靈新煤礦導水裂隙帶發育高度數值模擬研究

張小五， 陳 鑫， 蘆 震

(1.寧夏回族自治區煤炭地質勘查院，寧夏 銀川 750001； 2.西安科技大學地質與環境學院，陜西 西安 710054)

0 引言

煤炭資源作為寧夏回族自治區的優勢礦產資源，煤炭開采給當地的經濟發展帶來了巨大的收益，然而許多環境地質問題也隨之而來，如破壞地下水源、水土流失加重、人居環境惡化、植被破壞嚴重、地質災害頻發等，給人們的生產生活帶來了難以挽回的損失。同時，煤炭開采過程中會引發礦井涌水和煤層頂板突水事故，對煤礦的經濟效益和礦井工人的生命安全造成嚴重威脅。這些安全事故的發生與煤層上覆巖層變形破壞有著密切的關系，而導水裂隙帶發育情況是反映上覆巖層破壞的重要指標，也是礦井涌水和煤層頂板突水事故發生的重要通道。因此，探明煤層開采上覆巖層破壞變形特征及導水裂隙帶發育高度對煤層安全開采具有極其重要的意義。

關于這一問題，許多專家學者已經展開了深入的研究且取得了大量的研究成果[1-8]。許武等[9]通過對現已有的導水裂隙帶高度經驗公式的適應性和可信性進行探討，提出了能夠反映導水裂隙帶高度和開采強度關系的經驗公式，并就榆樹灣井田導水裂隙帶發育規律進行了深入研究。楊勇國等[10]從影響導水裂隙帶發育高度的不同影響因素進行分析、量化，提出了預測導水裂隙帶發育高度的層次分析-模糊聚類分析方法，并通過實例驗證了該方法的合理性。張建民等[11]采用系統理論與模擬相結合的方法，建立采動-爆裂模型對山東興隆莊礦區進行了實例應用和分析，結果表明導水裂隙帶計算高度與實測數據的平均相對誤差為8.8%，預測結果相對較好。邵良杉等[12]采用隨機森林回歸算法篩選出影響導水裂隙帶發育高度的主要因素，借助遺傳算法優化篩選后的2個關鍵因素，建立遺傳算法-隨機森林回歸算法(QGA-RFR)的導水裂隙帶高度預測模型，并對模型的合理性進行了實例檢驗。從以上可以看出，雖然目前對導水裂隙帶發育高度的研究成果眾多，但仍然處于經驗積累和探索階段。

靈新煤礦地處黃河上游、毛烏素沙地南緣，生態環境脆弱，煤礦開采對礦區及周圍居民生活環境造成了嚴重影響，同時煤層開采形成的裂隙帶成為礦井涌水、煤層頂板突水的重要通道，時刻威脅著井下工人的生命安全。因此，開展煤層上覆基巖變形破壞特征及導水裂隙帶發育高度研究，對煤礦合理安全開采具有重要的實際意義。本論文以靈新煤礦051505工作面為研究對象，利用Flac3D數值模擬、經驗公式、鉆孔實測等方法，通過分析不同方法的結果差異對靈新煤礦導水裂隙帶發育高度進行了深入研究。

1 地質條件及主采煤層特征

靈新煤礦位于寧夏回族自治區靈武市磁窯堡鎮境內，西部、北部以煤層露頭為界，東部以向斜軸為界，南部為人為邊界，以13勘探線與磁窯堡煤礦為界。礦井南北走向長11 km，平均傾向寬2.4 km，面積27.5 km2。全礦井劃分為6個采區，其中一至五采區為上山采區，六采區為下山采區。截止2012年末，礦井實際期末保有資源儲量17749.8萬t。

靈新煤礦整體為一簡單的向斜構造，是一個蓄水構造，生產采區屬于單斜構造，東陡西緩，地形總的趨勢南高北低，四周高，中間低，受水面積大，有利于地下水及地表水的匯集。地表多被風積沙覆蓋，有利于大氣降水的匯集和入滲，第四系風積沙層中地下水沿河谷以下降泉形式向西天河排泄。根據井田含水層和礦井的水文地質特征，靈新煤礦共分為第四系含水層組、侏羅系中統直羅組砂巖含水層組、侏羅系中下統延安組砂巖含水層組。礦區為侏羅系陸相含煤地層，巖性變化大，而煤層頂、底板多為泥巖及粉砂巖組成，巖性致密，與煤層本身形成良好的隔水層，但大多數不穩定，據統計較為穩定的隔水層有：直羅組底部隔水層、2號煤層頂底板粉砂巖及泥巖隔水層、7號煤層至8號煤層底板粉砂巖及泥巖隔水層、13號煤層頂板瀝青質泥巖隔水層、15號煤層頂底板粉砂巖及泥巖隔水層。

