杭來灣煤礦導水裂隙帶發育高度數值模擬研究

陳 鑫

(西安科技大學地質與環境學院，陜西省西安市，710054)

隨著國家能源開發重點的西移和經濟形勢迅速發展，近年來神府、東勝、黃陵等礦區已經開始大規模開發建設。然而煤炭資源的大量開采對礦區地質環境造成了極大破壞，給人們的生產生活帶來了難以挽回的損失。這些問題都與煤炭資源開采引起的上覆巖土體變形破壞有關，因此如何有效預測開采煤層上覆基巖的變形、開裂對上覆含水層及地表水水資源的保護以及礦山水害事故預測等具有極其重要的實際意義。導水裂隙帶是反映上覆巖層破壞情況的重要指標，同時也是水流入采空區造成各種礦井災害的重要通道，其高度是導水裂隙帶形態的直觀描述。近些年，許多專家學者對這個問題展開了深入的研究，同時也取得了大量的研究成果。我國制定的經驗公式對導水裂隙帶的高度預測是經過煤礦開采得到大量的數據總結而來，由于只考慮了煤層采厚因素，所以在實際應用中計算得到的結果與實際測量得到的結果差異較大，具有一定的局限性。在導水裂隙帶高度的研究過程中，國內外學者已經認識到經驗公式法的不足，所以各種新理論、新方法的提出使得導水裂隙帶高度的研究更加深入和準確。胡小娟等提出了煤層上覆巖層導水裂隙帶發育高度新的影響參數，即硬巖巖性比例系數,避免了現在使用的規范中各種頂板類型劃分時單軸抗壓強度統計確定問題；許家林提出了基于上覆巖層關鍵層位置的導水裂隙帶發育高度的新方法；柴華彬等建立了GA-SVR采動覆巖導水裂隙帶高度預測模型，通過實踐驗證該模型的精度能夠滿足實際要求；趙高博等通過構建巖層懸空完整力學模型、巖層懸伸破斷模型和破斷巖塊力學模型，提出綜放開采導高理論計算方法；黃萬朋等根據上覆巖層導水裂隙帶發育規律提出了上覆基巖組合結構與巖層拉伸變形計算的導水裂隙帶高度預測新方法。總體來看，現階段導水裂隙帶發育高度的研究仍然處于探索和經驗積累階段。

杭來灣煤礦位于陜北侏羅紀煤田內，煤炭資源的開采對礦區環境的影響日益嚴重，采空區面積不斷擴大，上覆基巖嚴重破壞，局部直達地表，形成地面塌陷、地面沉降、地裂縫等地質災害。同時，開采形成的上覆基巖裂隙可形成導水、充水通道，易發生礦井涌水和煤層頂板突水事故，嚴重威脅著礦井安全生產。因此，對杭來灣煤礦開采后形成的導水裂隙帶發育高度和空間形態及其分布特征進行研究，對礦山綠色安全高效開采具有十分重要的實際意義。本文以杭來灣煤礦30101工作面為研究對象，通過FLAC3D數值模擬軟件、經驗公式計算及與實測數據的對比分析等，對杭來灣煤礦開采形成的導水裂隙帶高度進行了分析和研究。

1 工作面概況

1.1 井田水文地質特征

杭來灣井田地處毛烏素沙漠東南緣，屬于沙漠與黃土高原的過渡地帶，生態環境脆弱。井田地表全部被第四系松散沉積物覆蓋，主要有第四系下更新統午城組(Q1w)、中更新統離石組(Q2l)、上更新統薩拉烏蘇組(Q31s)、全新統沖洪積層(Q41al+pl、Q42al)、風積層(Q42eol)。鉆孔揭露的地層有：侏羅系中統直羅組、延安組，下統富縣組，三疊系上統瓦窯堡組。根據井田地下水的賦存條件及水力特征，將井田地下水劃分為兩種類型：第四系松散巖類孔隙及孔隙裂隙潛水和碎屑巖類裂隙水。

杭來灣煤礦30101綜采工作面所屬盤區為一盤區，長度299.5 m。推進方向沿煤層傾向。推進長度4252 m，地質儲量為827.8萬t。煤層厚度8.27～10.41 m，平均厚度9.13 m，煤層傾向為西南至東北，傾角為0.5°，埋深115.9～268.05 m，平均埋深230 m。杭來灣煤礦煤層地質特征為淺埋、薄層、中厚基巖和厚風積沙覆蓋層的復雜地層，基巖厚度52.87～234.8 m，平均厚度150 m。松散層厚度60～90 m，平均厚度80 m。直接頂厚度0.9～14.23 m，以粉砂巖、泥巖為主，少量細粒-粗粒長石砂巖。基本頂的厚度為14.5～49.86 m，其巖性主要為中細粒砂巖。底板厚度0.22～10.25 m，主要為粉砂巖，砂巖巖性強度較大，巖層主要為塊狀構造和水平層理。

