巨厚煤層開采覆巖含水層破壞模擬：以準(zhǔn)東大井礦區(qū)為例

李根生，曾 強(qiáng)，趙龍輝，高 坡

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆 烏魯木齊 830046)

準(zhǔn)東礦區(qū)煤炭資源豐富，可采煤層厚達(dá)90 m。由于煤層賦存面積大、單層厚度大、開采強(qiáng)度大、擾動(dòng)范圍廣，該區(qū)域煤炭資源開采對(duì)區(qū)域及鄰近綠洲生態(tài)環(huán)境將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[1-2]。針對(duì)煤炭開采覆巖移動(dòng)及其對(duì)含水層的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了系統(tǒng)研究：錢鳴高等[3]首次提出了覆巖關(guān)鍵層理論，建立了關(guān)鍵層的判別準(zhǔn)則；許家林[4-5]研究了覆巖主關(guān)鍵層對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度及地表下沉的影響；范立民等[6-7]系統(tǒng)研究了陜北煤田保水開采基本思路、途徑及水源保護(hù)區(qū)設(shè)置；黃慶享[8-9]得出了分層開采關(guān)鍵層和隔水層的移動(dòng)及垮落規(guī)律，揭示了淺埋煤層隔水巖組隔水性的決定因素；王雙明等[10]揭示了榆神府礦區(qū)煤炭開采下的合理生態(tài)水位；Liu X等[11]運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)富水含水層下的淺煤層開采導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行了預(yù)測(cè)；Song G等[12]提出了一種新的理論方法，并獲得了上覆巖層的運(yùn)動(dòng)和裂縫帶的高度;Hai-Feng L等[13]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法引入煤層開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)中；許猛堂[14]分析了新疆巨厚煤層開采覆巖活動(dòng)規(guī)律；田成東[15]針對(duì)鄂爾多斯巨厚煤層開采覆巖移動(dòng)及地表下沉特征開展了系統(tǒng)研究；叢森等[16]研究了微震事件的數(shù)量和空間分布特征與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的關(guān)系；孫曉冬等[17]針對(duì)準(zhǔn)東礦區(qū)巨厚煤層開采方法進(jìn)行了理論研究；李曌等[18]基于變形分析法預(yù)測(cè)了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度；郝志勇等[19]采用數(shù)值模擬方法研究了覆巖移動(dòng)及裂隙發(fā)育規(guī)律；劉英鋒等[20]采用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和數(shù)值模擬方法，研究了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度及分布特征；徐智敏等[21]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)新安煤礦小浪底水庫(kù)下采煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行預(yù)測(cè)。上述學(xué)者對(duì)覆巖關(guān)鍵層、采動(dòng)裂隙及其含水層開展了系統(tǒng)研究，但針對(duì)準(zhǔn)東巨厚煤層開采覆巖移動(dòng)及其對(duì)含水層的影響方面尚未開展相關(guān)研究。本文以準(zhǔn)東煤田大井礦區(qū)巨厚煤層為研究對(duì)象，通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬，建立了巨厚煤層開采數(shù)值力學(xué)模型，模擬了大采高開采及放頂煤開采對(duì)覆巖及含水層的擾動(dòng)影響，揭示了巨厚煤層開采應(yīng)力、應(yīng)變及裂隙分布規(guī)律，以期為準(zhǔn)東礦區(qū)煤炭資源安全開采及保水開采提供一定指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

準(zhǔn)東礦區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地東部、克拉麥里山南麓，屬干旱氣候，區(qū)域水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱。大井礦區(qū)位于準(zhǔn)東北部，主采煤層平均厚56 m，傾角1～3°，局部最大6°，礦井煤層埋深等值線及鉆孔布置(1 km×1 km)平面圖(圖1)，本文參照鉆孔ZK0504柱狀。由于水文勘探線未經(jīng)ZK0504鉆孔，本文選取其鄰近水文勘探剖面圖，B1煤層與覆巖含水層的空間組合關(guān)系，如圖2所示。

圖1 煤層埋深等值線及平面地質(zhì)圖

圖2 煤層與覆巖含水層空間組合關(guān)系

圖3 鉆孔ZK0504柱狀圖(部分)

