切破壞，僅頂部發生了少量張拉破壞。當工作面推進100 m 時，覆巖塑性區高度達到25 m，采空區上覆巖層中產生大量張拉破壞區。煤層開采后在采空區四周出現自地表向下的張拉破壞區域，工作面中部自下而上形成破壞區域[21]。工作面開挖150 m 時，工作面四周自上而下發育的張拉破壞區域深度達到了20 m，采空區中部自下而上發育的張拉破壞區域高度發育至距離工作面頂板45 m 處。當工作面開挖至200 m 時，工作面形成2 處自上而下的連續張拉破壞區域。工作面中部上行破壞區域發育高度最大，最大發育高度達到70 m，工作面兩側自上而下發育的張拉破壞區深度達到了30 m。但此時上行破壞區和下行破壞區在空間上并未形成連續區域。當工作面推進300 m 時，工作面附近破壞區域相互連通。

采空區下部工作面開挖時，下煤層頂板的塑性破壞區沿著上煤層開挖時底板的破壞區自上而下發育。由于伊新煤業兩煤層間巖層厚度只有25 m，并巖層膠結程度較差，當23-2 煤層工作面推進至100 m 時，煤層開挖產生的塑性區已連通煤層底板。

3.3 采空區覆巖裂隙發育規律

煤層開挖后會同時產生自下而上的裂隙和自上而下的裂隙，上行裂隙與下行裂隙導通是影響隔水層隔水性的關鍵因素[22]，當上行裂隙和下行裂隙導通時即有可能形成導水通道。FLAC3D模擬結果顯示，上行破壞區域和下行破壞區域的連通出現在工作面推進一定距離后的工作面后方。伊新煤業21-1煤200 m 工作面推進350 m 時，工作面后方首次出現上行破壞區和下行破壞區連通的現象。工作面推進開采300 m 時覆巖裂隙發育切片如圖3。

圖3 工作面推進開采300 m 時覆巖裂隙發育切片Fig.3 Overburden fractures develop at 300 m when the working face is advanced

3.4 圍巖孔隙壓力變化規律

煤層開采擾動將打破圍巖孔隙壓力平衡，產生孔隙壓力差，引起水體的滲流運移。基巖上部礫石層存在水源補給，因此固定基巖頂部孔隙壓力為0.5 MPa。在固定頂部基巖孔隙壓力的情況下得到了不同開挖時步條件下煤層覆巖孔隙壓力分布，21-1煤層不同推進距離時孔隙壓力如圖4。

圖4 21-1 煤層不同推進距離圍巖孔隙壓力分布Fig.4 Pore pressure distribution of surrounding rock at different advancing distances of coal 21-1

當21-1 煤層開挖50 m 時，采空區頂底板巖層中孔隙壓力均會出現下降，采空區上覆巖層孔隙壓力呈等值線下降。當21-1 煤層推進至400 m 時煤層底板及采空區兩側孔隙壓力均出現大幅下降。

23-2 煤層在21-1 煤層開采結束后進行開采，21-1 煤層采空區可能存在積水。為此，固定21-1 煤層中工作面底板的孔隙壓力為0.3 MPa。模擬23-2煤層開挖時兩煤層間的孔隙壓力變化和巖層滲流狀態如圖5。當23-2 煤層推進50 m 時，兩煤層中間巖層中孔隙壓力略有變化；工作面推進100 m 時，下煤層頂板局部區域出現了孔隙壓力下降；工作面推進至150 m 時，下煤層頂部巖層孔隙壓力大幅下降。

圖5 23-2 煤層不同開挖步距圍巖孔隙壓力分布Fig.5 Pore pressure distribution of surrounding rock at different excavation distances in 23-2 coal seams

3.5 重復采動下圍巖滲流場演化規律

煤層開采后，弱膠結地層在劇烈開采擾動下形成了滲流通道，使得地表水或地下水滲透至采空區。工作面開采后，地下水流速最快的區域出現在工作面四周煤壁。煤層開挖后，采空區四周30 m 左右的區域內地下水流速均較快。煤層開采后距離頂板50 m 左右覆巖區域滲流場流速發生了量級的變化，滲流擾動區域比采動塑性破壞區范圍更大。采空區覆巖中形成流向采空區中部的環向滲流圈，滲流方向隨著距離頂板距離增大逐漸由水平流入采空區轉為垂直流入采空區，滲流速度隨著距離采空區頂板的垂向距離的增大而降低，距離采空區頂板80 m 層面的最大滲流速度。

