煤層傾角對上覆巖層導水裂隙帶的影響

龐杰文，李鵬偉，郝永江，謝建林，梁 磊

（太原科技大學 環境與安全學院，山西 太原 030024）

0 引 言

導水裂隙發育是礦井突水事故發生的一個重要原因，研究導水裂隙帶的發育規律是礦井水害防治的一個重要課題[1-2]。目前，許多學者對影響導水裂隙帶發育的因素進行了研究，取得了較為豐碩的成果[3-4]。許家林等[5]認為覆巖關鍵層的位置對導水裂隙帶高度有影響，主關鍵層與開采煤層的距離存在一個臨界值，大于臨界值可按照“三下”規程中的計算公式預測導水裂隙帶高度，小于臨界值不可按照“三下”規程預測導水裂隙帶高度；李洋[6]對煤層厚度與裂隙帶高度進行了線性回歸，得出了適用于潘謝礦區的導水裂隙帶高度預測公式；王創業、薛瑞雄等[7]運用UDEC 數值模擬軟件建立不同采高的二維地質模型，結合關鍵層分析了不同采高下導水裂隙帶的發育規律；朱偉、滕永海、唐志新[8]通過地面施工勘探鉆孔，采用水文觀測、注水試驗等綜合手段，對采空區頂板巖層裂隙分布進行了探測研究，分析了不同開采工藝對導水裂隙帶發育高度的影響；劉洋[9]研究了水簾洞礦綜放開采條件下，工作面不同采寬與導水裂隙帶發育高度之間的關系；杜時貴、翁新海[10]通過彈塑性巖石材料的非線性有限元模擬，利用應力重分布圖對中、緩傾角煤層采空區覆巖“三帶”高度進行了判別。

然而僅用應力重分布圖對導水裂隙帶進行分析，只能說明巖石的張拉破壞，而裂隙帶的形成不僅與巖石的張拉破壞有關。為此，本文以四明山礦工程地質條件為背景，運用UDEC 數值模擬軟件分別建立了0、15°、30°、60°煤層傾角條件下的煤層開挖模型，通過分析不同煤層傾角條件下上覆巖層的離層和塑性破壞情況，確定煤層傾角對上覆巖層導水裂隙帶的影響規律。研究成果可為制定礦井水害防治對策提供重要理論依據。

1 工程地質條件

四明山煤礦首采煤層為9 號煤層，煤層厚1.40～1.78 m，平均厚1.6 m，埋深約為755 m。煤層層位較穩定，煤層結構簡單，煤層走向為NE23°，傾向為NW60°。煤層傾角1°～15°。煤層頂底板巖性見表1。9 號煤層直接充水含水層為其頂板K5 灰巖含水層，煤層局部頂板裂隙發育，回采推進中，會出現頂板裂隙淋水。預測9號煤工作面正常涌水量30 m3/h，最大涌水量60 m3/h。隨著工作面的推進，采空區上覆巖層垮落，形成裂隙，含水層的水將通過裂隙導入工作面。為此研究其上覆巖層導水裂隙帶的分布特征十分有必要。同時，由于9 號煤的煤層傾角在1°～15°變化，煤層傾角的變化會對上覆巖層裂隙帶的分布形態有所影響，因此，研究煤層傾角對上覆巖層導水裂隙帶的分布特征可為9 號煤工作面的防治水工作提供依據。

表1 9 號煤頂底板巖性柱狀Table 1 No.9 coal roof and floor lithologic column

2 模擬方案

選取0、15°、30°、60°傾斜角度分別代表近水平煤層、緩傾斜煤層、傾斜煤層和急傾斜煤層。通過分析4 種傾斜角度下上覆巖層導水裂隙帶的分布特征，研究煤層傾角對上覆巖層導水裂隙帶的影響。

根據四明山煤礦地質地層巖性特征，運用UDEC 軟件建立數值模型，模型尺寸為400 m×800 m，劃分巖層11 組。模型各巖層物理力學參數見表2，各巖層節理力學參數見表3。模型左右邊界為固定邊界，上部邊界為自由邊界，下部邊界為固定邊界。模型重力加速度設置為9.8 m/s2，初始應力條件設置水平應力和垂直應力，側壓系數為1.2。垂直應力梯度為2.5×105Pa/m，水平應力梯度為3×105Pa/m。同時，在9 號煤層上部布置12 條位移監測線，每條監測線布置40 個監測點，各監測點間隔10 m。第1 條監測線布置在煤層上方1 m位置處，然后每隔10 m 布置1 條監測線，共布置12 條位移監測線。模擬計算分為兩步，第一步在初始應力條件下，模型運算至平衡狀態，模擬巖層開挖前的狀態；第二步，煤層開挖240 m，繼續運算，運算至平衡狀態。