靈新煤礦的主采煤層為14號煤層，屬中厚煤層，平均厚度2.8 m，煤層采厚2.5 m，煤層傾角8.8°～12.0°，結構簡單，層狀構造，硬度小。煤層直接頂為泥巖，深灰色、厚層狀；上部為粉細砂巖互層，礦物成分石英為主，長石、云母次之；上覆含水層厚58.20～132.93 m，巖性以灰、灰白色細粒砂巖為主，中粒砂巖次之。

2 導水裂隙帶發育高度數值模擬

2.1 模型建立

此次數值模擬以靈新煤礦051505工作面的開采條件為依據，模型沿X方向500 m，Y方向長150 m，Z方向長97 m，煤層上覆巖土層共9層，煤層厚度2.5 m，采高2.5 m，整個模型由29700個單元組成，有313100個節點數，模型網格規格為5 m×5 m，模型如圖1所示。試驗采用Mohr-Coulomb準則，模型約束條件為：上邊界為自由邊界，底邊界為全約束，左右邊界為單邊約束[13]。

圖1 三維地質模型Fig.1 3-D geological model

2.2 模型參數

本次Flac3D數值模擬試驗中，煤層上覆基巖的力學參數參考煤礦勘察報告中實驗室測定結果確定，且模擬13號煤層與14號煤層間上覆巖層塑性變形破壞過程，若某個巖層缺失實測數據，則根據本礦區相鄰礦井的巖石物理力學參數進行類比，從而確定靈新煤礦051505工作面上覆基巖的物理力學參數，如表1所示。

表1 上覆巖層及煤層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parametersof overlying strata and coal seams

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。開挖時在如圖2所示的模型中，按從左到右進行開挖。在進行模型開挖計算前，需要對建立的模型進行初始平衡力計算，通過計算，使得巖層處于原巖應力狀態。最大不平衡力見圖3。

圖2 模型開挖方向Fig.2 Excavating direction in the model

2.4 模擬結果

由于塑性區發育的最大高度可以反映煤層上覆基巖導水裂隙帶發育高度[14]，故本實驗采用“塑性區”法來分析煤礦開采過程中導水裂隙帶發育高度。如圖4所示，工作面推進到100 m時(圖4a)，煤層上覆巖層中導水裂隙帶高度為11.5 m，煤層上方基巖破壞變形中部以剪切-拉張破壞為主，兩端以剪切

圖3 最大不平衡力Fig.3 Maximum unbalanced force

破壞為主；隨著工作面繼續推進，煤層開挖到200 m時(圖4b)，導水裂隙帶高度為35.5 m，上覆基巖破壞以橫向延展為主，破壞類型為剪切-拉張，采空區兩端以剪切破壞為主且向上發展；當工作面推進至300 m時(圖4c)，上覆巖層破壞連續性較好，導水裂隙帶高度為50.5 m；當工作面推進至380 m時(圖4d)，采空區左上方塑性變形區貫通，導水裂隙帶高度達到59.5 m，上覆基巖破壞類型與開挖至300 m時一致，且隨著煤層400 m(圖4e)開挖完成，導水裂隙帶高度處于穩定狀態，故認為59.5 m為此次數值模擬導水裂隙帶高度的最大值。

為了進一步反映模型計算過程中導水裂隙帶高度的變化情況，遂從每一步開挖完成圖中提取高度，制成圖5。從圖5中可以看出，導水裂隙帶高度發育符合從發生到發展再到最大高度、回降最終穩定的全過程。煤層上覆基巖破壞范圍從開始的緩慢沉降、破壞到突然呈直線性上升，可以看出煤層開采導致上覆頂板破壞嚴重，故裂隙帶高度也隨之增高，而后由于頂板不斷垮落，基巖間隙不斷壓實，裂隙帶高度會略有回降，最終導水裂隙帶高度穩定在59.5 m。

3 導水裂隙帶發育高度對比分析

3.1 經驗公式法

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(安監總煤裝〔2017〕66號)(簡稱《開采規范》) 中煤層導水裂隙帶最大高度計算公式[15-16]：

(1)

式中：H導——導水裂隙帶最大高度，m；∑M——累計采厚，m。

圖4 工作面不同推進距離時上覆巖層塑性區分布Fig.4 Distribution of plastic zone in overburden strata at differentadvance distances of the working face

