多水源煤礦采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律的研究

薛一生

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤鑫泰建井公司，山西 大同 037003）

0 引言

我國(guó)具有大量煤礦，在地下煤層開(kāi)采的過(guò)程中，由于地下水的聚集，前期開(kāi)采造成的采空區(qū)容易形成較多的富水采空區(qū)[1]，對(duì)臨近煤層的開(kāi)采造成影響。由于煤礦采動(dòng)作用對(duì)覆巖的影響，使得礦井的導(dǎo)水裂隙帶逐漸發(fā)育，若與前期的采空區(qū)聯(lián)系，則會(huì)造成煤礦受到多水源的影響[2]，增加了煤礦防治水的困難，不利于煤礦的安全開(kāi)采。針對(duì)煤礦開(kāi)采過(guò)程中采動(dòng)覆巖的導(dǎo)水特性進(jìn)行分析[3]，即對(duì)礦井的導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，從而可以解決礦井開(kāi)采中多水源的安全問(wèn)題[4]，同時(shí)可以為相同條件的礦井開(kāi)采防治水提供參考，從而保證煤礦的安全開(kāi)采，避免造成水質(zhì)災(zāi)害。

1 煤礦采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育理論分析

在進(jìn)行煤礦井下開(kāi)采的過(guò)程中，采空區(qū)的覆巖受到采動(dòng)作用及其他多種因素的共同作用產(chǎn)生變形破壞，一般可將采動(dòng)覆巖的變化劃分為三帶[5]，即彎曲下沉帶、裂縫帶及垮落帶，三者自上而下排布，形成采空區(qū)覆巖的分布。在采動(dòng)覆巖的變形過(guò)程中，伴隨著新裂隙的產(chǎn)生，與礦井原有的裂隙相互擠壓，形成不同的裂隙帶分布形態(tài)，如圖1 所示，覆巖的破壞可以分為離層裂隙區(qū)、方向裂隙區(qū)、網(wǎng)絡(luò)裂隙區(qū)及垮落裂隙區(qū)[6]。

圖1 上覆巖層裂隙的分布狀態(tài)

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)直接頂失去支撐形成懸空的巖體，隨著懸空巖體的體積增加，受到的覆巖載荷作用及重力增加，從而發(fā)生破壞垮落，形成堆積在采空區(qū)的垮落帶[7]。導(dǎo)水裂隙帶指在覆巖中發(fā)育的垂直裂隙的巖層，位于垮落帶的上方，是采空區(qū)中水系在垂直方向運(yùn)動(dòng)的主要通道，對(duì)煤礦的開(kāi)采安全造成了一定威脅。在覆巖的變形分布中，導(dǎo)水裂隙帶主要包括離層裂隙區(qū)、方向裂隙區(qū)及網(wǎng)絡(luò)裂隙區(qū)[8]。彎曲下沉帶位于覆巖上方與地表接觸的巖層，呈現(xiàn)出一定的彎曲狀態(tài)，沒(méi)有大的裂隙出現(xiàn)，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)該層分布的裂隙可不予考慮。導(dǎo)水裂隙帶在煤礦開(kāi)采過(guò)程中的發(fā)育高度及形態(tài)特征與工作面的壓力、覆巖的特性及結(jié)構(gòu)具有密切的關(guān)系[9]，采用仿真模擬的方式對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究。

2 煤礦采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育模擬分析

2.1 覆巖導(dǎo)水裂隙帶分析模型的建立

依據(jù)某煤礦的工作面賦存條件對(duì)煤礦采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育進(jìn)行模擬分析，采用UDEC 軟件對(duì)覆巖的垮落效果進(jìn)行模擬[10]，首先建立數(shù)值分析的模型。依據(jù)煤層的賦存條件設(shè)定模型的X 方向?yàn)楣ぷ髅娴拈L(zhǎng)度方向，Y 方向?yàn)楣ぷ髅娴耐七M(jìn)方向，Z 方向?yàn)榇怪庇诠ぷ髅娴拇怪狈较颍O(shè)定模型的大小為250 m×400 m×210 m，其中工作面前后各留50 m 的煤柱，工作面走向開(kāi)挖150 m。

在模型中設(shè)定前后、左右兩側(cè)及底部的接觸為固定邊界，頂部為自由邊界，上覆巖層對(duì)模型的上邊界作用為均布載荷的形式，工作面煤層的埋深為265 m，受到上方的均布載荷作用為2 MPa，模型的材料破壞采用莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行分析[11]。在進(jìn)行分析過(guò)程中，沿著工作面的推進(jìn)方向?qū)Σ煌七M(jìn)長(zhǎng)度上的覆巖的導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育狀態(tài)及位移進(jìn)行分析。

