神東保德淺埋煤層覆巖裂隙帶高度數(shù)值指標(biāo)判別閾值及采高效應(yīng)

郝憲杰，孫卓文，趙毅鑫，楊科，張村，張謙

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)共伴生能源精準(zhǔn)開采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；

2.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；

3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；

4.安徽理工大學(xué)，安徽淮南 232000

煤層開采會(huì)引起上覆巖層的拉、剪破壞，進(jìn)而形成裂隙帶與垮落帶。覆巖裂隙帶高度是研究覆巖破壞變形相關(guān)問題的重要指標(biāo)。裂隙帶分布、破壞特征的研究，可以對(duì)礦壓顯現(xiàn)、支護(hù)優(yōu)化以及安全開采提供重要的理論支撐及技術(shù)依據(jù)。

目前，針對(duì)裂隙帶高度的確定，很多學(xué)者采用多種方法進(jìn)行了研究。

首先，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算是最常用的方法。許家林等[1]在深入研究覆巖關(guān)鍵層對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了通過覆巖關(guān)鍵層位置來預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶高度的方法。劉偉韜等[2]采用應(yīng)力判別法確定覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度，并采用經(jīng)驗(yàn)公式法和現(xiàn)場實(shí)測對(duì)覆巖破壞高度進(jìn)行了驗(yàn)證。胡小娟等[3]提出了硬巖巖性比例系數(shù)代替頂板巖層單軸抗壓強(qiáng)度，得到裂隙帶高度與采高、硬巖巖性系數(shù)、工作面斜長、采深、開采推進(jìn)速度多因素間的非線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系式。張通等[4]在壓力拱假說、應(yīng)力殼理論和普氏理論基礎(chǔ)上建立采場裂隙帶幾何模型，推導(dǎo)出工作面覆巖裂隙帶計(jì)算公式。楊國勇等[5]從開采厚度、開采深度、巖石抗壓強(qiáng)度、巖層組合特征等因素進(jìn)行分析，采用模糊聚類分析法對(duì)工作面的裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行聚類。路曉曉[6]應(yīng)用開采損害預(yù)計(jì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)煤層開采中覆巖連續(xù)變形帶的曲率變形與水平變形做了預(yù)估。安豐存等[7]通過對(duì)覆巖巖層結(jié)構(gòu)分析與巖層層向拉伸率的計(jì)算，確定淺埋厚煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。張建石[8]對(duì)采煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測公式進(jìn)行了分析、歸納，并研究了規(guī)范性經(jīng)驗(yàn)公式的適用性。周澤等[9]以塑性鉸理論為基礎(chǔ)結(jié)合關(guān)鍵層理論闡述了導(dǎo)水裂隙帶的成因。

其次是采用相似模擬進(jìn)行裂隙帶高度的確定[10]。鞏躍斌等[11]利用相似模擬實(shí)驗(yàn)研究了余吾煤業(yè)7602工作面采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，測定了該工作面周期來壓及“兩帶”發(fā)育高度。馮超等[12]綜合運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式法、理論分析法、數(shù)值模擬法以及物理模擬法，分別預(yù)測了小保當(dāng)井田2-2煤層采動(dòng)條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。閆鑫等[13]以胡家河煤礦為背景，研究了裂隙帶發(fā)育情況與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)該煤礦工作面推進(jìn)至140 m后，導(dǎo)水裂隙帶趨于穩(wěn)定，不再隨工作面推進(jìn)而增加。

現(xiàn)場實(shí)測是確定裂隙帶高度的最直接方法[14]。申濤[15]采用采空區(qū)鉆探實(shí)測、數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)等手段，總結(jié)并提出了科學(xué)預(yù)判未采區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)計(jì)公式。杜家發(fā)等[16]利用理論計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場鉆孔電視成像方法，對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度進(jìn)行了研究。李家卓等[17]通過現(xiàn)場觀測確定了錦丘煤礦首采工作面導(dǎo)水裂隙帶高度。田成林等[18]研究了近距離煤層層間距、下層煤的采高以及間隔層巖層強(qiáng)度對(duì)覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響。岳勃[19]根據(jù)裂隙發(fā)育程度及滲水量將裂隙帶與垮落帶導(dǎo)水裂隙帶劃分為微小、一般和嚴(yán)重導(dǎo)水裂隙帶。