煤層頂板多為細(xì)砂巖、泥巖、粗砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，底板多為炭質(zhì)泥巖、含碳泥巖及細(xì)砂巖，由于煤層埋深大，且?guī)r層數(shù)目多，本文僅列出鉆孔ZK0504柱狀的關(guān)鍵部分，如圖3所示。

根據(jù)礦區(qū)抽水試驗(yàn)測(cè)得水位埋深分別為29.25 m、38.35 m和59.06 m，單位涌水量0.00312～0.00529 L/s·m，滲透系數(shù)0.00304～0.00467 m/d，大井法預(yù)測(cè)礦井涌水量2 050 m3/d。另?yè)?jù)礦區(qū)水文地質(zhì)資料、抽水試驗(yàn)、鉆孔巖性及巖芯破碎程度確定本文主要研究的含水層分別為白堊系下統(tǒng)吐谷魯群裂隙孔隙弱含水層(含水層Ⅰ)和石樹溝群裂隙孔隙弱含水層(含水層Ⅱ)，其中石樹溝群裂隙孔隙弱含水層位于主關(guān)鍵層之上，受主關(guān)鍵層影響較大。

2 關(guān)鍵層識(shí)別

根據(jù)鉆孔柱狀及巖層物理力學(xué)參數(shù)，運(yùn)用關(guān)鍵層理論，對(duì)覆巖關(guān)鍵層進(jìn)行判別[22]。根據(jù)式(1)、各巖層厚度(鉆孔柱狀圖)及巖層物理力學(xué)參數(shù)(表1)，逐層計(jì)算。

2.1 硬巖的識(shí)別

第i層巖層對(duì)第1層的載荷，見式(1)。

(1)

式中：qi為第i層所受載荷，kPa；Ei為第i層彈性模量，MPa；γi為第i層體積力，MN/m3；hi為第i層層厚，m。

若(qi)1≥(qi+1)1,即第i層為硬巖，通過(guò)計(jì)算得出覆巖共含4層硬巖，各硬巖計(jì)算結(jié)果見表2。

2.2 計(jì)算極限破斷距

根據(jù)上文判定結(jié)果及研究區(qū)煤層賦存特征，采用固支梁彎矩對(duì)覆巖極限破斷距逐層計(jì)算，見式(2)。

(2)

式中：Li為第i層的極限破斷距，m；hi為第i層層厚，m；qi為第i層所受載荷，kPa；Ri為第i層抗拉強(qiáng)度，MPa。計(jì)算結(jié)果見表3。

2.3 判斷關(guān)鍵層

對(duì)硬巖破斷距進(jìn)行比較，其計(jì)算公式見式(3)。

Li

(3)

對(duì)比各巖層破斷距，其中破斷距值最大，則為主關(guān)鍵層，對(duì)比結(jié)果見表2。

表1 上覆巖層物理力學(xué)性質(zhì)

表2 關(guān)鍵層及破斷距計(jì)算結(jié)果

表3 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模型構(gòu)建與數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型

利用UDEC構(gòu)建數(shù)值模型(圖4)。模型自B1煤層底板至地表，走向長(zhǎng)500 m，高630 m，其中B1煤層埋深587 m，厚度56 m，左右兩側(cè)各留設(shè)100 m邊界保護(hù)煤柱。塊體采用摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，節(jié)理面采用面-面接觸庫(kù)倫滑移準(zhǔn)則，各邊界采用位移控制方法，其中左右邊界x=0，底部邊界y=0，上部為自由邊界。

針對(duì)B1煤層賦存特征，模擬方案分別為大采高分層開采(采7 m×8層)和放頂煤分層開采(采14 m×4層)，沿煤層走向自左向右依次開挖，開挖步距10 m，走向推進(jìn)300 m，沿水平和垂向方向分別布設(shè)位移及應(yīng)力測(cè)線。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 覆巖位移

對(duì)大采高開采首分層過(guò)程中距開切眼10 m、30 m、50 m、70 m、90 m、110 m、160 m、250 m、300 m、二分層開采距開切眼300 m及放頂煤開采首分層距開切眼10 m、30 m、50 m、70 m、90 m、110 m、130 m、170 m、250 m、300 m時(shí)，老頂位移變化進(jìn)行了記錄(圖5)。

