靈新煤礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度數(shù)值模擬研究

張小五， 陳 鑫， 蘆 震

(1.寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)勘查院，寧夏 銀川 750001； 2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

煤炭資源作為寧夏回族自治區(qū)的優(yōu)勢礦產(chǎn)資源，煤炭開采給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展帶來了巨大的收益，然而許多環(huán)境地質(zhì)問題也隨之而來，如破壞地下水源、水土流失加重、人居環(huán)境惡化、植被破壞嚴(yán)重、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)等，給人們的生產(chǎn)生活帶來了難以挽回的損失。同時，煤炭開采過程中會引發(fā)礦井涌水和煤層頂板突水事故，對煤礦的經(jīng)濟效益和礦井工人的生命安全造成嚴(yán)重威脅。這些安全事故的發(fā)生與煤層上覆巖層變形破壞有著密切的關(guān)系，而導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況是反映上覆巖層破壞的重要指標(biāo)，也是礦井涌水和煤層頂板突水事故發(fā)生的重要通道。因此，探明煤層開采上覆巖層破壞變形特征及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度對煤層安全開采具有極其重要的意義。

關(guān)于這一問題，許多專家學(xué)者已經(jīng)展開了深入的研究且取得了大量的研究成果[1-8]。許武等[9]通過對現(xiàn)已有的導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗公式的適應(yīng)性和可信性進行探討，提出了能夠反映導(dǎo)水裂隙帶高度和開采強度關(guān)系的經(jīng)驗公式，并就榆樹灣井田導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律進行了深入研究。楊勇國等[10]從影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的不同影響因素進行分析、量化，提出了預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的層次分析-模糊聚類分析方法，并通過實例驗證了該方法的合理性。張建民等[11]采用系統(tǒng)理論與模擬相結(jié)合的方法，建立采動-爆裂模型對山東興隆莊礦區(qū)進行了實例應(yīng)用和分析，結(jié)果表明導(dǎo)水裂隙帶計算高度與實測數(shù)據(jù)的平均相對誤差為8.8%，預(yù)測結(jié)果相對較好。邵良杉等[12]采用隨機森林回歸算法篩選出影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的主要因素，借助遺傳算法優(yōu)化篩選后的2個關(guān)鍵因素，建立遺傳算法-隨機森林回歸算法(QGA-RFR)的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測模型，并對模型的合理性進行了實例檢驗。從以上可以看出，雖然目前對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的研究成果眾多，但仍然處于經(jīng)驗積累和探索階段。

靈新煤礦地處黃河上游、毛烏素沙地南緣，生態(tài)環(huán)境脆弱，煤礦開采對礦區(qū)及周圍居民生活環(huán)境造成了嚴(yán)重影響，同時煤層開采形成的裂隙帶成為礦井涌水、煤層頂板突水的重要通道，時刻威脅著井下工人的生命安全。因此，開展煤層上覆基巖變形破壞特征及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究，對煤礦合理安全開采具有重要的實際意義。本論文以靈新煤礦051505工作面為研究對象，利用Flac3D數(shù)值模擬、經(jīng)驗公式、鉆孔實測等方法，通過分析不同方法的結(jié)果差異對靈新煤礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進行了深入研究。

1 地質(zhì)條件及主采煤層特征

靈新煤礦位于寧夏回族自治區(qū)靈武市磁窯堡鎮(zhèn)境內(nèi)，西部、北部以煤層露頭為界，東部以向斜軸為界，南部為人為邊界，以13勘探線與磁窯堡煤礦為界。礦井南北走向長11 km，平均傾向?qū)?.4 km，面積27.5 km2。全礦井劃分為6個采區(qū)，其中一至五采區(qū)為上山采區(qū)，六采區(qū)為下山采區(qū)。截止2012年末，礦井實際期末保有資源儲量17749.8萬t。

靈新煤礦整體為一簡單的向斜構(gòu)造，是一個蓄水構(gòu)造，生產(chǎn)采區(qū)屬于單斜構(gòu)造，東陡西緩，地形總的趨勢南高北低，四周高，中間低，受水面積大，有利于地下水及地表水的匯集。地表多被風(fēng)積沙覆蓋，有利于大氣降水的匯集和入滲，第四系風(fēng)積沙層中地下水沿河谷以下降泉形式向西天河排泄。根據(jù)井田含水層和礦井的水文地質(zhì)特征，靈新煤礦共分為第四系含水層組、侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖含水層組、侏羅系中下統(tǒng)延安組砂巖含水層組。礦區(qū)為侏羅系陸相含煤地層，巖性變化大，而煤層頂、底板多為泥巖及粉砂巖組成，巖性致密，與煤層本身形成良好的隔水層，但大多數(shù)不穩(wěn)定，據(jù)統(tǒng)計較為穩(wěn)定的隔水層有：直羅組底部隔水層、2號煤層頂?shù)装宸凵皫r及泥巖隔水層、7號煤層至8號煤層底板粉砂巖及泥巖隔水層、13號煤層頂板瀝青質(zhì)泥巖隔水層、15號煤層頂?shù)装宸凵皫r及泥巖隔水層。

