隆德煤礦3-1煤覆巖垮落及孔隙率演化規律研究

白成杰

（神木縣隆德礦業有限責任公司，陜西省 榆林市 719300）

0 引言

近年來，煤炭資源的開發力度不斷增大，煤炭資源開發環境和煤層賦存條件也逐漸多樣化、復雜化，復合水體下采煤是近年來煤礦開采過程面臨的一項新的技術難題，一般是指煤層頂板以上存在著多種類型的水體，包括地表水體、含水層水、老采空區水等多種賦存形式[1-4]，且水體對下伏煤層的開采存在著安全威脅。復合水體下采煤作業面臨著多種水害問題，需要針對不同的隱患水體進行專門的技術研究、制定必要的防治措施。上述問題的存在使得復合水體下采煤作業相比傳統水下采煤具有安全風險增加、開發難度大、作業環境惡劣，開展復合水體下安全開采技術研究意義重大，研究成果不僅有助于上述問題的解決，指導礦井安全生產，還能豐富礦井防治水工作經驗，提高礦井生產效益[4-7]。

1 礦井基本概況

隆德煤礦位于陜西省榆林市神木縣西南部，行政區劃隸屬于榆林市神木縣大保當鎮管轄，是華電煤業集團有限公司控股的改擴建煤礦。地理坐標在北緯38°43′57″～38°49′42″，東經109°58′08″～110°04′24″之間，平均走向長度2.3～9.3 km，平均傾斜寬度4.0～8.6 km，井田面積44.51 km2。

隆德煤礦東部與黑龍溝煤礦相鄰，南部與大保當井田相鄰，西部與小保當井田和錦東煤礦相鄰，北部為大保當普查區。井田范圍與周邊礦權設置關系見圖1。

圖1 井田范圍及與周邊礦權關系示意圖

本區地處陜西“米”字型公路網內，榆神二級公路（S204省道）和西包鐵路（神延段）并行沿井田東南邊界外約4～5 km處通過，建設中的包西鐵路二線沿煤礦以東約2 km處通過，在建中的210國道陜（西）（內）蒙段高速公路從井田西部外圍南北經過，交通干線架基本形成。

2 3-1煤層覆巖破壞高度計算

2.1 覆巖破壞規律概述

煤層開采后，煤層及其圍巖結構發生破壞，頂板巖層自下而上出現垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶。垮落帶是指工作面回柱或移架后引起的煤層直接頂板向采空區垮落的巖層范圍，該區的巖層以梁或板結構的脆性斷裂為主，巖塊之間的空隙多，連通性強，水、砂均可以通過。

垮落帶以上為裂縫帶，一般發生垂直或近于垂直層面的裂隙和沿層面的離層裂隙，是貯水和導水的通道。因垮落帶和裂縫帶均具有導水性，因此又合稱導水裂隙帶。導水裂隙帶范圍內的含水層成為工作面的直接充水水源。彎曲下沉帶指的是自裂縫帶頂界到地表的整個巖層，彎曲下沉帶內的巖層也可能產生裂縫，但是裂縫微小，數量少，裂縫間的連通性弱，導水能力微弱。

因此，導水裂隙帶范圍內的含水層是影響采煤工作面安全的主要水害威脅，導水裂隙帶發育高度是評價上部水體是否成為影響工作面安全開采的重要參數，其發育范圍和程度直接決定著水體下采煤可行性和安全性，因此搞清導水裂隙帶的發育規律和形態成為解放水體下壓煤和保證礦井安全生產所不可缺少的重要內容。大量的覆巖破壞高度實測數據表明，覆巖類型、采厚、開采工藝和工作面斜長是影響覆巖破壞高度的主要因素。目前，確定覆巖破壞高度的方法主要包括現場實測法、經驗公式法、類比分析法和數值模擬法等。

2.2 3-1煤層開采覆巖破壞高度計算

由于隆德煤礦3-1煤層與2-2煤間距較小，研究區3-1煤層將在2-2煤回采完畢后開采，因此3-1煤層屬近距離煤層疊加開采，3-1煤層開采的覆巖破壞高度計算需考慮兩層煤疊加開采的情況。