數(shù)值模擬也是確定裂隙帶高度的重要補(bǔ)充方法[20]。李淑軍[21]對(duì)淺埋近距離煤層群開采覆巖破壞與裂隙帶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，得到了近距離煤層群開采的裂隙帶發(fā)育高度。李振華等[22]建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測模型。李全生等[23]基于Hoek-Brown準(zhǔn)則，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)確定了烏蘭木倫礦的巖體力學(xué)參數(shù)，運(yùn)用FLAC3D研究了煤層開采引起的覆巖破壞特征。李敬敬[24]運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)綜放開采時(shí)煤層覆巖運(yùn)移特征和兩帶高度進(jìn)行了預(yù)測。胡成林[25]分析了覆巖移動(dòng)特征及裂隙發(fā)育規(guī)律、上下兩煤層間覆巖、主關(guān)鍵層及隔水層之間諸多因素對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育的影響。劉學(xué)生等[26]研究了工作面長度、采高和采煤方法對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響。武忠山等[27]發(fā)現(xiàn)在采高相同的條件下，煤層頂板裂隙帶發(fā)育高度與工作面采寬、采深成較好的正相關(guān)關(guān)系。趙明東等[28]建立了階段式的地下氣化FLAC3D力學(xué)模型，通過調(diào)節(jié)泥巖力學(xué)參數(shù)，得到了氣化研究區(qū)的覆巖裂隙發(fā)育特征。

綜上所述，可以看到數(shù)值模擬在裂隙帶發(fā)育規(guī)律的研究中占有重要地位。裂紋的產(chǎn)生是綜合作用的結(jié)果，而目前主要采用位移、應(yīng)力、塑性區(qū)等單一指標(biāo)作為裂隙帶高度分析的主要指標(biāo)，無法反映圍巖不同空間部位的破裂程度，存在一定的局限性。江權(quán)等[29]提出采用指標(biāo)RFD(Rock Failure Degree)來研究水電站等工程的裂紋擴(kuò)展，且指標(biāo)RFD已在多處工程中得到應(yīng)用，解決了許多工程實(shí)際問題[30]。例如，青海省拉西瓦水電站的地下廠房洞室群在開挖施工時(shí)，面臨著高地應(yīng)力環(huán)境下硬性花崗巖開挖卸荷后的脆性破裂及片幫、巖爆災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，采用指標(biāo)RFD研究了不同開挖臺(tái)階高度對(duì)硐室穩(wěn)定性的影響并提出了優(yōu)化后的施工方案；對(duì)中國錦屏深部地下實(shí)驗(yàn)室二期工程進(jìn)行地質(zhì)概化處理后，通過數(shù)值計(jì)算及指標(biāo)RFD分析，得到了破裂區(qū)的分布，肯定了開挖支護(hù)方案的合理性。而指標(biāo)RFD是否適用于煤礦采場裂隙帶的判定，仍然值得深入研究。因此，本文以神東典型淺埋條件保德礦81505工作面為研究背景，構(gòu)建相似模型和數(shù)值模型，基于圍巖破壞度指標(biāo)RFD提取了數(shù)值模擬中的最大破壞深度和程度，并與相似模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證來研究覆巖采動(dòng)裂隙帶發(fā)育高度規(guī)律及隨采高的變化規(guī)律。

1 指標(biāo)RFD概述

1.1 指標(biāo)RFD的定義

為克服一般數(shù)值計(jì)算結(jié)果只能給出屈服區(qū)/損傷區(qū)而不能進(jìn)一步反映圍巖不同空間部位的破裂程度之不足，本研究在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論和巖石真三軸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力與應(yīng)變分析基礎(chǔ)上，依據(jù)三維應(yīng)力空間中π平面上一點(diǎn)在屈服/破裂前的應(yīng)力狀態(tài)、該點(diǎn)空間強(qiáng)度包絡(luò)面與靜水壓力線的幾何距離、屈服/破裂后的等效塑性應(yīng)變的大小，定義其圍巖破壞度指標(biāo)IRFD，其計(jì)算式[29]為

這樣，結(jié)合劣化力學(xué)模型和指標(biāo)RFD，就可以直觀和定量地表征圍巖的破裂位置和程度，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的松弛破裂區(qū)與現(xiàn)場實(shí)測松弛深度、圍巖可視化破裂深度的統(tǒng)一。

