頂板砂巖水下煤層開采覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度研究

陳國紅

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

實現(xiàn)科學采礦成為新形勢下煤礦開采的必然要求[1]，而導水裂隙帶發(fā)育高度是覆巖含水層下采煤安全性分析的基本條件。煤層的開采引起覆巖中形成采動裂隙，隨著開采的不斷擾動與破壞，巖層中采動裂隙將進一步變化[2]。為了實現(xiàn)礦井水害防治，關鍵在于覆巖破壞高度的確定[3]。因此，有必要對綜采工作面采動后覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度進行研究。

導水裂隙帶發(fā)育高度確定方法常用有現(xiàn)場物探法、實驗室實驗、理論分析等[4-5]。黃萬朋等[6]提出基于巖層拉伸變形的覆巖破壞高度預測方法；黃慶享等[7]依據(jù)特殊保水開采區(qū)的典型地質條件，確定了下行裂隙的發(fā)育深度；侯恩科等[8]基于微震監(jiān)測，探索了洛河組含水層下裂隙演化規(guī)律；楊達明等[9]采用鉆孔電視、井下鉆孔注水漏失量觀測等方法研究了厚松散層軟弱覆巖條件綜放開采導水裂隙帶高度；武忠山等[10]以曹家灘煤礦為工程背景，分析了不同開采技術條件(采寬、采深、推進速度)對裂隙發(fā)育高度的影響規(guī)律；張云等[11]研究了含水層下短壁塊段式開采過程不同主控因素對裂隙演化的影響規(guī)律。

綜上所述，不同地質條件下導水裂隙帶發(fā)育高度研究取得了豐碩的研究成果。但由于我國地質條件的復雜性，導致導水裂隙帶發(fā)育高度的確定仍處于探討階段，還需進一步深入研究。鑒于此，針對新集礦區(qū)某綜采工作面上覆砂巖含水層賦水性較強的技術背景，綜合運用經(jīng)驗公式估算、數(shù)值模擬、井下仰孔觀測法研究工作面開采覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度，為砂巖含水層下安全采煤及防治水工程提供地質依據(jù)。

1 試驗區(qū)工程概況

新集礦區(qū)某綜采工作面回采11-2煤層，煤厚3.2～4.3 m，平均厚3.63 m，煤層結構復雜。工作面平均走向長度1 501 m，工作面長193 m，煤層傾角12°～18°，平均14°。導水裂隙帶探測范圍，工作面直接頂為細砂巖，基本頂為粉砂巖。工作面采用走向長壁后退式回采，平均采高3.8 m。采用瞬變電磁、高密度電法對回采煤層頂?shù)装迳皫r含水層的賦水性進行探測，發(fā)現(xiàn)工作面頂板賦水性較強，底板賦水性較弱，為確保頂板覆巖含水層下回采安全，需要對工作面回采后導水裂隙帶發(fā)育高度進行研究。

2 覆巖“兩帶”發(fā)育高度估算

2.1 經(jīng)驗公式估算

經(jīng)驗公式運用前提為掌握覆巖頂板所屬類型。對工作面覆巖頂板取芯探查，得到11-2煤層頂板巖層力學參數(shù)見表1。

表1 11-2煤層頂板巖層力學參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of roof strata in No.11-2 coal seam

對工作面鉆孔柱狀分析，工作面頂板主要為砂巖、砂質泥巖及泥巖互層，其中砂巖占比43.8%，泥巖占比32.4%，砂質泥巖占比23.8%，判定覆巖所屬為中硬頂板類型。按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中經(jīng)驗公式計算，工作面平均開采高度為3.8 m，得到裂隙帶最大發(fā)育高度為33.66～44.86 m。

2.2 基于關鍵層位置覆巖導水裂隙帶高度預測

采場覆巖變形和破壞受關鍵層位置的控制作用，直接影響“三帶”裂隙分布特征[12]。根據(jù)文獻[13]建立的關鍵層位置判別方法及工作面開采覆巖綜合柱狀及鉆探孔揭露的覆巖巖性特征，對頂板覆巖關鍵層所處的層位進行判斷，如圖1所示。

圖1 覆巖關鍵層判別結果Fig.1 Discriminant result of key strata of overburden

從圖1可以看出，煤層頂板55.43 m發(fā)育的石英砂巖為覆巖關鍵層。根據(jù)許家林等[14]研究成果，計算得到關鍵層破斷裂縫貫通臨界高度為26.6～38.0 m，上覆關鍵層所在層位大于臨界高度，導水裂隙帶發(fā)育高度應按照臨界高度上覆最近關鍵層位置估算。依據(jù)工作面煤層變化情況，預測導水裂隙帶發(fā)育高度為55.43 m。