按照《“三下”采煤規范》，如圖2、圖3所示，當2層煤采用疊加開采的方式，同時2層煤的最小垂距大于回采下層煤的垮落帶高度時，上、下2層煤的導水裂隙帶的最大高度可通過上、下層煤的厚度分別進行計算，其中標高的最大高度為上、下2層煤導水裂隙帶的最大高度；當下層煤的垮落帶完全進入上層煤范圍或者接觸到上層煤時，不同于上種情況，此時上層煤的導水裂隙帶最大高度通過本層煤的厚度進行計算，而下層煤的導水裂隙帶最大高度則應通過兩層煤的綜合開采厚度來計算，同樣，取其中標高最高者作為上、下層煤的導水裂隙帶最大高度。

圖2 近距離煤層覆巖破壞高度示意圖（h＞H垮下時）

圖3 近距離煤層覆巖破壞高度示意圖（h＜H垮下時）

由鉆孔資料統計可知，研究區2-2煤厚為0～6.10 m，平均為3.75 m；3-1煤厚度分布均勻，平均煤厚為2.66 m，2層煤間距為29.61～41.92 m，平均為35.20 m，如圖4、圖5所示所示。根據《“三下”采煤規范》，當單層采厚1～3 m，累計采厚不大于15 m時，可應用規程給出的經驗公式對覆巖破壞高度進行計算。堅硬類型覆巖的覆巖破壞高度計算可用下列經驗公式計算：

垮落帶：

導水裂隙帶：

式中：Hm為垮落帶最大高度，m；Hli為導水裂隙帶最大高度，m；ΣM為累計采厚，m。

應用經驗公式對研究區3-1煤單一煤層開采的覆巖破壞高度進行計算，3-1煤按照采高2.8 m計算。

根據觀測結果，2-2煤層開采的覆巖破壞高度可按裂采比20、垮采比7進行計算。根據工作面開采情況分析，按照開采厚度4.1 m對研究區2-2煤的覆巖破壞高度進行計算。研究區1-1煤僅在井田西南部局部可采，可采范圍內1-1煤厚為0.8～2.38 m，平均為1.72 m，與2-2煤間距為33.89～60.34 m，平均為51.65 m，1-1煤按照采高1.4 m計算。

圖4 井田范圍內2-2煤厚度等值線圖

圖5 井田范圍內3-1煤厚度等值線圖

研究區3-1煤單一煤層開采的垮落帶高度為15.30 m，導水裂隙帶高度為61.14 m，研究區2-2煤的垮落帶高度為28.7 m，導水裂隙帶高度為82 m，1-1煤的垮落帶高度為9.89 m，導水裂隙帶高度為46.94 m。2-2煤采動裂縫已穿過2-2煤層，但垮落帶均小于2-2煤與1-1煤間距，并未進入2-2煤層。因此，根據《“三下”采煤規范》，在1-1煤開采地段，3-1煤開采的導水裂隙帶最大高度可按1-1煤、2-2煤、3-1煤的厚度分別計算，取其中標高最高者作為3-1煤的導水裂隙帶最大高度，據此，3-1煤層開采的覆巖破壞高度計算結果為61.14～149.11 m。

3 巖層垮落及孔隙率演化數值模擬研究

為了研究2-2工作面和3-1工作面回采后巖層垮落以及采空區孔隙率變化，采用PFC3D模擬了回采過程，對上覆巖層垮落以及采空區孔隙率演化規律進行了模擬并驗證了上節計算的合理性和正確性。

3.1 PFC3D模型的建立

模型長120 m，寬60 m，高150 m，共計16層，所用模型通過半徑擴展法建立生成，顆粒半徑在平衡的過程中不斷擴展，相互擠壓，直至孔隙率為0.05，達到目標孔隙率，完成模型建立過程。在模型中，顆粒平均粒徑為1.1，達到合理尺寸。自由邊界為模型上部邊界，前、后、左、右四側邊界固定不動，顆粒只沿垂直方向移動，該移動通過底部邊界限制。

根據PFC3D軟件的特點，模型測量圓長120 m，寬60 m，高100 m，粒徑均為2.5。測量圓將會通過監測顆粒的移動對模型進行監測分析，從而監測工作面回采時覆巖變形情況以及孔隙率的變化規律。