1.2 RFD的閾值劃分

為了獲取保德礦煤巖樣品的物理力學(xué)參數(shù)，并將煤樣破壞過程及指標(biāo)RFD對(duì)應(yīng)統(tǒng)一，采用中國礦業(yè)大學(xué)(北京)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的Shimadzu AGS-H 10 kN萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)(圖1)以及配套的加載系統(tǒng)(圖2)進(jìn)行了相應(yīng)的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。

圖1 AGS-H 10 kN萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)

圖2 無線自動(dòng)加載測試裝置

使用萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)保德礦煤樣進(jìn)行加載，利用壓力傳感器對(duì)加載過程中的荷載和位移進(jìn)行監(jiān)測，從而獲取了不同狀態(tài)下煤樣破壞及煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。將煤樣的峰前受壓變形階段定義為IRFD<1的區(qū)段，峰值階段定義為指標(biāo)IRFD=1的區(qū)段，峰后階段則為IRFD>1的區(qū)段，且隨著峰后煤樣破壞的加劇，指標(biāo)IRFD的值持續(xù)增加。

圖3 保德礦煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 模型構(gòu)建及閾值確定

2.1 保德礦81505工作面概況

保德礦81505工作面西為81506工作面，東為81504采空區(qū)，北為未開發(fā)實(shí)體煤。工作面標(biāo)高876.8～1 054.1 m，底板標(biāo)高620.1～682.5 m，工作面長240 m，推進(jìn)長1 856 m，煤層平均厚度7.6 m，傾角0°～6°，工作面設(shè)計(jì)采高3.6～ 3.8 m，放煤高度4.0～3.8 m，采放比為1∶1.1～1∶1。采用走向長壁后退式綜采放頂煤全部垮落法。日進(jìn)7刀，截深0.865 m，日進(jìn)6.055 m。初次來壓步距53 m，周期來壓步距23 m。

2.2 保德礦81505工作面平面應(yīng)變模型

依據(jù)相似第一、二、三定律使模擬實(shí)驗(yàn)滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似、邊界相似的條件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的對(duì)象、目的及研究內(nèi)容，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，選取二維相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，所用裝置為安徽理工大學(xué)自制的二維相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，長×寬×高為3 m×0.3 m×2 m。模型中各巖層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 相似模擬及數(shù)值模擬中各巖層物理力學(xué)參數(shù)

采用定點(diǎn)連續(xù)拍照的方法記錄物理模型開采過程中裂隙帶動(dòng)態(tài)演化過程，觀察8煤層開采后引起的巖層移動(dòng)破斷現(xiàn)象及裂隙發(fā)育過程，通過覆巖中形成的直觀離層和裂隙分布，揭示裂隙帶的發(fā)育特征。

2.3 數(shù)值模擬和模型構(gòu)建

構(gòu)建了保德81505工作面的FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，即300 m×1 m×130 m的平面應(yīng)變模型，其中包含250 000個(gè)網(wǎng)格，模型尺寸達(dá)到忽略邊界效應(yīng)的需求。模型在空間上分x、y、z三個(gè)方向，與實(shí)際的開采情況相對(duì)應(yīng)，x方向?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向，y方向?yàn)楣ぷ髅鎯A向方向，z方向?yàn)樨Q直方向。模型計(jì)算采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則，數(shù)值模型中各巖層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)與物理模型完全一致，見表1。

2.4 對(duì)比分析

通過將指標(biāo)IRFD分別為1、1.2、1.5、1.8、2時(shí)所包含的區(qū)域與相似模擬中產(chǎn)生的裂隙帶對(duì)比，發(fā)現(xiàn)IRFD=2所包含的區(qū)域與相似模型中裂隙帶區(qū)域最為相近，具有很強(qiáng)的代表性，因此將IRFD=2作為本文分析中的裂隙帶高度指標(biāo)。數(shù)值模擬與相似模擬的對(duì)比如圖4所示，圖4中白色部分即為IRFD=2所包含的區(qū)域。

圖4 數(shù)值模型結(jié)果與相似模型結(jié)果的對(duì)比

由相似模型及數(shù)值模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：在相似模型中，工作面推進(jìn)55 m時(shí)，直接頂發(fā)生垮落，巖層破壞高度為7 m，破壞的寬度為45 m，直接頂垮落后，基本頂形成大面積懸頂，如圖4(a)所示。在數(shù)值模型中，工作面推進(jìn)段上部同樣出現(xiàn)了類似的破壞，且IRFD=2的區(qū)域形狀及大小均接近于相似模型中垮落帶區(qū)域。