3 導水裂隙帶發(fā)育高度數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

采用FLAC3D數(shù)值軟件構建數(shù)值計算模型，對煤層頂板覆巖破壞進行研究。設定工作面沿傾向布置(Y軸)，沿走向推進(X軸)，重力方向為Z軸，考慮煤巖層的傾角為14°，建立三維模型的尺寸為：傾向398.0 m、走向440.0 m、高度238.2 m，如圖2所示。將工作面上覆巖層按照巖性劃分，將巖性相似的巖層劃分為同一組，模擬頂板巖層21層，底板巖層5層，設定工作面長190 m，走向推進240 m，回采平均高度3.8 m。

圖2 數(shù)值計算模型Fig.2 Numerical calculation model

模擬工作面回風巷標高為-486 m，模型四周和底邊界采用位移邊界條件，上端面采用應力邊界條件，施加9.45 MPa的均布載荷。計算過程巖體的破壞采用摩爾—庫侖準則，地應力通過S-B法進行加載計算。采用人工調節(jié)冒落帶的方法對采空區(qū)進行處理[12]。

3.2 數(shù)值結果分析

按照工作面實際采掘順序進行運算求解。工作面開采后覆巖導水裂隙帶的形成與發(fā)展由頂板巖層的變形破壞確定，可采用應力判別法及位移分析法對工作面開采后覆巖導水裂隙帶破壞特征進行分析。工作面推進240 m時覆巖主應力矢量如圖3所示。

由圖3可以看出，受工作面采動影響，采場圍巖應力重新分布，主應力跡線在采空區(qū)周圍圍巖發(fā)生偏轉，表現(xiàn)出覆巖破壞具有分帶性特點：拉張破壞區(qū)分布在采空區(qū)上方拉應力區(qū)巖層內，其上限為確定冒落帶的重要依據(jù)；拉張破壞區(qū)上部發(fā)育拉張裂隙區(qū)，其上限是確定裂隙帶的重要依據(jù)；拉張裂隙區(qū)之上的巖層為未破壞區(qū)，判斷為彎曲下沉帶。

圖3 覆巖主應力矢量Fig.3 Vector diagram of overburden principal stress

繼續(xù)對采場覆巖主應力分析。巖石為抗壓不抗拉材料，若采空區(qū)覆巖范圍最大、最小主應力均為拉應力，判斷巖石產(chǎn)生拉破壞，為冒落帶范圍；若只有一個主應力為拉應力，判斷與該拉應力垂直方向產(chǎn)生明顯裂隙，為裂隙帶范圍。設定拉應力為正，以工作面走向方向為例，工作面推進240 m覆巖主應力隨采空區(qū)頂板距離變化曲線(所取切片為走向方向采空區(qū)中央位置)如圖4所示。分析數(shù)據(jù)可得，工作面推進240 m時，冒落帶發(fā)育高度為15.2 m，冒采比為3.97；導水裂隙發(fā)育高度為57.6 m，裂采比為15.1。

圖4 主應力與距采空區(qū)頂板距離的變化曲線Fig.4 Change curve of principal stress and distance from roof of goaf

覆巖“三帶”的產(chǎn)生是由于位移不連續(xù)變化引起。為分析覆巖離層裂隙發(fā)育情況，工作面推進240 m采空區(qū)上方不同層位垂直位移曲線(所取切片為走向方向采空區(qū)中央位置)如圖5所示，重點分析覆巖頂板60 m范圍。

圖5 采空區(qū)頂板上方不同層位垂直位移曲線Fig.5 Vertical displacement curves of different layers above the roof of goaf

從圖5中可以看出，采空區(qū)頂板上方不同層位的巖層垂直位移的變化趨勢基本相同，即從采空區(qū)兩側向中部垂直位移逐步增大，且垂直位移隨著距采空區(qū)頂板高度的增加而逐步減小，但不同層位的相對垂直位移變化較大。采空區(qū)中部覆巖垂直位移與距頂板距離變化曲線如圖6所示。

由圖6可以看出，隨距采空區(qū)頂板距離的增加，采空區(qū)中部覆巖垂直位移逐步減小，存在一個拐點，拐點之上的巖層垂直位移變化幅度較小，表明巖層已協(xié)調變形，判斷巖層所屬范圍為彎曲下沉帶，拐點位置為導水裂隙帶的上限。利用位移分析方法移判定覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度為55.2 m。