圖4 數(shù)值模型

圖5 大采高開采與放頂煤開采老頂位移變化

由圖5可知：放頂煤首分層開采至30 m，老頂開始下沉，采至110 m，老頂下沉量接近最大值12.4 m；隨著工作面的推進(jìn),老頂下沉量不斷增加，采至110 m時(shí)下沉量已接近最大值；當(dāng)兩種開采方式采厚及推進(jìn)距離相同時(shí)，大采高開采老頂下沉量小于放頂煤開采，且大采高開采過(guò)程老頂下沉較穩(wěn)定；采用放頂煤開采至300 m時(shí)，局部老頂下沉量大于開采厚度，原因?yàn)楫?dāng)開采空間較大時(shí)，老頂易出現(xiàn)回轉(zhuǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象；大采高開采與放頂煤開采，采空區(qū)中部老頂下沉量基本一致。

由模擬可得：大采高首分層開采至30 m，老頂開始下沉，下沉量為0.159 m；采至70 m，老頂呈現(xiàn)臺(tái)階式垮落，下沉量速度明顯增快，下沉量為2.12 m；隨工作面不斷推進(jìn)，老頂下沉量不斷增加，下沉發(fā)育方向與工作面推進(jìn)方向一致；當(dāng)采至110 m時(shí)，老頂下沉量已接近最大值6.68 m；大采高開采首分層結(jié)束后，老頂下沉量最大值6.89 m。

為研究采厚相同時(shí)大采高開采和放頂煤開采對(duì)含水層Ⅰ及含水層Ⅱ的影響，分別記錄了含水層Ⅰ及含水層Ⅱ下方主關(guān)鍵層的位移變化情況，其中含水層Ⅱ下方主關(guān)鍵層位移變化如圖6所示。

圖6 主關(guān)鍵層位移變化

由圖6可知：主關(guān)鍵層下沉量為0.36～49.09 m，最大下沉量為大采高采完第八分層；采完14 m主關(guān)鍵層為小幅度彎曲下沉，采完28 m主關(guān)鍵層出現(xiàn)破斷，此時(shí)，含水層Ⅱ亦破壞；采空區(qū)中部下沉量最大，該區(qū)域含水層受影響程度亦最大；隨著后續(xù)分層的開采，大采高開采主關(guān)鍵層下沉量大于放頂煤開采，說(shuō)明大采高開采對(duì)含水層Ⅱ的擾動(dòng)影響較大。

由模擬可得：含水層Ⅰ下沉量為0.51～21.44 m，最大下沉量為大采高采完第八分層；采厚28 m時(shí)，地表下沉量明顯增大，主要是由于覆巖主關(guān)鍵層開始破斷，導(dǎo)致上覆巖層隨之下沉；隨著后續(xù)分層的開采，含水層Ⅰ下沉速度減慢；采空區(qū)中部下沉量最大，該區(qū)域含水層受影響程度亦最大；大采高開采含水層Ⅰ下沉量大于放頂煤開采，說(shuō)明大采高開采對(duì)含水層Ⅰ的擾動(dòng)影響較大。

為研究采厚相同時(shí)大采高開采和放頂煤開采采空區(qū)中部覆巖位移變化情況，分別記錄了采空區(qū)中部位移變化情況(圖7)。

由圖7可知：采空區(qū)中部覆巖下沉量為10.82～56 m，最大下沉量為大采高采完第八分層；采空區(qū)中部覆巖自下而上下沉量不斷減小，且隨著分層開采數(shù)目的增加，覆巖下沉量不斷增加；距煤層180 m附近，兩側(cè)覆巖下沉量出現(xiàn)明顯變化，原因?yàn)橹麝P(guān)鍵層的影響；采厚28 m主關(guān)鍵層之上巖層下沉速率增大，原因是此時(shí)關(guān)鍵層已破斷；采厚相同，采用大采高開采，采空區(qū)中部覆巖下沉量大于放頂煤開采，即大采高開采對(duì)含水層的擾動(dòng)影響較大。