表2 煤巖物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of coal rock

表3 煤巖節理力學參數Table 3 Mechanical parameters of coal rock joints

3 模擬結果分析

3.1 頂板離層分析

圖1 為9 號煤上方1～121 m 各巖層的位移監測曲線。各上覆巖層垂向位移差值越大，代表上覆巖層沉降越不一致，離層現象越明顯。通過對比1號監測線與12 號監測線的位移差值，即可劃分出煤層頂板離層明顯區域。

由圖1 可以看出，當煤層傾角為0 時，由煤層向上采空區各巖層沉降量逐漸變小，采空區上覆巖層離層現象基本均勻一致，與采空區邊界兩端相比，采空區中心區域頂板離層現象更為明顯；當煤層傾角為15°時，由煤層向上采空區各巖層沉降量逐漸變小，采空區頂板離層現象明顯不對稱，采空區中心區域靠近右側邊界區域即沿傾向較高的位置，其頂板離層明顯的范圍更大；當煤層傾角為30°時，1 號監測線位移呈現不規律波動，此不規律波動是煤層直接頂垮落引起的，在分析采空區頂板離層時不將其考慮在內，通過分析2～12 號監測線的位移變化可知，煤層傾角為30°時，由煤層向上采空區各巖層沉降量逐漸變小，頂板離層明顯區域集中分布在靠近右側邊界，即沿傾向較高的位置；當煤層傾角為60°時，采空區煤層上覆巖層沉降位移不再是越接近煤層，巖層沉降量越大，而是越遠離煤層，巖層沉降量越大，直到接近采空區右側邊界時，采空區煤層上覆巖層越接近煤層，巖層沉降量越大，這種現象的出現與巖層傾角有關，巖層傾角為60°時，由于自重應力的影響，右側邊界巖層垂向位移更為明顯，離層現象更為明顯。由此可知，煤層傾角使得采空區右側邊界（傾向高處）附近頂板離層現象更為明顯。

圖1 煤層頂板位移監測曲線Fig.1 Coal seam roof displacement monitoring curve

3.2 塑性破壞區分析

圖2 為9 號煤開采后上覆巖層的塑性破壞區分布圖。由圖2 可知，煤層傾角分別為0、15°、30°、60°時，煤層開挖后其上覆巖層塑性破壞區域呈“馬鞍狀”，靠近采空區邊界，其上覆巖層破壞區域擴展高度較高，中心區域塑性破壞區域擴展 高度較低。

圖2 塑性破壞區分布圖Fig.2 Distribution of plastic failure zone

當煤層傾角為0 時，采空區左右兩側邊界附近塑性破壞區高度基本一致；當煤層傾角為15°、30°、60°時，采空區右側邊界附近塑性破壞區高度明顯大于左側邊界。而導水裂隙帶的高度往往是指煤層開挖后上覆巖層裂隙貫通的高度，因此分析采空區右側邊界附近塑性破壞區高度意義更大。煤層傾角為15°、30°、60°時，采空區右側邊界附近塑性破壞區高度分別為35.5、47.6、75.9 m。由此可知，煤層傾角使得上覆巖層塑性破壞區呈現非對稱特征，而且煤層傾角越大，上覆巖層塑性破壞區擴展高度越高。

3.3 煤層傾角對上覆巖層導水裂隙帶的影響分析

煤層開挖后，上覆巖層沉降、彎曲、破斷，形成橫向裂隙和縱向裂隙，橫向裂隙主要是由于頂板的離層引起的，縱向裂隙是巖石破壞引起的，縱向裂隙和橫向裂隙的貫通，決定著導水裂隙帶的高度。通過對圖1 進行分析可知，煤層傾角越大，上覆巖層頂板離層明顯區域越偏向傾向高處（即右側邊界附近）。由此可以推斷，煤層傾角越大，橫向裂隙發育嚴重區域越靠近傾向高處（即右側邊界附近）。通過對圖2 進行分析可知，煤層傾角越大，上覆巖層塑性破壞區擴展高度越高。而巖石的破壞是縱向裂隙發育的主要因素。橫向裂隙和縱向裂隙帶貫通決定了導水裂隙帶的高度，因此可以得出，在傾斜巖層中，導水裂隙帶最發育的區域靠近傾向高處，且煤層傾角越大，導水裂隙帶最發育的區域越靠近采空區右側邊界傾向高處，導水裂隙帶高度越大。

4 結 論

（1）煤層傾角越大，頂板離層現象最明顯區域越靠近采空區右側邊界（傾向高處）。

（2）在傾斜巖層中，煤層開挖后其上覆巖層塑性破壞區呈現非對稱特征，采空區右側邊界附近（傾向高處）塑性破壞區高度明顯大于左側邊界。而且煤層傾角越大，上覆巖層塑性破壞區擴展高度越高。

（3）在傾斜巖層中，導水裂隙帶最發育的區域靠近傾向高處，且煤層傾角越大，導水裂隙帶最發育的區域越靠近采空區右側邊界傾向高處，導水裂隙帶高度也越大。