洛河組砂巖含水層下大采高工作面導水斷裂帶演化規律

楊玉亮，徐祝賀

（1.山西大同大學 煤炭工程學院，山西 大同037003；2.中國礦業大學（北京）能源與礦業學院，北京100083）

“三下一上”壓煤問題一直是制約我國煤礦安全高效發展的重大技術難題，其中水體及含水層下開采尤為顯著[1-4]，白惡系洛河組砂巖裂隙含水層覆蓋地區對水體下安全采煤受到不同程度的威脅。同時大采高采煤法一次開采煤炭體積較大，使工作面的上覆巖層活動規律及結構特點相對以往的開采方式發生了較大的變化，會導致礦壓顯現劇烈、采動破壞高度增加、煤礦地質災害頻發等現象，對含水層下安全高效采煤產生重大影響[5-7]。

含水層下安全采煤問題主要為開采過程中覆巖破斷后各向裂縫動態發育高度及裂隙導通與否，導通裂縫是否發育至上覆含水巖層作為保水開采的評判標準[8-10]。錢鳴高院士、劉天泉院士等[11-12]通過相似材料模擬及現場分析認為在采空區裂隙場存在“橫三區”、“豎三帶”的特征；李樹剛等[13-14]運用物理相似模擬和理論分析研究了近距離煤層重復采動引起的覆巖裂隙演化特征，得出上覆巖層在重復采動條件下將產生離層、破斷裂隙，并闡明了覆巖裂隙產生、擴張、壓實、再擴張、再壓實5 個動態變化過程；王新豐等[15]以淮南礦區3 個深井工作面為研究背景，探討了采動應力場、覆巖位移場以及頂板裂隙場的動態響應機制，指出覆巖裂隙的時空演變過程為卸壓失穩、張裂破壞、萎縮變小及擬合封閉。前期研究成果分析了不同開采條件下覆巖裂隙演化規律，但基于洛河組砂巖裂隙含水層下開采的覆巖破斷特征及導水斷裂帶演化規律研究鮮有報道。為此，針對旬耀礦區1109 大采高工作面工程地質情況，通過理論分析、相似材料試驗和數值計算對開采引起的覆巖破斷、裂隙演化特征、導水斷裂高度及分布形態進行研究。各種研究手段所得結論相互驗證，從而確定合理的導水斷裂帶高度。

1 礦井概況

旬耀礦區位于黃隴侏羅紀煤田中段，據其地表及鉆孔揭露，礦區主要含水層依據賦水特征可分為2 大類：松散層孔隙地下水和基巖裂隙地下水。某礦4#煤層頂板含水層分布如圖1。

主要富水覆巖為洛河組砂巖裂隙含水層，厚度180～260 m，巖性為中粒砂巖，層理裂隙較發育；次要富水覆巖為煤層頂板直羅組下段砂巖裂隙含水層，厚度為0～59 m，巖性為中粗粒砂巖。1109 工作面設計開采一水平延安組4#煤，煤層結構較簡單，平均煤厚約4.5 m，煤層平均傾角約5°，平均埋深約400 m，采用大采高一次采全厚采煤法。該工作面東側為一采區下山保護煤柱，南側為1107 工作面，西側為采區邊界保護煤柱，北側為設計1111 工作面（未開采區）。

圖1 4#煤層頂板含水層分布Fig.1 Distribution of roof aquifer of No.4 coal seam

2 基于關鍵層理論的導水斷裂帶高度確定

2.1 關鍵層垮落步距

通過計算各巖層所受載荷的大小分析頂板是否斷裂，判斷出巖層是否為堅硬巖層，再結合堅硬巖層的初次垮落步距判斷是否為關鍵層。為了降低分析問題的難度，簡化的計算載荷示意圖如圖2。