圖6 采空區(qū)中部覆巖垂直位移隨距頂板距離變化曲線Fig.6 Variation curve of vertical displacement of overburden in the middle of goaf with distance from roof

4 覆巖導水裂隙帶現(xiàn)場實測

現(xiàn)場導水裂隙帶發(fā)育高度的探測采用井下仰孔分段注水法，具有精度高、觀測效果明顯等優(yōu)點[15]，使用時鉆孔避開冒落帶斜穿裂隙帶，并高于裂隙帶頂部一定距離。

4.1 觀測設計

根據(jù)經(jīng)驗公式預測、數(shù)值模擬計算結果，需要對裂隙帶發(fā)育高度在55 m范圍內的覆巖破壞情況進行研究，為保證探測結果的可靠性，具體應用時應加大鉆孔施工深度，本次設計延長10 m的鉆孔垂直高度，即觀測鉆孔垂直高度控制為65 m。為了動態(tài)掌握覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度，在工作面終采線向外35 m位置布置鉆場(工作面上部車場)施工觀測鉆孔，鉆孔直徑94 mm，孔深101 m，鉆孔仰角35°，方位角85°。測試分兩步進行，為采前、采后各觀測1次，采后觀測時，導水裂隙帶已充分發(fā)育。

4.2 測試結果分析

采用分段注水試驗得到觀測鉆孔采前、采后注水量測試結果如圖7所示。觀測鉆孔孔深0～30 m屬于采前區(qū)域，不作為重點分析。從圖7(a)可以看出，35～40 m段漏失量較小，平均為2 L/min，表明該段巖層結構致密，原始裂隙弱發(fā)育；40～52 m，漏失量3～9 L/min；56～101 m段漏失量變化范圍較大，在2～12 L/min變動，說明該段巖層原始裂隙較為發(fā)育，且表現(xiàn)出不均勻性的特點。分析圖7(b)，孔深40～74 m段，采后探測結果相比較于采前，相對漏失量變化為10%～225%，分析采后此段巖層裂隙發(fā)育較為明顯；75～101 m，采后漏失量相對于采前減小，表明該段巖層在一定下沉過程中原生裂隙壓密，出現(xiàn)閉合現(xiàn)象，判斷為彎曲下沉帶。根據(jù)采前、采后注水漏失量相對變化量，圖8給出了工作面回采結束后導水裂隙帶發(fā)育形態(tài)。

圖7 井下仰孔分段注水試驗結果Fig.7 Test results of underground inverted hole sublevel water injection

圖8 工作面導水裂隙帶發(fā)育形態(tài)Fig.8 Development patterns of water conducted zone in working face

可見，導水裂隙帶發(fā)育高度的上限約處于孔深74 m位置，形態(tài)呈“馬鞍形”，確定采后穩(wěn)定狀態(tài)導水裂隙帶發(fā)育高度為H裂=53.4 m。

綜合研究方法得到的覆巖“兩帶”高度結果列于表2。

表2 覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度Tab.2 Development height of water conducted fracturezone in overburden

綜合分析得到，基于關鍵層理論的覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度預測方法、FLAC3D數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場實測結果基本一致，而采用經(jīng)驗公式的計算結果與現(xiàn)場實測數(shù)值相差較大，表明經(jīng)驗公式在預測覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度存在一定的局限性。綜合研究結果確定工作面導水裂隙帶最大發(fā)育高度為57.6 m，研究結果可為工作面頂板水害治理提供地質依據(jù)。

5 結論

(1)分析了工作面覆巖頂板為中硬頂板類型，經(jīng)驗公式預測裂隙帶發(fā)育高度為33.66～44.86 m；基于關鍵層所在層位覆巖導水裂隙帶預測方法，預測導水裂隙帶發(fā)育高度為55.43 m。

(2)構建FLAC3D數(shù)值計算模型，通過應力判別法分析得到工作面導水裂隙帶發(fā)育高度為57.6 m，通過位移分析法判定覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度為55.2 m；現(xiàn)場采用井下仰孔分段注水法進行導水裂隙帶探測，覆巖穩(wěn)定狀態(tài)導水裂隙帶發(fā)育高度為53.4 m，形態(tài)呈“馬鞍型”。

(3)綜合研究得到新集礦區(qū)某工作面回采后，導水裂隙帶最大發(fā)育高度為57.6 m，研究結果可為工作面頂板水害治理提供地質依據(jù)。