靈新煤礦的主采煤層為14號煤層，屬中厚煤層，平均厚度2.8 m，煤層采厚2.5 m，煤層傾角8.8°～12.0°，結(jié)構(gòu)簡單，層狀構(gòu)造，硬度小。煤層直接頂為泥巖，深灰色、厚層狀；上部為粉細(xì)砂巖互層，礦物成分石英為主，長石、云母次之；上覆含水層厚58.20～132.93 m，巖性以灰、灰白色細(xì)粒砂巖為主，中粒砂巖次之。

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)值模擬以靈新煤礦051505工作面的開采條件為依據(jù)，模型沿X方向500 m，Y方向長150 m，Z方向長97 m，煤層上覆巖土層共9層，煤層厚度2.5 m，采高2.5 m，整個模型由29700個單元組成，有313100個節(jié)點數(shù)，模型網(wǎng)格規(guī)格為5 m×5 m，模型如圖1所示。試驗采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，模型約束條件為：上邊界為自由邊界，底邊界為全約束，左右邊界為單邊約束[13]。

圖1 三維地質(zhì)模型Fig.1 3-D geological model

2.2 模型參數(shù)

本次Flac3D數(shù)值模擬試驗中，煤層上覆基巖的力學(xué)參數(shù)參考煤礦勘察報告中實驗室測定結(jié)果確定，且模擬13號煤層與14號煤層間上覆巖層塑性變形破壞過程，若某個巖層缺失實測數(shù)據(jù)，則根據(jù)本礦區(qū)相鄰礦井的巖石物理力學(xué)參數(shù)進行類比，從而確定靈新煤礦051505工作面上覆基巖的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 上覆巖層及煤層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parametersof overlying strata and coal seams

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)。開挖時在如圖2所示的模型中，按從左到右進行開挖。在進行模型開挖計算前，需要對建立的模型進行初始平衡力計算，通過計算，使得巖層處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。最大不平衡力見圖3。

圖2 模型開挖方向Fig.2 Excavating direction in the model

2.4 模擬結(jié)果

由于塑性區(qū)發(fā)育的最大高度可以反映煤層上覆基巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度[14]，故本實驗采用“塑性區(qū)”法來分析煤礦開采過程中導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。如圖4所示，工作面推進到100 m時(圖4a)，煤層上覆巖層中導(dǎo)水裂隙帶高度為11.5 m，煤層上方基巖破壞變形中部以剪切-拉張破壞為主，兩端以剪切

圖3 最大不平衡力Fig.3 Maximum unbalanced force

破壞為主；隨著工作面繼續(xù)推進，煤層開挖到200 m時(圖4b)，導(dǎo)水裂隙帶高度為35.5 m，上覆基巖破壞以橫向延展為主，破壞類型為剪切-拉張，采空區(qū)兩端以剪切破壞為主且向上發(fā)展；當(dāng)工作面推進至300 m時(圖4c)，上覆巖層破壞連續(xù)性較好，導(dǎo)水裂隙帶高度為50.5 m；當(dāng)工作面推進至380 m時(圖4d)，采空區(qū)左上方塑性變形區(qū)貫通，導(dǎo)水裂隙帶高度達到59.5 m，上覆基巖破壞類型與開挖至300 m時一致，且隨著煤層400 m(圖4e)開挖完成，導(dǎo)水裂隙帶高度處于穩(wěn)定狀態(tài)，故認(rèn)為59.5 m為此次數(shù)值模擬導(dǎo)水裂隙帶高度的最大值。

為了進一步反映模型計算過程中導(dǎo)水裂隙帶高度的變化情況，遂從每一步開挖完成圖中提取高度，制成圖5。從圖5中可以看出，導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育符合從發(fā)生到發(fā)展再到最大高度、回降最終穩(wěn)定的全過程。煤層上覆基巖破壞范圍從開始的緩慢沉降、破壞到突然呈直線性上升，可以看出煤層開采導(dǎo)致上覆頂板破壞嚴(yán)重，故裂隙帶高度也隨之增高，而后由于頂板不斷垮落，基巖間隙不斷壓實，裂隙帶高度會略有回降，最終導(dǎo)水裂隙帶高度穩(wěn)定在59.5 m。

3 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度對比分析

3.1 經(jīng)驗公式法

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(安監(jiān)總煤裝〔2017〕66號)(簡稱《開采規(guī)范》) 中煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度計算公式[15-16]：

(1)

式中：H導(dǎo)——導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；∑M——累計采厚，m。

圖4 工作面不同推進距離時上覆巖層塑性區(qū)分布Fig.4 Distribution of plastic zone in overburden strata at differentadvance distances of the working face

靈新煤礦14號煤層開采厚度為2.5 m，代入式(1)得到煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶高度為27.3～38.5m，裂采比為10.92～15.4。

圖5 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度Fig.5 Height of the water flowing fractured zone

根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》 (GB 12719-1991) (簡稱《勘探規(guī)范》)[17]中煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度計算公式：