圖2 計算載荷示意圖Fig.2 The diagram of the computational load

（qn）i為第n 層對第i 層產生影響時形成的載荷，由此得各巖層載荷公式：

式中：hi為各巖層厚度（i=1，2，3，…，m）；ρi為各巖層密度（i=1，2，3，…，m）；Ei為各巖層彈性模量（i=1，2，3，…，n）。

當（qi+n-1）i<（qi+n）i時，第i 層巖層所受的載荷取（qi+n）i。按“梁理論”計算垮落步距的公式，則第i 層巖層為：

式中：ai、aiz為i 層巖層初次和周期垮落步距；σti為i 層巖層抗拉強度。

當ai≥ai+1，ai≥ai+2，…，ai≥ai+j時，則第i 層之上的各巖層與i 巖層為同步垮落（j=1，2，3，…，i-1）；當ai

2.2 工作面頂板各巖層下部自由空間高度

工作面推進過程中，用全部垮落法管理頂板時采空區破斷覆巖上部會產生1 個自由空間。由于巖石的碎脹性，上覆巖層的移動、垮落會不斷充滿自由空間。當工作面推進到某個位置時，覆巖的下沉與垮落與已破斷巖層相互接觸并逐步壓實，致使垮落巖層的碎脹趨于殘余碎脹系數。因此，垮落帶與斷裂帶的巖層破斷會發生碎脹，彎曲下沉帶不會導致體積上的變化。各覆巖下的自由空間高度可由如下公式計算：

式中：△i為第i 層巖層下的自由空間高度；M為煤層采高；hj為第j 層巖層的厚度；kj為第j 層巖石的殘余碎脹系數。

各巖層垮落步距及下部自由空間高度見表1。隨著工作面不斷向前推進，導水斷裂帶動態發育高度逐漸增加，綜合分析各巖層的初次垮落步距、周期垮落步距確定亞關鍵層的具體位置，再結合下部自由空間高度進行分析，確定導水斷裂帶最終發育高度為82.1 m。

3 覆巖破斷及裂隙演化相似模擬試驗

3.1 模擬相似參數

為揭示洛河組砂巖裂隙含水層下厚煤層大采高工作面覆巖破斷及裂隙演化特征，依托某礦1109 工作面鉆孔綜合柱狀圖及巖層物理力學參數進行相似材料模擬試驗。模型試驗架選用：2.5 m×0.2 m×2 m，物理相似模型基本參數見表2。

模型在鋪設過程中覆巖如有2 層巖層巖性相近或有些巖層比較薄，可按附近巖層巖性處理。按照一定的配比建立平面的模擬試驗全景如圖3。

3.2 覆巖破斷及裂隙動態演化特征

1）工作面開采90 m，基本頂裂隙增多，且張開量逐漸增大，約5 min 后基本頂初次垮落，來壓步距約72 m?；卷敵醮蝸韷喝鐖D4?；卷敯l生初次來壓時，因工作面采高大，而直接頂垮落厚度小，其垮落所形成的散體巖塊不能充滿采空區，導致基本頂回轉失穩，對工作面產生較大沖擊。基本頂破斷后，在靠近切眼和煤壁的端部出現了和水平方向呈一定角度斜向上的縱向裂隙，這些裂隙是導通上部含水層的滲水通道。基本頂發生斷裂后其上方的覆巖失去支撐發生彎曲下沉，在中部出現縱向拉裂隙。此時導水斷裂帶發育高度為16.1 m。

表1 各巖層垮落步距及下部自由空間高度Table 1 The caving step distance and the lower free space height of each rock stratum

表2 物理相似模型基本參數Table 2 Basic parameters of physical similarity model

圖3 模型試驗全景Fig.3 Model test panorama

圖4 基本頂初次來壓Fig.4 First pressure of basic roof

2）工作面開采115 m，基本頂出現周期來壓，來壓步距約25 m。上覆巖層離層裂隙較大，16 m 厚的粉砂巖呈現出關鍵層的承載特性。基本頂周期破斷形成典型的懸臂梁結構，破斷線在工作面煤壁上方貫通裂隙處開裂，呈上開下閉合狀況。此時，煤壁上方縱向裂隙劇烈向上發育，基本頂周期來壓如圖5。

