杭來灣煤礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度數(shù)值模擬研究

陳 鑫

(西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西省西安市，710054)

隨著國家能源開發(fā)重點(diǎn)的西移和經(jīng)濟(jì)形勢迅速發(fā)展，近年來神府、東勝、黃陵等礦區(qū)已經(jīng)開始大規(guī)模開發(fā)建設(shè)。然而煤炭資源的大量開采對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境造成了極大破壞，給人們的生產(chǎn)生活帶來了難以挽回的損失。這些問題都與煤炭資源開采引起的上覆巖土體變形破壞有關(guān)，因此如何有效預(yù)測開采煤層上覆基巖的變形、開裂對上覆含水層及地表水水資源的保護(hù)以及礦山水害事故預(yù)測等具有極其重要的實(shí)際意義。導(dǎo)水裂隙帶是反映上覆巖層破壞情況的重要指標(biāo)，同時(shí)也是水流入采空區(qū)造成各種礦井災(zāi)害的重要通道，其高度是導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)的直觀描述。近些年，許多專家學(xué)者對這個(gè)問題展開了深入的研究，同時(shí)也取得了大量的研究成果。我國制定的經(jīng)驗(yàn)公式對導(dǎo)水裂隙帶的高度預(yù)測是經(jīng)過煤礦開采得到大量的數(shù)據(jù)總結(jié)而來，由于只考慮了煤層采厚因素，所以在實(shí)際應(yīng)用中計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際測量得到的結(jié)果差異較大，具有一定的局限性。在導(dǎo)水裂隙帶高度的研究過程中，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到經(jīng)驗(yàn)公式法的不足，所以各種新理論、新方法的提出使得導(dǎo)水裂隙帶高度的研究更加深入和準(zhǔn)確。胡小娟等提出了煤層上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度新的影響參數(shù)，即硬巖巖性比例系數(shù),避免了現(xiàn)在使用的規(guī)范中各種頂板類型劃分時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)確定問題；許家林提出了基于上覆巖層關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的新方法；柴華彬等建立了GA-SVR采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測模型，通過實(shí)踐驗(yàn)證該模型的精度能夠滿足實(shí)際要求；趙高博等通過構(gòu)建巖層懸空完整力學(xué)模型、巖層懸伸破斷模型和破斷巖塊力學(xué)模型，提出綜放開采導(dǎo)高理論計(jì)算方法；黃萬朋等根據(jù)上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律提出了上覆基巖組合結(jié)構(gòu)與巖層拉伸變形計(jì)算的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測新方法?？傮w來看，現(xiàn)階段導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的研究仍然處于探索和經(jīng)驗(yàn)積累階段。

杭來灣煤礦位于陜北侏羅紀(jì)煤田內(nèi)，煤炭資源的開采對礦區(qū)環(huán)境的影響日益嚴(yán)重，采空區(qū)面積不斷擴(kuò)大，上覆基巖嚴(yán)重破壞，局部直達(dá)地表，形成地面塌陷、地面沉降、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。同時(shí)，開采形成的上覆基巖裂隙可形成導(dǎo)水、充水通道，易發(fā)生礦井涌水和煤層頂板突水事故，嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)。因此，對杭來灣煤礦開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和空間形態(tài)及其分布特征進(jìn)行研究，對礦山綠色安全高效開采具有十分重要的實(shí)際意義。本文以杭來灣煤礦30101工作面為研究對象，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算及與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析等，對杭來灣煤礦開采形成的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了分析和研究。

1 工作面概況

1.1 井田水文地質(zhì)特征

杭來灣井田地處毛烏素沙漠東南緣，屬于沙漠與黃土高原的過渡地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱。井田地表全部被第四系松散沉積物覆蓋，主要有第四系下更新統(tǒng)午城組(Q1w)、中更新統(tǒng)離石組(Q2l)、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q31s)、全新統(tǒng)沖洪積層(Q41al+pl、Q42al)、風(fēng)積層(Q42eol)。鉆孔揭露的地層有：侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組，下統(tǒng)富縣組，三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組。根據(jù)井田地下水的賦存條件及水力特征，將井田地下水劃分為兩種類型：第四系松散巖類孔隙及孔隙裂隙潛水和碎屑巖類裂隙水。