在相似模型中，當(dāng)工作面推進(jìn)至155 m時(shí)，相似模型巖層破壞高度增加至80 m，破壞寬度為150 m，此時(shí)為第4次周期來壓，周期來壓步距為20 m。而數(shù)值模型中破壞區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，雖然IRFD=2的區(qū)域形狀略高于相似模型，如圖4(b)所示，但從最大高度以及最大寬度上，仍與相似模型保持著一致。

通過上述數(shù)值計(jì)算和物理模型開挖對(duì)比分析可以看出，當(dāng)IRFD=2時(shí)，與物理模型模擬結(jié)果中的破壞高度相對(duì)比，兩模型中無論破壞深度還是破壞程度都非常相近，這說明了在該地質(zhì)條件下IRFD=2這一指標(biāo)可以很好地表征裂隙帶最大破壞深度和高度。

3 采高對(duì)裂隙帶高度的影響

3.1 數(shù)值模擬方案構(gòu)建及計(jì)算結(jié)果

為了進(jìn)一步分析采高對(duì)裂隙帶高度的影響，在原采深為100 m、采高為7.6 m的數(shù)值模型基礎(chǔ)上，同時(shí)設(shè)立采高為4 m、6 m、8 m、10 m的5種開采條件，逐一計(jì)算并作分析。

計(jì)算得出的破壞高度及程度見表2。表中最大破壞高度是指IRFD=2的區(qū)域最大高度。

表2 采高對(duì)裂隙帶高度的影響規(guī)律的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

3.2 數(shù)值結(jié)果分析

圖5展示了100 m采深條件下不同采高對(duì)最大破壞深度的影響。圖6為數(shù)值模擬中，在5種不同采高條件下工作面均推進(jìn)155 m時(shí)，IRFD=2區(qū)域的對(duì)比圖。

圖5 100 m采深條件下不同采高對(duì)最大破壞高度的影響

由圖5和圖6看出，隨著工作面推進(jìn)長度的增加，最大破壞深度持續(xù)增長；在相同采深條件下，隨著采高的增加，最大破壞深度同樣持續(xù)增大。

圖6 不同采高條件下工作面推進(jìn)155m的IRFD=2區(qū)域示意圖

同時(shí)，還可以看出，同一推進(jìn)長度條件下的最大破壞深度在采高由4 m逐漸增加至10 m的過程中，其增長速率是逐漸減緩的。例如，在工作面推進(jìn)105 m的條件下，采高由4 m增加至6 m、由6 m增加至8 m以及由8 m增加至10 m時(shí)，裂隙帶高度的增長值分別為17.71 m、9.87 m及1.94 m；在工作面推進(jìn)155 m的條件下，前述的三個(gè)裂隙帶高度增長值分別為6.97 m、4.5 m及1.91 m。這一結(jié)論與趙立欽[31]通過模型模擬及綜合現(xiàn)場測試非線性回歸分析的結(jié)果一致。根據(jù)趙立欽研究結(jié)果，神東礦區(qū)裂隙帶高度的計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Hli為裂隙帶高度，m；M為采高，m。

由式(1)可以推出，隨著采高M(jìn)的增大，裂隙帶高度Hli雖然持續(xù)增長，但增長速率逐漸降低。

4 結(jié)論與展望

(1) 相較于采用應(yīng)力、位移等作為指標(biāo)，圍巖破壞度指標(biāo)IRFD=2可以很好地反映神東淺埋采動(dòng)裂隙帶高度的發(fā)育特征。

(2) 在神東淺埋煤層條件下，隨著工作面推進(jìn)長度和采高的增加，裂隙帶發(fā)育高度持續(xù)增加。同一推進(jìn)長度條件下的最大破壞深度隨著采高的增大其增長速率是逐漸減緩的，與現(xiàn)場測試非線性回歸分析結(jié)果一致。

(3) 文中提出將IRFD=2的指標(biāo)作為淺埋煤層覆巖裂隙帶高度的數(shù)值指標(biāo)判別閾值，在數(shù)值模擬分析中，雖然模擬結(jié)果在最大破壞高度和最大破壞寬度上與相似模擬結(jié)果表現(xiàn)出較高的吻合度，但在細(xì)節(jié)上仍需進(jìn)一步地探討和改進(jìn)。