小壕兔二號井田導水裂隙帶發(fā)育高度預計與數(shù)值模擬?

劉 玥姚有利寧掌玄劉 源2

（1.山西大同大學煤炭工程學院，山西省大同市，037003；2.西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西省西安市，710054）

小壕兔二號井田導水裂隙帶發(fā)育高度預計與數(shù)值模擬?

劉 玥1姚有利1寧掌玄1劉 源2

（1.山西大同大學煤炭工程學院，山西省大同市，037003；2.西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西省西安市，710054）

采用經(jīng)驗公式計算和數(shù)值模擬試驗兩種方法對榆神礦區(qū)小壕兔二號井田2#煤層導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律及最大高度進行研究。結(jié)果表明經(jīng)驗公式計算值和數(shù)值模擬試驗結(jié)果都顯示2#煤層開采產(chǎn)生的導水裂隙帶不會對礦區(qū)薩拉烏蘇組含水層產(chǎn)生影響，都與現(xiàn)場實測值具有良好的一致性；數(shù)值模擬試驗預測結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果更為接近，說明數(shù)值模擬試驗相較于經(jīng)驗公式在導水裂隙帶最大高度預計方面具有更高的精度和可靠性。

導水裂隙帶 數(shù)值模擬 保水采煤 塑性區(qū)法

陜北侏羅紀煤田是我國現(xiàn)已探明的煤炭資源量最大的煤田，榆神礦區(qū)位于該煤田中部，該區(qū)更以儲量豐富、煤質(zhì)優(yōu)良、地質(zhì)構(gòu)造簡單、開采技術(shù)條件優(yōu)越而引起世人矚目，今后將成為我國21世紀煤炭工業(yè)戰(zhàn)略西移的首選基地。但榆神礦區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱，區(qū)域淺層地下水維系著沙漠灘地區(qū)植被生長和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，科學認識煤-淺層地下水關(guān)系對實現(xiàn)煤炭高效、安全、綠色開發(fā)具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

井下采煤所產(chǎn)生的導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律及其與礦區(qū)淺層地下水的空間關(guān)系一直是科學認識煤水關(guān)系、實現(xiàn)保水采煤的關(guān)鍵科學問題之一。而目前國內(nèi)外圍繞這一問題的研究方法主要有經(jīng)驗公式法、數(shù)值試驗法、物理試驗模擬法和現(xiàn)場實測法等。考慮到目前現(xiàn)行的主要方法，本文同時采用經(jīng)驗公式法與數(shù)值試驗法對榆神礦區(qū)小壕兔二號井田2#煤層導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律展開研究，以期研究成果能為煤礦保水采煤實踐提供借鑒與指導。

1　小壕兔二號井田概況

1.1 井田水文地質(zhì)特征

小壕兔二號井田位于毛烏素沙漠的邊緣地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱。井田內(nèi)大面積分布第四系薩拉烏蘇組含水層，水資源較為豐富，水質(zhì)優(yōu)良，主要接受大氣降水補給，是目前居民生活與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的重要水源。薩拉烏蘇組含水層巖性為一套河湖相松散沉積層，底部多為礫石、砂礫石層、粉細砂層、發(fā)育交錯層理、平行層理，上部為粉細砂層，砂質(zhì)泥層，頂部發(fā)育灰黑色碳質(zhì)泥砂層，并有水平層理、波紋層理等沉積構(gòu)造。井田內(nèi)薩拉烏蘇組含水層厚度一般為20～60 m，受控于基巖頂面古地形。井田內(nèi)煤層與薩拉烏蘇組之間發(fā)育有離石組黃土和保德組紅土共同構(gòu)成的強隔水層及由安定組、直羅組、延安組頂部共同組成的相對隔水巖組，對薩拉烏蘇組含水層起保護作用。根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》和《煤炭資源地質(zhì)勘探規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定，小壕兔二號井田水文地質(zhì)勘探類型為二類一型。

1.2 2#煤層特征

2#煤層為本井田最主要可采煤層，位于延安組第四段頂部，煤層厚度0.20～9.86 m，平均5.01 m。平均埋深320 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，距薩拉烏蘇組含水層平均距離為150 m。煤層由南西向北東方向緩傾，平均傾角1°左右。煤層頂板以砂巖、粉砂巖、泥巖為主，巖石單軸抗壓強度為20～40 MPa，屬中硬頂板，煤層傾角小于3°，底板高程變化梯度小且均勻，只有寬緩的波狀起伏，沒有大的褶皺和斷層。