杭來灣煤礦30101綜采工作面所屬盤區(qū)為一盤區(qū)，長度299.5 m。推進(jìn)方向沿煤層傾向。推進(jìn)長度4252 m，地質(zhì)儲(chǔ)量為827.8萬t。煤層厚度8.27～10.41 m，平均厚度9.13 m，煤層傾向?yàn)槲髂现翓|北，傾角為0.5°，埋深115.9～268.05 m，平均埋深230 m。杭來灣煤礦煤層地質(zhì)特征為淺埋、薄層、中厚基巖和厚風(fēng)積沙覆蓋層的復(fù)雜地層，基巖厚度52.87～234.8 m，平均厚度150 m。松散層厚度60～90 m，平均厚度80 m。直接頂厚度0.9～14.23 m，以粉砂巖、泥巖為主，少量細(xì)粒-粗粒長石砂巖?；卷?shù)暮穸葹?4.5～49.86 m，其巖性主要為中細(xì)粒砂巖。底板厚度0.22～10.25 m，主要為粉砂巖，砂巖巖性強(qiáng)度較大，巖層主要為塊狀構(gòu)造和水平層理。

1.2 3號(hào)主采煤層特征

杭來灣煤礦的主采煤層為3號(hào)煤層，位于延安組第三段頂部，全煤礦可采，可采煤厚度4.85～11.90 m，平均厚度8.36 m，煤層厚度標(biāo)準(zhǔn)離差1.34，變異系數(shù)16.08%。工程控制底板標(biāo)高1004.72～1066.88 m，煤層從東南向西北緩傾斜，傾角約0.5°；埋深115.90～268.05 m。上覆基巖厚度52.87～234.80 m，由南向北、由西向東埋深逐漸增大。煤層結(jié)構(gòu)簡單，西部出現(xiàn)下分叉，下分叉厚度小于0.3 m。直接頂板主要由粉砂巖和泥巖組成，還有少量細(xì)?！至ｉL石砂巖。直接底板主要由粉砂巖和泥巖組成，含少量細(xì)—粗砂巖和炭質(zhì)泥巖。該煤層層位穩(wěn)定，厚度變化小，煤質(zhì)變化不大，全煤礦可采，屬全區(qū)可采的穩(wěn)定型厚級(jí)煤層。

2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度數(shù)值模擬

2.1 模型建立

此次數(shù)值模擬以杭來灣煤礦30101工作面的開采條件為依據(jù)，模型沿X方向1000 m，Y方向長350 m，Z方向長290 m，煤層上覆巖土層共13層，煤層厚度9 m，采高4.5 m，模型網(wǎng)格規(guī)格為10 m×10 m，試驗(yàn)采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則，模型左右及前后邊界為單邊約束，底邊界為全約束，上邊界為自由邊界。

2.2 模型參數(shù)

此次數(shù)值模擬試驗(yàn)中，模型中巖層的力學(xué)參數(shù)參考由本煤礦勘察報(bào)告中實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果確定，如果某個(gè)巖層沒有試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)本區(qū)相鄰三號(hào)煤采區(qū)或相鄰礦井的巖石物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行類比，從而確定杭來灣煤礦30101工作面的上覆巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 上覆巖層及煤層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬過程

