燒變巖含水層下煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律研究

張京民，孟凡林，武海文，趙 飛，薛建坤，王 益，羅安昆，黃 歡

（1.庫車縣科興煤炭實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 阿克蘇 842000；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

新疆煤炭資源豐富，預(yù)測(cè)資源量為2.19 萬億t，占全國陸地資源總量的30%以上，居全國之首，主要分布在準(zhǔn)東、吐哈、伊犁、庫拜4 大煤田，是我國重要的能源基地接替區(qū)和戰(zhàn)略能源儲(chǔ)備區(qū)[1]。近年來隨著新疆煤炭資源開發(fā)，水害問題逐漸凸顯[2]，其中燒變巖水害問題較為突出，如2018 年4 月25 日，庫拜煤田阿艾礦區(qū)永新煤礦A3 運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面發(fā)生燒變巖突水，最大突水量約3 000 m3/h，死亡2人，造成較大經(jīng)濟(jì)和人民財(cái)產(chǎn)損失。識(shí)別“兩帶”發(fā)育高度是否溝通燒變巖含水層是其水害防治的基礎(chǔ)[3]。因此，燒變巖含水層下煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度的研究便成為燒變巖水害防治的關(guān)鍵[4]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度開展了大量的研究，目前常用的研究方法主要包括理論計(jì)算[5-7]、經(jīng)驗(yàn)公式[8-9]、物理或數(shù)值模擬[10-12]、物探方法[13-14]及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[15-17]等。上述方法有效指導(dǎo)了煤礦安全開采。其中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度被認(rèn)為是最有效的方法之一[18]，而數(shù)值模擬方法，能模擬較為復(fù)雜的過程，且成本低廉，被廣泛應(yīng)用于地下工程領(lǐng)域當(dāng)中[19]。目前上述方法在煤礦頂板水害防治中應(yīng)用較廣，但在新疆礦區(qū)應(yīng)用較少。為此，以新疆天山南麓阿艾礦區(qū)某煤礦1013 工作面為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬、井下分段壓水現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及理論計(jì)算相結(jié)合的方法，研究下10 煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度，旨在為新疆阿艾礦區(qū)燒變巖水害防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

研究區(qū)位于新疆阿克蘇地區(qū)庫車市，東北距烏魯木齊直線距離450 km。行政區(qū)劃隸屬庫車縣阿格鄉(xiāng)庫孜翁牧場(chǎng)管轄。

1）區(qū)域水文地質(zhì)特征。研究區(qū)位于塔里木盆地北緣，天山褶皺帶南麓，庫車中新生代山前坳陷的中部。盆地的北面由石炭系和二疊系的凝灰?guī)r、安山巖、石英斑巖、花崗巖等組成的中高山區(qū)，盆地內(nèi)則由三疊系和侏羅系砂巖、砂礫巖及泥巖等組成的中低山地形。礦區(qū)東部由庫車河沖洪積砂礫石組成的河谷地貌。地勢(shì)總體呈北高南低，地表基巖裸露，植被稀疏，沖溝發(fā)育，地表排泄條件良好。根據(jù)區(qū)域巖性、地貌和地下水分布特征將該區(qū)劃分為4 個(gè)含水巖系，分別為第四系孔隙淺水，白堊系、古近系和新近系孔隙裂隙，三疊系侏羅系孔隙裂隙承壓，火成巖、變質(zhì)巖裂隙含水巖系。研究區(qū)域水文地質(zhì)圖如圖1。