模擬的3-1煤層為2.77 m、2-2煤層為4.69 m，模擬將采用分步開挖方式，首先對2-2工作面開采進行模擬，模擬2-2工作面回采時上覆巖層變形及孔隙率的變化規律，每次回采距離為50 m，并穩定1 500 000步。模擬完2-2工作面回采后，保留10 m兩側煤柱，以相同的模擬方式對3-1工作面回采繼續進行模擬，最終模擬完畢后，穩定3 000 000步，對覆巖變形及孔隙率的變化規律進行監測分析。

3.2 回采期間覆巖垮落演化規律

圖6是2-2工作面和3-1工作面分階段開采模擬結果圖。如圖，垮落第一步后，2-2工作面已經開采的煤層上覆巖層已經開始垮落，2-2煤層下面的巖層基本不變；垮落第二步后，2-2工作面煤層的上覆巖層全部垮落，并保持穩定；垮落第三步后，3-1工作面煤層上覆巖層開始垮落；垮落第四步后，3-1工作面煤層的上覆巖層已經全部垮落并保持穩定。為了更直觀地看出兩煤層的上覆巖層垮落高度，分別從正面截取模擬圖，如圖7所示。

從工作面分階段開采模擬垮落結果正面圖可以看出，垮落第一步結束后，2-2工作面煤層上覆巖層的垮落高度約為74.98 m；垮落第二步結束后，2-2工作面煤層上覆巖層的垮落高度約為85.7 m；垮落第三步結束后，2-2工作面煤層上覆巖層的垮落高度基本沒變，約85.7 m，3-1工作面煤層上覆巖層的垮落高度約為32.36 m；垮落第四步結束后，3-1工作面煤層上覆巖層的垮落高度維持開采前半段上覆巖層的垮落高度，約為35.67 m。

圖6 工作面分階段開采模擬結果圖

圖7 工作面分階段開采模擬垮落結果正面圖

根據模擬結果可以看出，模擬的垮落結果與上節煤層覆巖垮落帶高度的結果相差不大，驗證了覆巖破壞高度計算的正確性。

3.3 回采期間孔隙率演化規律

根據回采工作面后采空區情形，可以將采空區視作一個多孔介質空間，并對該多孔介質空間的相關參數進行分析和確定，最終在此基礎上建立相應的方程組對其進行模擬和分析。因此模擬回采工作面也將利用測量圓對掘進過程中模型孔隙率的變化情況進行動態追蹤，選取測量圓中第9、13、16、20列測量圓所測量得到的數據，并對其進行孔隙率空間重構，在不同的時間節點對整個模型進行孔隙率變化的動態監測，最后對所得數據進行分析處理，從而總結得到孔隙率變化規律，孔隙率結果如圖8所示。

圖8 工作面分階段開采模擬孔隙率結果圖

選取回采第一次、第二次、第三次以及第四次四個回采階段，測量圓測得的孔隙率數據進行分析，工作面進行回采時，煤層覆巖將隨工作面推進的距離而不斷進行垮落與堆積，因此孔隙率將發生變化，通過圖中第一步垮落可以得到，由于前半部分已經開采，孔隙率由0.1變為0.56，上覆巖層的孔隙率變為0.28，2-2工作面未開采部分的孔隙率保持不變；通過第二步垮落可以得到，由于2-2工作面全部采完，上覆巖層孔隙率整體變為0.28，煤層處，前半部分由于垮落堆積的影響，孔隙率變為0.2，新開采煤層處的孔隙率為0.56；通過第三步垮落可以得到，由于3-1煤層厚度不大，開采后兩工作面之間的孔隙率變化不大，由0.1變為0.12；通過第四步垮落可以得到，當3-1工作面整體采完后，兩工作面間的孔隙率由0.1變為0.44。

4 結論

1）3-1 煤層與2-2煤間距小，3-1煤層屬近距離煤層疊加開采問題。3-1煤層覆巖破壞高度為2-2煤與3-1煤間距、2-2煤厚與2-2煤導水裂隙帶高度三者之和。3-1煤開采的垮落帶高度為13.02～15.82 m，導水裂隙帶高度為57.57～135.91 m。

2）3-1 煤層開采的覆巖破壞高度計算結果為61.14～149.11 m，并根據模擬結果可以看出，模擬的垮落結果與煤層覆巖垮落帶高度的結果相差不大，驗證了覆巖破壞高度計算的正確性。

3）根據回采期間孔隙率規律模擬可以看出，煤層覆巖孔隙率隨著工作面推進的距離而不斷進行垮落與堆積發生變化。