模型采用分步開挖方式，開采上分層，開挖步長為20 m，上覆巖層自然垮落，形成塑性區(qū)。

2.4 模擬結(jié)果

通常，當(dāng)上覆巖層處于垮落和離層破壞嚴(yán)重時(shí)，就失去了對應(yīng)力的抵抗作用，但由于存在壓力拱，破碎巖體仍然具有一定的支撐能力，垮落穩(wěn)定后巖體上部承受來自裂隙帶的壓應(yīng)力，下部為拉應(yīng)力，這個(gè)區(qū)域?yàn)槊奥鋷?；裂隙帶的巖層雖然處于塑性破壞狀態(tài)，裂隙發(fā)育，但是基本上保持原有的連續(xù)性，在采空區(qū)中部巖層仍然具有一定的承受壓力的能力；裂隙帶頂部到地表，由于巖體自重產(chǎn)生彎曲變形但變形面不再破裂，稱為彎曲下沉帶。然而在采空區(qū)邊緣，由于存在保水煤柱，巖體處于拉應(yīng)力區(qū)，裂隙完全發(fā)育，裂隙帶在這里是最發(fā)達(dá)的。

工作面不同推進(jìn)距離時(shí)上覆巖層塑性區(qū)分布如圖1所示。由圖1可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至100 m時(shí)，模型采空區(qū)上方頂板出現(xiàn)了拉張破壞，采空區(qū)上覆巖層破壞的塑性區(qū)發(fā)育高度達(dá)到36.3 m。當(dāng)工作面推進(jìn)至300 m時(shí)，破壞類型仍然以拉張破壞為主，同時(shí)采空區(qū)兩端邊緣處出現(xiàn)剪切破壞。隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，上覆巖層塑性區(qū)的破壞不斷向兩端且向上發(fā)展，當(dāng)工作面推進(jìn)至400 m時(shí)，采空區(qū)上覆巖層破壞的塑性區(qū)發(fā)育高度達(dá)到75.5 m，采空區(qū)開切眼和停采線上方基巖開始出現(xiàn)塑性區(qū)，并以此作為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最低高度，采空區(qū)兩端的塑性區(qū)開始向上延伸橫向延展且高于中間部分，破壞類型為拉張-剪切破壞。當(dāng)工作面推進(jìn)至560 m時(shí)，破壞高度達(dá)到最大值即117.5 m，且隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層破壞的塑性區(qū)發(fā)育高度不再發(fā)生變化，主要是以橫向延展為主。煤層上覆基巖破壞未達(dá)到紅土層。根據(jù)“塑性區(qū)法”，塑性區(qū)發(fā)育的最大高度與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是相當(dāng)?shù)模收J(rèn)為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的最大值為117.5 m。當(dāng)工作面推進(jìn)至600 m時(shí)，上覆巖層破壞高度保持117.5 m。

為了進(jìn)一步更好地掌握導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律，從模型中提取出開挖每一步的導(dǎo)水裂隙帶高度制成導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度圖，如圖2所示。由圖2可以看出，工作面的不斷推進(jìn)直接影響著導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。隨著煤層的開采、上覆基巖的沉降、破壞以及分離層的形成，存在導(dǎo)水裂隙帶從開始發(fā)生-發(fā)展-最大高度-回降-穩(wěn)定的過程。當(dāng)工作面推進(jìn)至20 m之后，裂隙帶逐漸發(fā)生，高度為10.8 m；工作面推進(jìn)到100 m之前，上覆基巖的破壞范圍逐漸擴(kuò)大，但裂隙帶高度仍然發(fā)育較緩慢；工作面推進(jìn)到100～120 m之間，裂隙帶高度由36.3 m上升至49.3 m，此階段裂隙帶的發(fā)育幾乎與工作面推進(jìn)距離呈直線關(guān)系。由此可見，開挖初期，上覆基巖先發(fā)生變形彎曲，裂隙帶開始出現(xiàn)，且緩慢發(fā)育，再往后開挖，煤層頂板垮落，隨著工作面推進(jìn)，煤層上覆基巖多個(gè)層理開裂，導(dǎo)水裂隙帶不斷向上發(fā)育；開采220 m后，基巖發(fā)生整體移動(dòng)，導(dǎo)水裂隙帶高度成直線上升。當(dāng)工作面推進(jìn)至560 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度基本達(dá)到最大值117.5 m；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)到600 m，導(dǎo)水裂隙帶高度基本穩(wěn)定在最大高度；期間由于已經(jīng)破壞的覆巖受到開采擾動(dòng)，部分裂隙會(huì)壓實(shí)閉合，所以導(dǎo)水裂隙帶高度略有回降，隨后又穩(wěn)定在117.5 m左右。