21-1 煤層工作面初采期間，覆巖滲流速度變化不大，當推進距離由150 m 增大至200 m 時，頂板滲流速度開始增大；推進距離達到300 m 時，頂板含水層滲流速度大幅增大；推進至400 m 時，覆巖最大流速達初始擾動值2.1 倍。工作面回采過程，采空區覆巖滲流速度隨著工作面推進不斷降低。工作面推進400 m 時，采空區覆巖滲流速度約為開挖初期的1/2，工作面推進400 m 時走向剖面滲流矢量如圖6，工作面推進時煤壁側滲流速度變化如圖7，工作面推進時切眼側滲流速度變化如圖8。

圖6 工作面推進400 m 時走向剖面滲流矢量Fig.6 Strike profile seepage vector when the working face is advanced at 400 m

圖7 工作面推進時煤壁側滲流速度變化Fig.7 Variation of seepage on the side of the face when working face advances

圖8 工作面推進時切眼側滲流速度變化Fig.8 Variation of seepage velocity on the cutting side when the working face advances

根據前文，21-1 煤層工作面推進至300 m 時采空區覆巖上行破壞區和下行破壞區相連通，此時正好對應了采空區覆巖滲流速度大幅度增加。當采動覆巖上行和下行破壞區相連通時，采空區覆巖地下水流速度將大幅上升。由于21-1、23-2 煤層間距較小，上部煤層先開采可能會形成老空區積水，下煤層開挖時，兩煤層間的巖體中的地下水滲流演化規律研究對實現采空區下煤層安全開采有重要意義。固定21-1 煤層孔隙壓力為0.3 MPa ，即模擬上煤層開挖后在采空區形成3.0 m 深的積水時煤層間巖層中的地下水滲流情況，23-2 煤開挖100 m 時走向剖面滲流矢量如圖9，23-2 煤開挖400 m 時走向剖面滲流矢量如圖10。

圖9 23-2 煤開挖100 m 時走向剖面滲流矢量Fig.9 Seepage vector of strike profile when 23-2 coal is excavated for 100 m

圖10 23-2 煤開挖400 m 時走向剖面滲流矢量Fig.10 Seepage vector of strike profile when 23-2 coal is excavated for 400 m

當23-2 煤層工作面推進50 m 時，煤層間巖層滲流速度無明顯增加。推進100m 時，形成采空區中部滲流速度大、采空區兩側滲流速度小的扇形滲流場，扇形區域最大滲流速度約2.0×10-9m/s。當工作面推進150m 時，扇形滲流區域最大滲流速度達2.12×10-8m/s。隨著工作面的繼續推進，煤層間巖層滲流矢量大小不再呈現扇形分布，滲流場逐漸轉變為煤壁側滲流速度大于采空區滲流速度。23-2 煤層開采過程中，覆巖滲流矢量隨工作面推進距離增大而增大，達到峰值后再逐漸減小，并趨于穩定，23-2煤工作面推進過程中覆巖最大滲流矢量如圖11，23-2 煤工作面推進400 m 時距頂板20 m 水平剖面滲流矢量如圖12。當23-2 煤層工作面推進150 m 時，頂板最大滲流矢量達到峰值。

圖11 23-2 煤工作面推進過程中覆巖最大滲流矢量Fig.11 Vector change of maximum seepage flow of overburden during the advancing of 23-2 coal seam

圖12 23-2 煤工作面推進400 m 時距頂板20 m水平剖面滲流矢量Fig.12 Horizontal profile seepage vector when 23-2 coal working face is advanced at 400 m and 20 m away from the roof

4 結 語

1）21-1 煤層工作面開采時，最大支承壓力峰值應力集中系數為1.81，采空區上覆巖層最大拉應力出現在采空區中部覆巖區域，最大拉應力達到0.9 MPa。由于弱膠結地層巖石強度較低，21-1 煤層開挖后，其下部一定范圍煤層和巖層均處于卸壓狀態，23-2 煤層開采時，工作面超前支承壓力峰值較小。

2）煤層開采過程中，采空區上覆巖層中形成了中部發育高度大、四周發育高度小的上行破壞區和采空區四周發育深度大、中部發育深度小的下行破壞區。工作面推進距離達到300 m 時，上行和下行破壞區相互連通，采空區覆巖區域孔隙壓力出現大幅下降。

3）單層開采擾動和重復開采擾動下，覆巖滲流場均呈現出采空區四周滲流速度大、中部滲流速度小的特征，工作面側煤壁滲流速度較采空區側滲流速度大，采動覆巖塑性破壞區發育與覆巖滲流場演化規律存在較為明顯的對應關系。

4）近距離下位煤層開采時，上下煤層間巖層破壞區未貫通前，采空區積水向下位煤層工作面滲流速度較小；破壞區初次貫通時，上下煤層間巖層滲流速度突然增大，形成中間滲流速度大、兩邊滲流速度小的扇形滲流場，隨著工作面持續推進，最大滲流速度區域轉移至工作面前方。