2　基于經(jīng)驗公式的導水裂隙帶最大高度預計

2.1 理論公式

目前，用于井下采煤所產(chǎn)生的導水裂隙帶最大高度預計的經(jīng)驗公式主要有2類，一是《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（簡稱《規(guī)范》）；二是《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》（簡稱《規(guī)程》），見表1。

2.2 計算結(jié)果與分析

目前，對導水裂隙帶最大高度的預計還處于探索階段，因此本文分別采用表1中各預計經(jīng)驗公式，對小壕兔二號井田2#煤層最大導水裂隙帶高度進行預計，結(jié)果見表2。

表1　導水裂隙帶最大高度經(jīng)驗計算公式

表2　導水裂隙帶最大高度經(jīng)驗計算值

基于《規(guī)范》中經(jīng)驗公式計算得到的小壕兔二號井田2#煤層開采產(chǎn)生的最大導水裂隙高度為75.52 m，是采高的15.1倍；基于《規(guī)程》中經(jīng)驗公式計算得到的小壕兔二號井田2#煤層開采產(chǎn)生的最大導水裂隙高度為48.70～54.72 m，是采高的9.74～10.94倍。對比煤系上覆巖組與2#煤層的空間距離，可以判斷該煤層以5 m采高進行開采時不會對薩拉烏蘇組含水層產(chǎn)生破壞影響，但會導通延安組第三、第四段巖組中的弱砂巖裂隙含水層，以致其地下水沿導水裂隙進入工作面或采空區(qū)。

3　小壕兔二號井田2#煤層導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律數(shù)值試驗分析

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

以小壕兔二號井田2#煤層上覆巖土結(jié)構(gòu)特征和實際開采條件為設(shè)計依據(jù)，構(gòu)建數(shù)值模型。數(shù)值模型中，X方向上長為1200 m（模擬年推進距離），Y方向上長為250 m（模擬工作面寬度），Z方向上長為343 m（模擬采深），2#煤層厚5 m（模擬采厚）。考慮到數(shù)值模擬的計算量和計算精度，將數(shù)值模型中網(wǎng)格規(guī)格設(shè)為10 m×10 m，共有180000個單元。模型的邊界條件為前、后、左、右邊界均設(shè)定為單約束邊界，底邊界設(shè)定為全約束邊界，上邊界定為自由邊界，不予約束。數(shù)值模型中各主要巖土層物理力學參數(shù)根據(jù)表3數(shù)據(jù)資料進行賦值。

表3　數(shù)值模型中各土巖層力學參數(shù)

3.2 模擬動態(tài)過程

本試驗以Mohr-Coulomb準則為判別準則，采用塑性區(qū)法結(jié)合應力法判別最大導水裂隙高度。隨著工作面的推進，提取數(shù)據(jù)并繪制各開挖步覆巖塑性區(qū)分布圖，見圖1。

3.3 結(jié)果與討論

圖1顯示，當工作面回采100 m時，采空區(qū)兩側(cè)45°上方開始出現(xiàn)以剪切破壞為主的塑性區(qū)，其發(fā)育高度均大于采空區(qū)正上方，見圖1（a）。隨著工作面回采距離從100 m增至300 m時，采空區(qū)兩側(cè)剪切破壞塑性區(qū)在垂向上和橫向上均有延展，但以橫向延展為主，當工作面回采至300 m，該塑性區(qū)發(fā)育高度達到73.40 m，開切眼和停采線上方（基巖175 m處）開始出現(xiàn)塑性區(qū)，以拉張破壞為主。同時，在出現(xiàn)拉張破壞塑性區(qū)上方的基巖面也出現(xiàn)塑性區(qū)，以剪切破壞為主，見圖1（c）。隨著工作面繼續(xù)推進，基巖面、基巖175 m處塑性區(qū)不斷擴大且以橫向擴展為主。采空區(qū)兩端塑性區(qū)發(fā)育高度不再變化，見圖1（d）、（e）。煤層上覆巖層呈現(xiàn)明顯三帶結(jié)構(gòu)，基巖上覆紅土層未受破壞。依據(jù)塑性區(qū)法，判別最大導水裂隙高度在69.73～73.4 m之間，是采高（5 m）的15～17倍。