圖1 研究區(qū)域水文地質(zhì)圖Fig.1 Hydro-geological map of study area

2）礦井水文地質(zhì)特征。礦井揭露地層劃分為3個(gè)含水層、2 個(gè)隔水層，即第四系全新統(tǒng)沖、洪積砂礫石孔隙潛水含水層（Ⅰ），下侏羅統(tǒng)塔里奇克組上段火燒區(qū)孔隙、裂隙潛水含水層（Ⅱ），下侏羅統(tǒng)塔里奇克組中段孔隙、裂隙承壓含水層（Ⅲ）3 個(gè)含水層；下5 煤底板砂泥巖相對(duì)隔水層、下10 煤底板砂泥巖相對(duì)隔水層。其中燒變巖含水層富水范圍為礦區(qū)中部，近于東西向，巖石受烘烤燒變的影響，裂隙極其發(fā)育，鉆孔單位涌水量q 為0.076 6～8.340 L/（s·m），滲透系數(shù)K 為27～345 m/d，含水層富水性弱-極強(qiáng)。礦井地下水主要補(bǔ)給源為大氣降水、冰雪融水和季節(jié)性地表水；該區(qū)地下水流受向斜構(gòu)造控制，總體上是由南北兩翼流向向斜軸部，再沿向斜軸自西向東運(yùn)移，礦坑排水是該區(qū)地下水主要排泄方式。井田水文地質(zhì)柱狀圖如圖2。

圖2 井田水文地質(zhì)柱狀圖Fig.2 Hydro-geological histogram of minefield

3）燒變巖水害特征。井田下5 煤、下7 煤、下8 煤和下10 煤均受到不同程度的火燒，形成大量火燒區(qū)。其中下5 煤、淺部煤層及各煤層露頭均已火燒，煤層頂?shù)装鍘r石均已變質(zhì)成燒變巖，裂隙發(fā)育、透水性好，直接接受大氣降水、地表水及第四系潛水補(bǔ)給，賦存大量的地下水。井田首采下10 煤，厚度2.58～4.35 m，距離上部燒變巖含水層厚度約100 m。上部燒變巖水可能通過斷裂構(gòu)造或在基巖變薄處順采動(dòng)裂隙進(jìn)入礦井。因此下10 煤開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律研究變得尤為重要。

2 導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度數(shù)值計(jì)算

2.1 模型構(gòu)建

煤層開采覆巖損傷變形與含水層中地下水流動(dòng)是1 個(gè)流固耦合的過程，為研究工作面回采過程中導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律，可以采用COMSOL Multiphysics有限元多物理場(chǎng)耦合軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。巖體受力變形屬于固體力學(xué)范疇，含水層中水的流動(dòng)屬于Darcy 流的范疇，因此采用軟件中的固體力學(xué)模塊與Darcy 流模塊開展數(shù)值模擬研究工作。選取新疆阿艾礦區(qū)某礦1013 工作面，基于地層綜合柱狀圖，分層建立長度500 m，高度260.5 m 的二維數(shù)值模型，煤層厚度3.2 m。為消除邊界效應(yīng)，模型兩邊各留100 m 煤柱，模擬煤層分步開采，每步開采50 m，共開采300 m。數(shù)值模型如圖3。

圖3 數(shù)值模型Fig.3 Numerical model

2.2 控制方程

應(yīng)力場(chǎng)控制方程：

式中：G 為剪切模量，Pa；u 為位移矢量，m；v 為泊松比；α 為Biot 系數(shù)；p 為流體壓力，Pa；▽為哈密頓算子；ρ 為流體密度，kg/m3；S 為儲(chǔ)水系數(shù)；k 為滲透率，m2；μ 為流體動(dòng)力黏度，Pa·s；g 為重力加速度，m/s2；Qm為質(zhì)量源，kg/（m3·s）；? 為孔隙度；kf為流體體積模量，Pa；ks為固體體積模量，Pa；εv為體積應(yīng)變；t 為時(shí)間。

土力學(xué)中廣泛采用Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則，但是在復(fù)雜應(yīng)力路徑，特別是在尖角的情況下，本構(gòu)方程很難從數(shù)值的角度進(jìn)行處理。因此，研究煤巖體的塑性損傷破壞采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，并與Drucker-Prager 剪切準(zhǔn)則相匹配。

煤巖體塑性損傷判據(jù)F 表述如下：

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.3.1 采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律