1.2 3號主采煤層特征

杭來灣煤礦的主采煤層為3號煤層，位于延安組第三段頂部，全煤礦可采，可采煤厚度4.85～11.90 m，平均厚度8.36 m，煤層厚度標準離差1.34，變異系數16.08%。工程控制底板標高1004.72～1066.88 m，煤層從東南向西北緩傾斜，傾角約0.5°；埋深115.90～268.05 m。上覆基巖厚度52.87～234.80 m，由南向北、由西向東埋深逐漸增大。煤層結構簡單，西部出現下分叉，下分叉厚度小于0.3 m。直接頂板主要由粉砂巖和泥巖組成，還有少量細粒—粗粒長石砂巖。直接底板主要由粉砂巖和泥巖組成，含少量細—粗砂巖和炭質泥巖。該煤層層位穩定，厚度變化小，煤質變化不大，全煤礦可采，屬全區可采的穩定型厚級煤層。

2 導水裂隙帶發育高度數值模擬

2.1 模型建立

此次數值模擬以杭來灣煤礦30101工作面的開采條件為依據，模型沿X方向1000 m，Y方向長350 m，Z方向長290 m，煤層上覆巖土層共13層，煤層厚度9 m，采高4.5 m，模型網格規格為10 m×10 m，試驗采用摩爾-庫倫準則，模型左右及前后邊界為單邊約束，底邊界為全約束，上邊界為自由邊界。

2.2 模型參數

此次數值模擬試驗中，模型中巖層的力學參數參考由本煤礦勘察報告中實驗室測定結果確定，如果某個巖層沒有試驗實測數據，根據本區相鄰三號煤采區或相鄰礦井的巖石物理力學參數進行類比，從而確定杭來灣煤礦30101工作面的上覆巖層的物理力學參數見表1。

表1 上覆巖層及煤層物理力學參數

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。

2.4 模擬結果

通常，當上覆巖層處于垮落和離層破壞嚴重時，就失去了對應力的抵抗作用，但由于存在壓力拱，破碎巖體仍然具有一定的支撐能力，垮落穩定后巖體上部承受來自裂隙帶的壓應力，下部為拉應力，這個區域為冒落帶；裂隙帶的巖層雖然處于塑性破壞狀態，裂隙發育，但是基本上保持原有的連續性，在采空區中部巖層仍然具有一定的承受壓力的能力；裂隙帶頂部到地表，由于巖體自重產生彎曲變形但變形面不再破裂，稱為彎曲下沉帶。然而在采空區邊緣，由于存在保水煤柱，巖體處于拉應力區，裂隙完全發育，裂隙帶在這里是最發達的。

工作面不同推進距離時上覆巖層塑性區分布如圖1所示。由圖1可以看出，當工作面推進至100 m時，模型采空區上方頂板出現了拉張破壞，采空區上覆巖層破壞的塑性區發育高度達到36.3 m。當工作面推進至300 m時，破壞類型仍然以拉張破壞為主，同時采空區兩端邊緣處出現剪切破壞。隨著工作面的不斷向前推進，上覆巖層塑性區的破壞不斷向兩端且向上發展，當工作面推進至400 m時，采空區上覆巖層破壞的塑性區發育高度達到75.5 m，采空區開切眼和停采線上方基巖開始出現塑性區，并以此作為導水裂隙帶發育的最低高度，采空區兩端的塑性區開始向上延伸橫向延展且高于中間部分，破壞類型為拉張-剪切破壞。當工作面推進至560 m時，破壞高度達到最大值即117.5 m，且隨著工作面的不斷向前推進，采空區上覆巖層破壞的塑性區發育高度不再發生變化，主要是以橫向延展為主。煤層上覆基巖破壞未達到紅土層。根據“塑性區法”，塑性區發育的最大高度與導水裂隙帶發育高度是相當的，故認為導水裂隙帶發育高度的最大值為117.5 m。當工作面推進至600 m時，上覆巖層破壞高度保持117.5 m。