圖7 采空區(qū)中部覆巖位移變化

由模擬可得：直接頂隨采隨冒；采至50 m，離層發(fā)育至老頂；采至70 m，老頂斷裂、離層隨即發(fā)育至亞關(guān)鍵層Ⅱ；采至150 m，亞關(guān)鍵層Ⅱ破斷，此時(shí)，主關(guān)鍵層下方出現(xiàn)離層，且隨著工作面推進(jìn)，主關(guān)鍵層下方離層量及離層范圍不斷擴(kuò)大；離層自直接頂逐漸向關(guān)鍵層發(fā)育，采至290 m，主關(guān)鍵層下方離層范圍最大，長(zhǎng)、高分別為156 m、7.15 m，隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，主關(guān)鍵層發(fā)生破斷，離層逐漸閉合，離層范圍逐漸縮小。

3.2.2 覆巖裂隙分布

采動(dòng)裂隙是地下水運(yùn)移的主要通道，B1煤層開采后覆巖裂隙空間分布情況如圖8所示。

圖8 B1煤層后裂隙空間分布

采動(dòng)裂隙主要分布在垮落線附近，采空區(qū)中部裂隙已重新壓實(shí)；采厚14 m時(shí)，裂隙已發(fā)育至主關(guān)鍵層，但未與含水層導(dǎo)通；采厚56 m時(shí)，含水層Ⅱ嚴(yán)重破壞，采動(dòng)裂隙已發(fā)育至含水層Ⅱ，但尚未發(fā)育至含水層Ⅰ，工作面繼續(xù)推進(jìn)勢(shì)必對(duì)含水層Ⅰ產(chǎn)生破壞；煤壁側(cè)裂隙發(fā)育程度最大，采空區(qū)兩側(cè)裂隙發(fā)育情況基本一致，工作面處裂隙隨工作面的推進(jìn)不斷向前發(fā)育，呈現(xiàn)周期性動(dòng)態(tài)演化；煤壁側(cè)應(yīng)力集中系數(shù)較高，破壞程度大，導(dǎo)水裂隙帶主要分布于該區(qū)域；當(dāng)推進(jìn)長(zhǎng)度為300 m時(shí)，主關(guān)鍵層已破斷，而礦井設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度為4 500 m，其開采勢(shì)必對(duì)覆巖含水層產(chǎn)生破壞。

由模擬可得：當(dāng)采厚28 m，推進(jìn)300 m時(shí)，主關(guān)鍵層已破斷，含水層Ⅱ亦受破壞；覆巖破斷角近似“八”字形，裂隙主要分布在煤壁側(cè)，采空區(qū)中部下沉量最大，且采空區(qū)中部已壓實(shí)，主關(guān)鍵層鉸接結(jié)構(gòu)清晰可見。含水層Ⅱ已產(chǎn)生破斷裂隙并與主關(guān)鍵層發(fā)生離層現(xiàn)象。此時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶已與含水層Ⅱ貫通，若不采取相應(yīng)保護(hù)措施，將對(duì)礦井的安全開采構(gòu)成威脅。

4 結(jié) 論

1) 準(zhǔn)東大井礦區(qū)覆巖關(guān)鍵層共4層，覆巖含水層共2層。

2) 隨著工作面的推進(jìn)，覆巖含水層下沉量不斷增加，受采動(dòng)擾動(dòng)影響不斷增加，采厚24 m時(shí)，含水層下沉量明顯增加，原因?yàn)橹麝P(guān)鍵層結(jié)構(gòu)受到破壞，對(duì)覆巖的支撐能力減弱；采用大采高開采對(duì)覆巖含水層的擾動(dòng)影響大于放頂煤開采。

3) 隨工作面不斷推進(jìn)，離層裂隙逐漸向上發(fā)育至各關(guān)鍵層；隨分層開采數(shù)目增加，裂隙發(fā)育高度、范圍、寬度不斷增加；采動(dòng)裂隙主要分布于煤壁側(cè)，當(dāng)開采厚度為24 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為300 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙已發(fā)育至含水層Ⅱ，此時(shí)對(duì)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。

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