3 導(dǎo)水裂隙帶高度對比分析

3.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB12719-91)(以下簡稱《規(guī)范》)中的中硬巖類冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶最大高度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

(1)

式中：H導(dǎo)——導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；

∑M——累計(jì)采厚，m；

n——開采層數(shù)，n取1。

圖1 工作面不同推進(jìn)距離時(shí)上覆巖層塑性區(qū)分布

圖2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度圖

研究區(qū)內(nèi)主采3號(hào)煤層厚度為4.85～11.90 m，代入上述公式得到煤層開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶高度為73.41～172.71 m，是采高的16.31～38.38倍。

3.2 鉆孔實(shí)測

2013-2015年，陜西省煤田地質(zhì)局一八五隊(duì)開展“陜北煤炭開采區(qū)采動(dòng)損害調(diào)查項(xiàng)目”，在杭來灣煤礦30101工作面及外圍施工了8個(gè)“三帶”探測鉆孔。

杭來灣煤礦30101工作面開采3號(hào)煤層，探測時(shí)至回采時(shí)已達(dá)1年以上，采空區(qū)覆巖變形已完全穩(wěn)定。鉆孔布置在30101工作面的采空區(qū)中心、切眼內(nèi)外側(cè)10 m及工作面平巷內(nèi)外側(cè)。探測結(jié)果如下：杭來灣煤礦煤層采厚為4.5 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度為93.87～114.38 m，為煤層采厚的19.40～25.42倍；冒落帶高度為19.40～28.70 m，為煤層采高的4.31～6.38倍，如表2所示。

表2 杭來灣煤礦探測結(jié)果

3.3 對比結(jié)果分析

根據(jù)以上分析，利用數(shù)值模擬、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算及實(shí)測的杭來灣煤礦30101工作面上覆基巖導(dǎo)水裂隙帶高度如表3所示。通過對比分析可以得到，利用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算的裂隙帶高度與鉆孔實(shí)測值相差比較大，這可能是因?yàn)閷?dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度受多種因素的影響，而《規(guī)范》中僅僅只考慮了煤層采厚，故具有一定的局限性。而基于數(shù)值模擬計(jì)算方法得到導(dǎo)水裂隙帶高度與實(shí)測值基本吻合，因?yàn)榧s束條件增加，動(dòng)態(tài)模擬上覆巖層破壞過程及破壞范圍，故可以更準(zhǔn)確的預(yù)測。在實(shí)際煤層開采過程中，上覆巖層會(huì)產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致力無法向四周傳遞從而使覆巖破壞得到阻礙，由于FLAC3D中是連續(xù)介質(zhì)，無法真實(shí)模擬上覆巖層的這種性質(zhì)，數(shù)值模擬中覆巖所受的各種力都比真實(shí)情況下大，所以用數(shù)值模擬法得到的導(dǎo)水裂隙帶高度比實(shí)測值偏大。

表3 不同方法結(jié)果對比

4 結(jié)論

(1)通過模擬分析，杭來灣煤礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為75.5～117.5 m，這比利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得結(jié)果更加接近于實(shí)測裂隙帶高度，因此論文對杭來灣煤礦導(dǎo)水裂隙帶高度的數(shù)值模擬結(jié)論具有較高的生產(chǎn)指導(dǎo)意義。

(2)數(shù)值模擬可以盡可能多的考慮多種約束條件，動(dòng)態(tài)模擬煤層上覆巖層的破壞類型和范圍，同時(shí)也具有周期短，操作簡單，模擬結(jié)果具有較強(qiáng)的可視性等優(yōu)點(diǎn)，可為煤礦開采上覆巖層變形破壞的范圍及特征分析研究提供有力的支撐。