分析采場(chǎng)的應(yīng)力分布規(guī)律是研究導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律的重要前提。整理數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到從切眼處煤層依次開采300 m 的過程中表面應(yīng)力分布，不同開采距離應(yīng)力分布圖如圖4。

圖4 不同開采距離應(yīng)力分布圖Fig.4 Stress distribution diagram of different mining distances

從圖4 可以看出，煤層開采后工作面前后方出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力主要分布在距離煤壁0～20 m 的煤巖柱上，并且在采動(dòng)影響下煤層所受的應(yīng)力最大，其次為煤層頂板。隨著煤層的推采，應(yīng)力集中區(qū)域呈現(xiàn)出煤層頂板小于底板的分布特征。此外，在工作面前后方煤壁及其頂板巖體內(nèi)形成增壓區(qū)，而在工作面的上方和下方出現(xiàn)應(yīng)力減壓區(qū)，這是由于煤層開采后頂?shù)装鍘r體出現(xiàn)了應(yīng)力釋放空間，且最大增壓區(qū)在工作面前后方煤壁周圍，最大減壓區(qū)出現(xiàn)在采空區(qū)中心線位置。

2.3.2 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律

導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度如圖5。

圖5 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度Fig.5 Development height of water conducting fracture zone

當(dāng)煤層頂板形成塑性損傷區(qū)，此時(shí)頂板巖體內(nèi)部將產(chǎn)生大量的次生裂隙，也即采動(dòng)裂隙，當(dāng)煤層頂板未形成塑性損傷區(qū)，此時(shí)頂板巖體相對(duì)較為完整，因此頂板塑性損傷區(qū)的高度也即頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育高度。由圖5 可知，煤層開采后頂板會(huì)形成塑性損傷區(qū)域，最大損傷區(qū)域出現(xiàn)在工作面煤巖柱兩側(cè)。隨著煤層開采距離的增加，頂板塑性損傷區(qū)域逐漸增大，也即導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度逐漸增高，當(dāng)煤層開采300 m 后，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育最大高度約為53.5 m，裂采比為16.72。

3 導(dǎo)水?dāng)嗔寻l(fā)育高度現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

3.1 探測(cè)方法

此次探測(cè)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度方法為井下分段壓水方法。在井下向工作面上方打仰斜鉆孔，采用鉆孔雙端封堵測(cè)漏法，沿鉆孔進(jìn)行分段封堵注水，測(cè)定鉆孔各段的漏失量，以此了解巖石的破壞松動(dòng)情況，確定煤層頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨龋譃橐韵? 個(gè)步驟：

1）鉆探探查。鉆探探查分為采前探查孔及采后探查孔。探查孔位置一般選擇在停采線附近沒有大的地質(zhì)構(gòu)造，其次要考慮鉆孔開孔處（鉆窩）圍巖的完整性，以便于巷道硐室的維護(hù)和孔口的完整。采后探查孔一般為頂板垮落穩(wěn)定后再施工。

2）分段壓水測(cè)試。分段壓水測(cè)試分為采前壓水及采后壓水。壓水裝置為雙栓塞壓水裝置。按上行方式觀測(cè)，觀測(cè)段1～1.5 m，每段觀測(cè)1 次，從孔口一定距離直到孔底。封堵孔段壓力大于注水壓力，注水壓力一般為高程靜壓加0.1 MPa。待孔段注滿水后，觀測(cè)1 min 內(nèi)的流量值。

3）數(shù)據(jù)綜合分析。通過觀測(cè)采后鉆孔整體的漏失量分布，并與采前孔進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)漏失量出現(xiàn)明顯減小或不再漏失時(shí)，該位置判定為導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀纭，F(xiàn)場(chǎng)探測(cè)布置采前、采后孔各1 組，開展分段壓水測(cè)試，探查鉆孔參數(shù)見表1，探查鉆孔平面布置圖如圖6。