2.2 覆巖導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)及位移的模擬分析

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，隨著工作面的推進(jìn)，依據(jù)覆巖的變形狀態(tài)可以自下而上劃分為四個(gè)區(qū)域，分別為拉張破壞區(qū)、拉張裂隙區(qū)、塑性破壞區(qū)及彈性區(qū)、未破壞區(qū)，依據(jù)覆巖裂隙的分布，可將拉張破壞區(qū)劃分為垮落帶，將拉張裂隙區(qū)劃分為裂隙帶，將塑性破壞區(qū)及彈性區(qū)、未破壞區(qū)劃分為彎曲下沉帶[12]，由此對(duì)采動(dòng)覆巖的變化形態(tài)進(jìn)行分析。

在對(duì)工作面進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，經(jīng)過(guò)開(kāi)切眼推進(jìn)，在推進(jìn)距離較小時(shí)，開(kāi)采作業(yè)對(duì)上覆巖層的采動(dòng)作用較小，當(dāng)工作面推進(jìn)到45 m 時(shí)，工作面的頂板垮落，此時(shí)上覆巖層的位移變化較小，當(dāng)工作面推進(jìn)到70 m時(shí)，采空區(qū)上方的垮落巖層的裂隙開(kāi)始發(fā)育，如圖2所示。從圖2 中可以看出，此時(shí)工作面老頂上方垮落的巖層的位移最大達(dá)到100 cm。

圖2 工作面推進(jìn)70 m 時(shí)上覆巖層的位移分布狀態(tài)

當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)時(shí)，覆巖產(chǎn)生的位移變化范圍逐漸增加，其變形的程度也隨之增加，當(dāng)工作面推進(jìn)到125 m 時(shí)，上覆巖層的變化如圖3 所示。從圖3 中可以看出，隨著采空區(qū)的冒落，導(dǎo)水裂隙帶呈明顯的向上發(fā)育的狀態(tài)，隨著覆巖變形量的增加，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至煤層頂面55 m 處，且垮落帶的邊界呈倒V字形分布的狀態(tài)。

圖3 工作面推進(jìn)125 m 時(shí)上覆巖層的位移分布狀態(tài)

隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)的范圍擴(kuò)大，則垮落的巖層不斷壓緊，采空區(qū)上覆巖層產(chǎn)生的下沉量增加，當(dāng)推進(jìn)到175 m 時(shí)，上覆巖層的位移形態(tài)分布如圖4 所示。從圖4 中可以看出，此時(shí)模型上邊界的最大下沉量達(dá)到250 cm，再繼續(xù)進(jìn)行推進(jìn)時(shí)，上覆巖層的最大下沉量不再增加，這說(shuō)明此時(shí)巖層的最大下沉量趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，僅在水平方向上隨工作面的推進(jìn)移動(dòng)；在工作面的上方覆巖的移動(dòng)量相對(duì)采空區(qū)中部的下沉量要小，且在后續(xù)推進(jìn)的過(guò)程中，產(chǎn)生的變化較小，說(shuō)明工作面推進(jìn)到175 m 時(shí)上覆巖層的導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育達(dá)到最大水平，在后續(xù)的推進(jìn)過(guò)程中，導(dǎo)水裂隙帶不再向上發(fā)育而維持穩(wěn)定的狀態(tài)，這與上覆巖層的巖性有密切的關(guān)系，說(shuō)明上覆巖層的材質(zhì)為堅(jiān)硬巖層，此時(shí)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育到最大高度后，隨著時(shí)間的增加會(huì)保持穩(wěn)定而不再增加，這有利于對(duì)煤礦進(jìn)行防治水分析，保證煤礦開(kāi)采的水質(zhì)安全。

圖4 工作面推進(jìn)175 m 時(shí)上覆巖層的位移分布狀態(tài)

3 結(jié)論

1）煤礦開(kāi)采過(guò)程中，采空區(qū)上覆巖層在采動(dòng)作用及其他因素的作用下發(fā)生位移變形及破壞，形成導(dǎo)水裂隙帶，對(duì)煤礦的水質(zhì)安全造成威脅。

2）上覆巖層的變形可以劃分為彎曲下沉帶、裂縫帶及垮落帶。導(dǎo)水裂隙帶主要分布在裂縫帶，主要包括離層裂隙區(qū)、方向裂隙區(qū)及網(wǎng)絡(luò)裂隙區(qū)。

3）采用UDEC 軟件對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行分析，建立上覆巖層的變形分析模型，隨著工作面的推進(jìn)對(duì)巖層的變形位移進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層的變形破壞不斷增加，當(dāng)工作面推進(jìn)到125 m 時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶呈明顯的向上發(fā)育的狀態(tài)，當(dāng)工作面推進(jìn)到175 m 時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育達(dá)到最大值，當(dāng)繼續(xù)推進(jìn)時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶的最大高度不再增加。此研究結(jié)果有利于煤礦的防治水分析，保證煤礦的開(kāi)采安全。