圖1　工作面不同推進距離時覆巖塑性區(qū)分布圖

4　2#煤層導水裂隙帶最大高度鉆孔實測

4.1 鉆孔實測結(jié)果

2011年由小壕兔煤業(yè)有限公司及相關(guān)地質(zhì)隊聯(lián)合實施小壕兔二號井田2#煤層導水裂隙帶最大高度鉆孔觀測工作。在小壕兔二號井田主采工作面采空區(qū)中心位置布設(shè)鉆孔，采用鉆孔沖洗液消耗量變化分析法，觀測導水裂隙帶最大發(fā)育高度。試驗結(jié)果表明在孔深249.50 m處鉆孔沖洗液消耗量突然增大，從0.15 L/s增大至0.78 L/s以上，而在孔深285.00 m沖洗液完全漏失，說明孔深249.50 m處可視為導水裂隙帶上界面，而孔深285.00 m以下則為冒落帶。結(jié)合2#煤層平均埋深，可以分析判定導水裂隙帶最大高度實測值為70.50 m左右，對比薩拉烏蘇組含水層與2#煤層空間關(guān)系，認為2#煤層在一次采全高（即采高為5 m）條件下不會對薩拉烏蘇組含水層產(chǎn)生破壞影響。

4.2 實測值與預計值的對比分析

（1）從預計結(jié)果來看，經(jīng)驗公式法、數(shù)值模擬法得到的導水裂隙帶最大高度預計值與現(xiàn)場實測值均具有良好的一致性，并得出2#煤層開采不會對薩拉烏蘇組含水層的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響的相同結(jié)論，可見經(jīng)驗公式法和數(shù)值模擬法在預計導水裂隙帶最大高度方面均是可行的。

（2）從預計精度來看，較之經(jīng)驗公式法，數(shù)值模擬法的預計結(jié)果（69.73～73.4 m）與現(xiàn)場實測結(jié)果（70.5 m）更為接近，說明數(shù)值模擬試驗得到的預計結(jié)果具有更高的精度和可靠性。

5　結(jié)論

（1）《規(guī)范》中經(jīng)驗公式預計結(jié)果顯示小壕兔二號井田2#煤層開采產(chǎn)生的最大導水裂隙高度為75.52 m；《規(guī)程》中經(jīng)驗公式預計結(jié)果顯示最大導水裂隙高度為48.70～54.72 m。兩種結(jié)果顯示以5 m采高開采2#煤層時，不會對薩拉烏蘇組含水層產(chǎn)生破壞影響。

（2）數(shù)值模擬試驗結(jié)果表明工作面推進至300 m時，采空區(qū)兩側(cè)剪切破壞塑性區(qū)在垂向和橫向上延展，其最大高度發(fā)育至73.40 m；隨著工作面繼續(xù)推進，采空區(qū)兩端塑性區(qū)發(fā)育高度不再變化。依據(jù)塑性區(qū)法，判別最大導水裂隙高度在69.73～73.4 m之間。

（3）將經(jīng)驗公式法、數(shù)值模擬法與現(xiàn)場實測值進行對比，發(fā)現(xiàn)兩種方法的計算結(jié)果與實測值具有良好的一致性，而數(shù)值試驗的預測結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果更為接近，說明數(shù)值模擬試驗相較于經(jīng)驗公式在導水裂隙帶最大高度預計方面具有更高的精度和可靠性。

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（責任編輯 張毅玲）

Prediction and numerical simulation of height of water flowing fractured zone in Xiaohaotu No.2 mine field

Liu Yue1，Yao Youli1，Ning Zhangxuan1，Liu Yuan2
（1.College of Coal Engineering，Shanxi Datong University，Datong，Shanxi 037003，China；2.College of Geology and Environment，Xi＇an University of Science and Technology，Xi＇an，Shaanxi 710054，China）

The development laws and maximum height of water flowing fractured zone in No. 2 coal seam of Xiaohaotu No.2 Mine field was studied with two kinds of methods，empirical formula calculation and numerical simulation.According to the results，the empirical calculation value and the result of numerical simulation both showed that the water flowing fractured zone caused by mining the No.2 coal seam had no effect on the aquifer of Salawusu formation，and they were both consistent with field measured value；while the result of numerical simulation was closer to the measured value，which showed that comparing with the empirical formula，numerical simulation had higher accuracy and reliability in the prediction of the maximum height of the water flowing fractured zone.

water flowing fractured zone，prediction，numerical simulation，coal mining under water-containing，plastic zone method

TD821

A

陜西省自然科學基金項目（SJ08-ZT08 -3）

劉玥（1980-），女，漢族，遼寧阜新人，碩士，講師，主要從事礦山地質(zhì)環(huán)境方面的研究。