表1 探查鉆孔參數(shù)Table 1 Parameters of exploration drilling

圖6 探查鉆孔平面布置圖Fig.6 Layout of exploratory drilling

3.2 探測(cè)結(jié)果

通過分段壓水方法，得到了工作面采前、采后頂板巖層漏失量數(shù)據(jù)，回采前后漏失量對(duì)比如圖7。

圖7 回采前后漏失量對(duì)比Fig.7 Comparison of leakage before and after mining

由圖7 可看出，采前孔分段漏失量大部分為0 m3/h，在40～45 m 段漏失量數(shù)據(jù)略有增大，但均小于0.03 m3/h，整體上漏失量數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，說明采前工作面頂板巖層較為完整。采后孔漏失量分為3 段：第1 段為0～25 m，該段漏失量較為穩(wěn)定，多為0 m3/h，該段為1013 工作面泄水巷和與運(yùn)輸巷之間完整巖體；第2 段為26～88 m，該段漏失量呈急增緩降趨勢(shì)，26～30 m 為急增段，漏失量從0.048 m3/h 升到0.204 m3/h，該段為從完整巖體到“兩帶”范圍的過渡帶，31～88 m 為緩降段，漏失量為0.18～0.26 m3/h，該段位于“兩帶”范圍內(nèi)；第3 段為89～95 m，該段漏失量從0.096 m3/h 降至0 m3/h，該段為漏失量明顯減小段，說明該段為導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы敹耍瑤r層逐漸變?yōu)橥暾?/p>

綜合以上分析，孔深88 m 處為1013 工作面導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育頂部，即測(cè)試鉆孔處導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為50.08 m，裂采比為15.65 倍。

4 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度理論計(jì)算

1013 工作面開采下10 煤，采厚為3.2 m，采用走向長壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝，覆巖類型為中硬巖。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[8]，選取分層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨戎杏矌r計(jì)算公式分別進(jìn)行計(jì)算：

綜上分析可知，數(shù)值計(jì)算得到1013 工作面導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為53.50 m，裂采比為16.72；現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為50.08 m，裂采比為15.65 倍；理論計(jì)算導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度分別為42.30、45.78 m，裂采比分別為13.22、14.31 倍。下10煤距燒變巖含水層距離大于100 m，即正常情況下10煤開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育不到燒變巖含水層。

5 結(jié) 語

1）煤層開采后工作面周邊出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力主要分布在距離煤壁0～20 m 的煤巖柱上。隨著煤層的推采，應(yīng)力集中區(qū)域呈現(xiàn)出煤層頂板小于底板的分布特征，在工作面前后方煤壁及其頂板巖體內(nèi)形成增壓區(qū)，在采空區(qū)上方的頂板巖體內(nèi)形成減壓區(qū)，最大減壓區(qū)位于采空區(qū)中心線位置。

2）煤層開采后頂板形成塑性損傷區(qū)域，最大損傷區(qū)域出現(xiàn)在工作面煤巖柱兩側(cè)。隨著煤層開采距離的增加，頂板塑性損傷區(qū)域逐漸增大，也即導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度逐漸增高，數(shù)值計(jì)算得到的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育最大高度為53.50 m，裂采比為16.72。

3）采用井下分段壓水方法探測(cè)了1013 工作面導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度，得到測(cè)試鉆孔處最大導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?0.08 m，裂采比為15.65 倍。同時(shí)，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了該工作面高水裂隙帶發(fā)育高度為42.30、45.78 m，裂采比為13.22、14.31 倍。

4）通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及理論計(jì)算3 種方法，得到新疆阿艾礦區(qū)某礦1013 工作面導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度較為接近，說明研究結(jié)果具有一定的可靠性。同時(shí)，下10 煤距燒變巖含水層距離約100 m，正常情況下下10 煤開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育不到燒變巖含水層。研究結(jié)果能夠?yàn)橛軜淙旱V燒變巖水害防治提供借鑒。