靈新煤礦14號煤層開采厚度為2.5 m，代入式(1)得到煤層開采后導水裂隙帶高度為27.3～38.5m，裂采比為10.92～15.4。

圖5 導水裂隙帶發育高度Fig.5 Height of the water flowing fractured zone

根據《礦區水文地質工程地質勘探規范》 (GB 12719-1991) (簡稱《勘探規范》)[17]中煤層導水裂隙帶最大高度計算公式：

(2)

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。

將煤層采厚2.5 m代入式(2)得到煤層開采后導水裂隙帶高度為40.3 m，裂采比為16.1。

3.2 鉆孔實測法

3.2.1 沖洗液消耗觀測

根據LD1孔沖洗液消耗觀測數據(見圖6)，鉆至148.4m處沖洗液漏失量開始顯著增加，并且呈現出隨著鉆孔深度增加而增大的趨勢。另外，鉆孔水位在上鉆后至下鉆前的時間段內，水位下降幅度顯著增大。因此，根據沖洗液消耗觀測結果判定14號煤層導水裂縫帶頂點深度為：孔深148.4m處，導水裂隙帶發育高度55.6 m。

圖6 LD1孔單位時間沖洗液消耗量與深度關系曲線Fig.6 Curve of fluid consumption per unit time vs depthof Borehole LD1

3.2.2 鉆孔彩色電視觀測

野外鉆探施工結束后，神華寧煤集團于2014年3月28日對LD1孔進行了鉆孔彩色電視觀測，采用GD3Q-A/B型鉆孔全孔壁成像系統，利用360°成像技術對鉆孔內孔壁進行拍照，鉆孔成像過程中，用計算機對圖像進行采集處理，形成連續的全孔壁展開圖像，觀測現場見圖7。

圖7 彩色電視觀測現場Fig.7 Color TV observation site

根據鉆孔彩色電視觀測結果(見圖8)，LD1孔從146.4 m開始出現連續裂隙，故將孔深146.4 m判定為14號煤層導水裂縫帶頂點，導水裂隙帶發育高度為57.6 m，且孔深從188.4 m開始，巖體破壞嚴重，裂隙發育縱橫交錯，鉆孔底部可見各種巖性松散堆積，雜亂且無規律，可見是上部地層垮落后重新堆積的特征。故將孔深188.4 m處判定為14號煤層垮落帶頂點。

綜上所述，鉆孔實測法得到的導水裂隙帶高度為55.6～57.6 m，采裂比為22.24～23.04。

3.3 不同方法結果對比分析

根據以上分析，利用經驗公式法、鉆孔實測法、數值模擬法得到的靈新煤礦051505工作面上覆基巖導水裂隙帶高度見表2所示。通過對比分析可以得到，由于煤層上覆巖層導水裂隙帶發育高度的因素不僅受煤層采厚影響，還受煤層開采的方法、工作面斜長、上覆巖層物理力學參數及采煤推進速度等因素影響，所以利用經驗公式法計算的導水裂隙帶高度與鉆孔實測值相差比較大，而《開采規范》和《勘探規范》中僅僅只考慮了單一因素，故具有一定的局限性。通過數值模擬方法得到的導水裂隙帶高度與鉆孔實測值基本吻合，由于計算約束條件增加，動態模擬上覆巖層變形破壞過程，故模擬結果更接近真實值，更合理。而由于Flac3D模擬軟件中是連續介質，無法真實模擬上覆巖層破壞后產生的裂隙阻礙力的傳遞，所以數值模擬中上覆基巖所受的各種力都比現實情況下大，故采用數值模擬方法得到的導水裂隙帶高度比實測值偏大[18]。

圖8 LD1孔彩色電視觀測結果Fig.8 Color TV observation results of Borehole LD1

表2 不同方法導水裂隙帶發育高度Table 2 Height of the water flowing fractured zoneby different methods

4 結論

(1)根據《開采規范》和《勘探規范》得到的導水裂隙帶高度由于考慮因素單一，其合理性和可行性都大大降低，而數值模擬方法通過實地勘察資料建立模型，約束條件增加，得到導水裂隙帶最大高度為59.5 m，與鉆孔實測結果基本接近，故數值模擬方法對煤礦合理開采具有較高的科學依據。

(2)導水裂隙帶高度除了受煤層采厚影響，還受煤層開采方式、上覆基巖物理力學參數和結構特征、煤層頂板管理方式、時間等因素影響，數值模擬方法彌補了經驗公式方法中的不足，動態模擬煤層開采過程中上覆基巖變形破壞的范圍及塑性分布情況，導水裂隙帶高度模擬結果更接近實測值，其高效、簡單、合理的優點對煤礦確定開采上限，提高煤炭資源利用率具有一定的現實價值。