(2)

式中：H導(dǎo)——導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；∑M——累計采厚，m；n——開采層數(shù)，n取1。

將煤層采厚2.5 m代入式(2)得到煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶高度為40.3 m，裂采比為16.1。

3.2 鉆孔實測法

3.2.1 沖洗液消耗觀測

根據(jù)LD1孔沖洗液消耗觀測數(shù)據(jù)(見圖6)，鉆至148.4m處沖洗液漏失量開始顯著增加，并且呈現(xiàn)出隨著鉆孔深度增加而增大的趨勢。另外，鉆孔水位在上鉆后至下鉆前的時間段內(nèi)，水位下降幅度顯著增大。因此，根據(jù)沖洗液消耗觀測結(jié)果判定14號煤層導(dǎo)水裂縫帶頂點深度為：孔深148.4m處，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度55.6 m。

圖6 LD1孔單位時間沖洗液消耗量與深度關(guān)系曲線Fig.6 Curve of fluid consumption per unit time vs depthof Borehole LD1

3.2.2 鉆孔彩色電視觀測

野外鉆探施工結(jié)束后，神華寧煤集團于2014年3月28日對LD1孔進行了鉆孔彩色電視觀測，采用GD3Q-A/B型鉆孔全孔壁成像系統(tǒng)，利用360°成像技術(shù)對鉆孔內(nèi)孔壁進行拍照，鉆孔成像過程中，用計算機對圖像進行采集處理，形成連續(xù)的全孔壁展開圖像，觀測現(xiàn)場見圖7。

圖7 彩色電視觀測現(xiàn)場Fig.7 Color TV observation site

根據(jù)鉆孔彩色電視觀測結(jié)果(見圖8)，LD1孔從146.4 m開始出現(xiàn)連續(xù)裂隙，故將孔深146.4 m判定為14號煤層導(dǎo)水裂縫帶頂點，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為57.6 m，且孔深從188.4 m開始，巖體破壞嚴(yán)重，裂隙發(fā)育縱橫交錯，鉆孔底部可見各種巖性松散堆積，雜亂且無規(guī)律，可見是上部地層垮落后重新堆積的特征。故將孔深188.4 m處判定為14號煤層垮落帶頂點。

綜上所述，鉆孔實測法得到的導(dǎo)水裂隙帶高度為55.6～57.6 m，采裂比為22.24～23.04。

3.3 不同方法結(jié)果對比分析

根據(jù)以上分析，利用經(jīng)驗公式法、鉆孔實測法、數(shù)值模擬法得到的靈新煤礦051505工作面上覆基巖導(dǎo)水裂隙帶高度見表2所示。通過對比分析可以得到，由于煤層上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的因素不僅受煤層采厚影響，還受煤層開采的方法、工作面斜長、上覆巖層物理力學(xué)參數(shù)及采煤推進速度等因素影響，所以利用經(jīng)驗公式法計算的導(dǎo)水裂隙帶高度與鉆孔實測值相差比較大，而《開采規(guī)范》和《勘探規(guī)范》中僅僅只考慮了單一因素，故具有一定的局限性。通過數(shù)值模擬方法得到的導(dǎo)水裂隙帶高度與鉆孔實測值基本吻合，由于計算約束條件增加，動態(tài)模擬上覆巖層變形破壞過程，故模擬結(jié)果更接近真實值，更合理。而由于Flac3D模擬軟件中是連續(xù)介質(zhì)，無法真實模擬上覆巖層破壞后產(chǎn)生的裂隙阻礙力的傳遞，所以數(shù)值模擬中上覆基巖所受的各種力都比現(xiàn)實情況下大，故采用數(shù)值模擬方法得到的導(dǎo)水裂隙帶高度比實測值偏大[18]。

圖8 LD1孔彩色電視觀測結(jié)果Fig.8 Color TV observation results of Borehole LD1

表2 不同方法導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度Table 2 Height of the water flowing fractured zoneby different methods

4 結(jié)論

(1)根據(jù)《開采規(guī)范》和《勘探規(guī)范》得到的導(dǎo)水裂隙帶高度由于考慮因素單一，其合理性和可行性都大大降低，而數(shù)值模擬方法通過實地勘察資料建立模型，約束條件增加，得到導(dǎo)水裂隙帶最大高度為59.5 m，與鉆孔實測結(jié)果基本接近，故數(shù)值模擬方法對煤礦合理開采具有較高的科學(xué)依據(jù)。

(2)導(dǎo)水裂隙帶高度除了受煤層采厚影響，還受煤層開采方式、上覆基巖物理力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特征、煤層頂板管理方式、時間等因素影響，數(shù)值模擬方法彌補了經(jīng)驗公式方法中的不足，動態(tài)模擬煤層開采過程中上覆基巖變形破壞的范圍及塑性分布情況，導(dǎo)水裂隙帶高度模擬結(jié)果更接近實測值，其高效、簡單、合理的優(yōu)點對煤礦確定開采上限，提高煤炭資源利用率具有一定的現(xiàn)實價值。