為了進一步更好地掌握導水裂隙帶的發育規律，從模型中提取出開挖每一步的導水裂隙帶高度制成導水裂隙帶發育高度圖，如圖2所示。由圖2可以看出，工作面的不斷推進直接影響著導水裂隙帶的發育高度。隨著煤層的開采、上覆基巖的沉降、破壞以及分離層的形成，存在導水裂隙帶從開始發生-發展-最大高度-回降-穩定的過程。當工作面推進至20 m之后，裂隙帶逐漸發生，高度為10.8 m；工作面推進到100 m之前，上覆基巖的破壞范圍逐漸擴大，但裂隙帶高度仍然發育較緩慢；工作面推進到100～120 m之間，裂隙帶高度由36.3 m上升至49.3 m，此階段裂隙帶的發育幾乎與工作面推進距離呈直線關系。由此可見，開挖初期，上覆基巖先發生變形彎曲，裂隙帶開始出現，且緩慢發育，再往后開挖，煤層頂板垮落，隨著工作面推進，煤層上覆基巖多個層理開裂，導水裂隙帶不斷向上發育；開采220 m后，基巖發生整體移動，導水裂隙帶高度成直線上升。當工作面推進至560 m時，導水裂隙帶高度基本達到最大值117.5 m；隨著工作面繼續推進到600 m，導水裂隙帶高度基本穩定在最大高度；期間由于已經破壞的覆巖受到開采擾動，部分裂隙會壓實閉合，所以導水裂隙帶高度略有回降，隨后又穩定在117.5 m左右。

3 導水裂隙帶高度對比分析

3.1 經驗公式計算

根據《礦區水文地質工程地質勘探規范》(GB12719-91)(以下簡稱《規范》)中的中硬巖類冒落帶、導水裂隙帶最大高度經驗計算公式：

(1)

式中：H導——導水裂隙帶最大高度，m；

∑M——累計采厚，m；

n——開采層數，n取1。

圖1 工作面不同推進距離時上覆巖層塑性區分布

圖2 導水裂隙帶發育高度圖

研究區內主采3號煤層厚度為4.85～11.90 m，代入上述公式得到煤層開采后形成的導水裂隙帶高度為73.41～172.71 m，是采高的16.31～38.38倍。

3.2 鉆孔實測

2013-2015年，陜西省煤田地質局一八五隊開展“陜北煤炭開采區采動損害調查項目”，在杭來灣煤礦30101工作面及外圍施工了8個“三帶”探測鉆孔。

杭來灣煤礦30101工作面開采3號煤層，探測時至回采時已達1年以上，采空區覆巖變形已完全穩定。鉆孔布置在30101工作面的采空區中心、切眼內外側10 m及工作面平巷內外側。探測結果如下：杭來灣煤礦煤層采厚為4.5 m時，導水裂隙帶高度為93.87～114.38 m，為煤層采厚的19.40～25.42倍；冒落帶高度為19.40～28.70 m，為煤層采高的4.31～6.38倍，如表2所示。

表2 杭來灣煤礦探測結果

3.3 對比結果分析

根據以上分析，利用數值模擬、經驗公式計算及實測的杭來灣煤礦30101工作面上覆基巖導水裂隙帶高度如表3所示。通過對比分析可以得到，利用經驗公式法計算的裂隙帶高度與鉆孔實測值相差比較大，這可能是因為導水裂隙帶發育高度受多種因素的影響，而《規范》中僅僅只考慮了煤層采厚，故具有一定的局限性。而基于數值模擬計算方法得到導水裂隙帶高度與實測值基本吻合，因為約束條件增加，動態模擬上覆巖層破壞過程及破壞范圍，故可以更準確的預測。在實際煤層開采過程中，上覆巖層會產生裂隙，導致力無法向四周傳遞從而使覆巖破壞得到阻礙，由于FLAC3D中是連續介質，無法真實模擬上覆巖層的這種性質，數值模擬中覆巖所受的各種力都比真實情況下大，所以用數值模擬法得到的導水裂隙帶高度比實測值偏大。

表3 不同方法結果對比

4 結論

(1)通過模擬分析，杭來灣煤礦導水裂隙帶發育高度為75.5～117.5 m，這比利用經驗公式計算所得結果更加接近于實測裂隙帶高度，因此論文對杭來灣煤礦導水裂隙帶高度的數值模擬結論具有較高的生產指導意義。

(2)數值模擬可以盡可能多的考慮多種約束條件，動態模擬煤層上覆巖層的破壞類型和范圍，同時也具有周期短，操作簡單，模擬結果具有較強的可視性等優點，可為煤礦開采上覆巖層變形破壞的范圍及特征分析研究提供有力的支撐。