某煤層開采導水裂隙帶發育高度數值模擬研究

楊 榮，高 春，劉 超

(陜西騰暉礦業有限公司,陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著地下煤炭資源的采出,地下形成采空區,采空區上方覆巖因下部采空而失去平衡,從而形成垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶,統稱“三帶”。其中垮落帶和裂隙帶合稱冒裂帶,又稱為導水裂隙帶。若采動覆巖中的隔水層受到破壞,將致使其上含水層在水位和流向上產生改變,從而造成井下突水或淹井災害事故,甚至導致地下水疏干,井泉干涸。

針對上述問題,范立民[1]對榆神礦區水資源保護性開采進行研究,并提出保水開采的科學觀點,綜合理論分析和相似模擬實驗等方法,構建了我國保水開采基本框架,深度揭示了保水采煤的目標和科學內涵[2-10]。保水采煤科學內涵的提出,為生態脆弱礦區水體下科學高效采煤提供了理論依據和指導,對礦區資源開采和生態環境可持續發展戰略實施具有較大的實踐意義[11-13]。同時國外學者針對煤巖開采擾動條件下覆巖含水層變化特征問題進行了一系列研究,總結了煤炭開采對當地水資源的影響[14-15]。綜上所述,以上探測研究工作都是基于煤層上部有足夠厚度的穩定基巖條件下進行的,對于煤層覆巖結構類型為砂(層)土(層)基(巖)的類型中,基巖厚度小而土層厚度較大,且土層上部覆蓋有較厚含水層或地表水系較發育的地質條件下,保水采煤研究工作開展較少。

本文以榆神礦區某煤礦為研究對象,針對砂(層)土(層)基(巖)煤層覆巖結構的關鍵隔水層變形破壞特征進行研究,對礦井安全生產和保水采煤有著至關重要的決定性意義。

1 研究區概況

該煤礦井田面積11.24 km2,探明資源儲量1.583 7億t,設計可采儲量9 477萬t,礦井采用斜井開拓方式。井田內3號煤全區可采,層位穩定,結構簡單,平均厚度6 m。采煤工作面采用走向長壁綜采放頂煤采煤法,全部垮落法管理頂板。

2 礦井地質及水文地質概況

2.1 礦井地質

該煤礦井田地表全部被新生界松散沉積物覆蓋,主要有第四系全新統風積沙、沖洪積層,上更新統薩拉烏蘇組,中更新統離石組,新近系上新統靜樂組等。鉆孔揭露的地層還有:侏羅系中統直羅組、延安組,下統富縣組,基巖地層之間為整合接觸關系。地質構造簡單,未發現較大斷裂、褶皺及巖漿活動痕跡,局部發育寬緩的波狀起伏。總構造形態為一向西緩傾的單斜層,傾角小于1°。

2.2 水文地質概況

該煤礦上覆有河流,除降水期外,該河流大部分時間水流量較小。該煤層上覆存在全新統沖洪積層孔隙潛水、第四系上更新統薩拉烏蘇組孔隙潛水、第四系中更新統黃土孔隙裂隙潛水、侏羅系碎屑巖風化巖基巖裂隙承壓水和碎屑巖類裂隙承壓水。根據導水裂隙帶發育高度預計結果,直羅組風化巖含水層為礦井的直接充水水源。

3 導水裂隙帶發育高度研究

3.1 理論研究

綜合分析各經驗公式的試用條件,唐山院計算公式相對來說用以計算雙山煤礦綜放開采的導水裂隙帶高度較為合理,預測公式為:

Hli=20M+10(中硬巖層)。

經計算,雙山煤礦未來區域開采導水裂隙帶發育平均高度130 m。

3.2 數值模擬研究

3.2.1 模型建立和計算參數的選取

采用FLAC3D數值模擬軟件對該煤礦綜采機械化開采圍巖運移特征進行研究。由于本煤層傾角較小,為近水平煤層,計算模型設為水平模型,選取工作面的走向方向(煤壁方向)為X軸,工作面的傾向方向為Y軸,沿煤壁豎直向上方向為Z軸方向。X軸方向切眼距模型右側邊界100 m,停采線距模型左側邊界100 m;Y軸方向工作面采寬左(前側)、右(后側)兩邊各設置100 m邊界,以消除邊界效應影響。模擬模型開挖480 m,根據該煤礦某工作面概化模型,共鋪設11層地層,如表1所示。

表1 模型采用巖石力學參數

根據計算力學模型建立該煤礦某工作面三維數值計算模型,計算模型整體尺寸為:長×寬×高=680 m×440 m×214.57 m,工作面推進方向沿x軸反方向。

采用理想彈塑性本構模型——摩爾-庫侖屈服準則描述巖體強度特征:

其中,σ1,σ3分別為最大和最小主應力;c,φ分別為黏結力和摩擦角。模型采用大應變變形模式,模型底部限制垂直移動,模型前后和側面限制水平移動。

3.2.2 模型邊界條件及計算方案

整個數值模擬計算過程及邊界條件如圖1所示。

1)模型的左右邊界和底部邊界設置了單約束邊界,即左右邊界和底部邊界的位移為0。

2)推進工作面,按回采工藝和相似材料分析結果,計算模擬工作面總回采距離480 m,工作面每次推進24 m,直到推進到480 m。

3.2.3 采動影響下塑性區變化特征

該煤礦數值模擬煤層上覆地層受采動影響引起擾動破壞及導水裂隙帶發育高度,以開采煤層頂板巖體受開采擾動引起的塑性區破壞為判識準則。

圖2為該煤礦307工作面當開采高度為9.57 m時,在不同開挖長度下,工作面走向中心位置覆巖塑性區發育演化云圖,即以工作面走向(Y=220 m)為中心的走向剖面圖,從右到左為工作面走向推進方向,如圖2所示隨著工作面的推進,煤層頂板覆巖破壞多次突變:隨著地下開采工作面的推移,處于自然狀態下的覆巖巖體受到開采擾動后破壞,采空區頂板覆巖層應力重新分布后巖層頂板發生冒落和斷裂,形成冒落帶和導水裂縫帶。

當工作面推進48 m時(見圖3),在Y=220 m(工作面推進方向的中心剖面-走向中心斷面)的剖面上,工作面直接頂板在采空區范圍內以剪切破壞為主,此時煤層頂板上方冒落區破壞帶形成對稱的“馬鞍狀”,導水裂縫帶最大發育高度超過32 m。

當工作面推進至96 m時(見圖4),工作面頂板全部垮落,在采空區內巖體破壞形式以剪切破壞為主,僅工作面煤層頂板中間區域存在拉張破壞。覆巖內部豎向裂縫(塑性區域)較上一階段明顯向上發育,上覆巖層的塑性區發育尺寸和速率明顯更大,發育高度增加,近切眼處導水裂縫帶最高。采空區兩側煤壁上方剪切破壞強度持續增強,導水裂縫帶仍處于持續擴張階段,采空區上覆巖體破壞形式繼續保持“馬鞍狀”。

當工作面推進至144 m時(見圖5),采空區上方覆巖層破壞范圍進一步擴大,仍以剪切破壞為主,上覆巖體破壞形式繼續保持“馬鞍狀”,但近切眼煤柱上方的塑性區域的垂向發育速度明顯降低,工作面回采方向上覆巖層塑性區域垂向發育速度明顯增加,并且形成對稱“馬鞍狀”破壞形態。此時采空區上覆破壞巖體(塑性發育區域)出現了明顯的周期性破壞形態,導水裂縫帶最大高度達到距離煤層頂板86.5 m處,工作面處于充分采動。

當工作面推進至336 m時(見圖6),采動覆巖破壞區域(塑性區)破壞強度明顯增加,煤層頂板中部上覆巖層塑性區域向地表方向發育,破壞區域高度較之前有緩速增加。表明頂板覆巖破壞基本充分,此時導水裂縫帶發育最大為煤層頂板超過136.5 m,位于紅土層頂界附近。此處約為充分采動和超充分采動的臨界區,此時隨工作面繼續開采,采空區上覆巖體破壞形式以橫向(沿工作面推進方向)發育為主,導水裂隙帶發育高度達到最大,約136.5 m,突破了上覆巖層紅土層。

4 結論

1)隨著工作面持續推進,開采空間兩側的裂隙發育高度不斷增大,336 m處約為充分采動和超充分采動的臨界區,此時隨工作面繼續開采,采空區上覆巖體破壞,形式呈“馬鞍狀”。

2)對煤層頂板覆巖移動來說,當工作面推進至48 m,地表開始出現變形;當工作面推進至336 m,工作面上覆巖層破壞范圍和程度達到最大值,地表下沉盆地位于靠近采煤工作面切眼一側,地表下沉盆地中心最大下沉點下沉位移為2.39 m,下沉系數約為0.25。

3)工作面推進到70 m～170 m之間,覆巖裂隙發育最快,隨后裂隙緩慢向上發展,貫穿基巖發育至土層底部后不再向上發展,逐漸趨于穩定,覆巖破壞區整體呈拱箱型,裂隙最大發育高度約為96.5 m。

4)通過與理論計算的結果對比分析發現,數值模擬結果與理論計算基本一致,最終確定該煤礦導水裂隙帶發育高度為136.5 m,導水裂隙帶頂界發育在新近系上新統靜樂組土層頂界附近。