胡家河煤礦導水裂隙帶發育高度研究

閆 鑫，侯恩科，袁西亞，郝寶利

(1．西安科技大學地質與環境學院，陜西 西安 710054;2．陜西陜煤彬長礦業有限公司胡家河礦業有限公司，陜西長武 713600)

0 引言

采煤過程中，工作面覆巖在礦山壓力作用下的運動將使得巖層產生裂隙和斷裂，一旦這些裂隙和斷裂進一步發育、連通就會成為水的流動通道，如遇到含水層中的水就有可能通過導水通道導入工作面，對安全生產造成威脅。因此，分析覆巖破壞規律，特別是導水裂隙帶發育高度尤為重要。目前在這方面的研究主要使用經驗統計、類比分析、數值模擬、相似材料模擬、實測等方法。其中使用最普遍的方法是《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(簡稱《規范》)中推薦使用的經驗公式，但此公式的使用條件比較嚴格且存在一定的局限性。在某些特定開采條件下，如特厚煤層綜采放頂開采，就與實際情況存在較大偏差。相似模擬和現場實測均需一定的實驗設備，且需要耗費大量的人力、物力和財力。數值模擬方法由于具有操作方法簡單、不受環境影響、計算周期短，結果直觀性強的特點，從而成為預測特厚煤層綜采放頂開采條件下導水裂隙帶發育高度的合理選擇。

1 胡家河煤礦概況

1．1 煤礦水文地質特征

胡家河煤礦位于彬長礦區中北部涇河東岸，屬溝間黃土侵蝕地貌，主要由黃土塬、黃土梁及河谷平川組成。區內塬面較為平坦完整，周圍有河溝切割。煤礦屬鄂爾多斯中生代承壓水盆地范疇，含水基巖地層由白堊系下統(K1)、侏羅系(J)、三疊系上統(T3)組成。直接充水含水層為侏羅系延安組煤系裂隙含水層及直羅組砂巖裂隙含水層，充水含水層富水性弱，裂隙不甚發育，水量小，易于疏干。洛河組孔隙裂隙承壓含水巖組屬間接充水含水層，其厚度為265．05 ～388．85 m，平均 332．25 m，為巨厚含水層，由東南向西北變厚。巖性以紫紅～暗紫紅色中、粗粒砂巖為主，具有較強的承壓性，分布廣，厚度大，富水性較強，有可能造成突水，對煤層開采威脅較大。

1．2 4#煤層特征

侏羅系中統延安組為胡家河煤礦唯一的含煤地層，為一套內陸河流沼澤相沉積。4#煤層位于延安組下段的底部。傾角在3°以下，平均厚度約23 m，屬于近水平特厚煤層。該煤層厚度依古地貌形態差異而變化，在古隆起邊緣煤層厚度較薄，一般小于10 m，在古地形平緩區厚度穩定，一般在15 m左右，在古地形低凹區沉積厚度較大，一般在23 m左右，最大厚度28．98 m。煤層結構較簡單，一般含夾矸兩層，屬穩定煤層，大部分可采。其頂板巖性以灰～深灰色粉砂巖、泥巖為主，底板則以灰～灰褐色鋁質泥巖為主。

2 數值模型及結果分析

2．1 RFPA數值模型

RFPA是一種巖石破裂失穩過程模擬軟件，可以模擬煤層開采覆巖破壞過程和冒裂帶高度。以401105工作面工況條件和上覆巖層物理特性為依據建立數值模型，為提高計算機運行速度，對鉆孔柱狀圖中部分巖層組合進行適當簡化，簡化后的模型分為13層。模型長400 m，高250 m，工作面兩邊各取80 m的邊界。采用綜采放頂煤開采工藝，采放高度13 m，沿工作面方向推進250 m，整個模型劃分為40 000×25 000個網格。由于層理弱面會對較厚巖層產生影響，在厚巖層中預設有層理。第一步為巖體在自重作用下的平衡過程，因此從第二步開始開挖。模型水平方向及底面采用固定端約束，垂向上為自由邊界，不加約束。所建模型如圖1所示。

圖1 數值計算模型

2．2 數值模型參數的選取

數值模型中巖層按照由上向下的順序布置，其巖石的力學性質服從Weibull分布。所選取的巖石物理力學參數見表1。

表1 巖石物理力學參數

2．3 模擬結果分析

通過數值試驗，可得到受工作面采動影響采空區及上覆巖層動態發展過程的結果，選取其中具有代表性的彈性模量分布圖，如圖2所示。

從彈性模量圖中可以看出，在工作面推進20 m時，由于頂板暴露面積較小，圍巖破壞程度也較小，煤層頂板結構依然保持完整(圖2a)。隨著工作面推進，上覆巖層由于重力作用及圍巖應力狀態的變化而在開切眼附近出現零星破壞點，當工作面推進到50 m時，工作面出現初次來壓。上覆巖層開始出現變形和垮落，頂板受開采擾動在切眼處出現宏觀破壞，此時的冒落帶高度為24 m(圖2b)。推進到70 m時，頂板上覆巖層間的多個層理開裂，發生較大面積的破壞，并出現微弱的離層，此時的導水裂隙帶高度為48 m(圖2c)。推進到90 m時，巖層間的節理裂隙的存在而出現較大離層。導水裂隙帶不斷向上延伸，前期發育的離層不斷擴大，當達到某一極限值時，上部巖層垮落，使得下部離層逐漸愈合，同時在上方產生新的離層，此時的導水裂隙帶高度為116 m(圖2d)。當工作面推進到140 m時，導水裂隙帶發育至洛河組砂巖含水層，達204 m，此后隨著開采導水裂隙帶高度不再向上發展。因此，數值模擬確定的導水裂隙帶高度為204 m(圖2e)。

圖2 不同開挖量的彈性模量圖

3 導水裂隙帶高度計算與探查

3．1 導水裂隙帶高度計算

胡家河煤礦煤層頂板巖石抗壓強度為21．63～78．32 MPa，巖性中硬。根據《規范》公式計算結果，在采厚為13 m時，運用《規范》中兩個公式計算出的導水裂隙帶發育最大高度分別為58．88 m和82.11 m。

3．2 導水裂隙帶高度探查

為査明導水裂隙帶發育特征，在礦區內采用地面鉆孔沖洗液漏失量觀測方法對導水裂隙帶發育高度進行了探查。統計數據表明，鉆液在424 m之前幾無變化，在此之后鉆孔沖洗液漏失量急劇增大(圖3)，后續直至施工結束，孔內鉆液漏失量一直較大，且孔口不再返漿。因此，將孔深424 m定為導水裂隙帶頂界。由于鉆孔孔口標高為1 020 m，煤層頂部標高271 m，則導水裂隙帶發育高度為225 m。裂高采厚比為17．3。

4 結論

(1)通過RFPA數值模擬和鉆孔漏失液觀測的方法，綜合確定胡家河煤礦在綜放開采條件下，導水裂隙帶最大發育高度在225 m左右。

圖3 鉆孔沖洗液漏失量圖

(2)《規范》中沒有針對深埋特厚煤層綜放開采條件下導水裂隙帶發育高度的計算公式，鉆孔漏失液觀測的方法可以得到結果，但缺乏對發育過程的分析，而RFPA數值模擬軟件可以幫助分析導水裂隙帶的發育過程，將鉆孔探測和RFPA相結合，可以更好地分析導水裂隙帶的發育過程和發育高度。