圖5 基本頂周期來壓Fig.5 The periodic pressure of basic roof

3）工作面開采135 m，亞關鍵層1 初次破斷，破斷步距達80 m。關鍵層承載的上位強度較低的巖層隨其發生彎曲下沉，下位巖層同步破斷回轉垮落至采空區，在開切眼及工作面上方離層裂隙發育明顯。此時導水斷裂帶發育高度為42.4 m，煤壁側巖層垮落角為52°，亞關鍵層1 初次破斷如圖6。

4）工作面開采160 m，亞關鍵層1 發生周期破斷，破斷步距約30 m。亞關鍵層3 發生初次破斷，破斷步距約70 m。導水斷裂帶發育高度為64 m，亞關鍵層3 初次破斷如圖7。此時裂隙區域主要分布在左右兩端及覆巖最上端，采空區中部壓實區形成“拋物線”狀包圍。左右兩側裂隙沿著垮落角斜邊基本保持一致的方向斜向上延展，開采區域兩端的裂隙以斜交裂隙為主，上方主要是離層裂隙，巖層破斷角約為55°。

圖6 亞關鍵層1 初次破斷Fig.6 Primary rupture of subcritical layer 1

圖7 亞關鍵層3 初次破斷Fig.7 Primary rupture of subcritical layer 3

5）工作面開采180 m，亞關鍵層4 初次破斷，破斷步距約85 m，亞關鍵層4 初次破斷如圖8。裂隙導通區域位于斷裂帶的上部、工作面煤壁上方及開切眼上方，而采空區中部裂隙基本閉合。導水斷裂帶高度約為82.1 m。

圖8 亞關鍵層4 初次破斷Fig.8 Primary rupture of subcritical layer 4

6）工作面開采210 m，導水斷裂帶未繼續向上發育，已達充分采動，試驗最終巖層垮落形態如圖9。裂隙發育終止于直羅組上位巖層，宜君組巨厚層狀砂礫巖起到良好的隔水層作用。

圖9 試驗最終巖層垮落形態Fig.9 The final breakage form of rock formations

4 覆巖破斷及裂隙演化數值模擬

依據1109 工作面實際地質條件及開采狀況，建立UDEC 數值計算模型，分析工作面沿煤層走向方向覆巖破斷及裂隙演化規律，數值計算模型如圖10。模型尺寸：長×高=280 m×120 m，采高4.5 m，左右邊界各留30 m 保護煤柱來消除邊界的影響。模型上部至地表覆巖以均布載荷形式施加在數值模型的上邊界。塊體按照長壁開采的裂隙發展規律進行劃分，分布開挖，每步5 m，共挖220 m。

圖10 UDEC 模型示意圖Fig.10 UDEC model sketch

開采不同距離時裂隙發育過程如圖11。

從圖11 可以看出：

1）工作面開采30 m，直接頂有明顯的斷裂，頂板拉應力為主，在煤壁處產生屈服破壞。在工作面前方實體煤中產生了應力集中，垂直應力集中系數為2。

2）工作面開采90 m，基本頂初次破斷，導水斷裂帶發育高度為16 m，垮落巖層未能充滿采空區。頂板橫向裂隙發育至頂板16 m 厚的粉砂巖之上，但裂隙未導通，同時工作面前方也產生裂隙。頂板處塑性區范圍增大。

3）工作面開采130 m，基本頂再次破斷垮落，工作面出現周期來壓，來壓步距為25 m 左右。16 m 厚的粉砂巖亞關鍵層1 發生破斷，形成鉸接結構，受關鍵層控制的上覆巖層明顯有整體下沉變化趨勢。

4）工作面開采150 m，采空區上方頂板下沉垮落較大，隨著覆巖動態破壞移動，采空區中部的巖層逐步被壓實，裂隙張開量逐漸變小，橫向裂隙基本沒有再向上發育，而縱向裂隙發育較多，此時亞關鍵層3 破斷。

5）工作面開采180 m，工作面基本頂多次周期來壓，亞關鍵層1 與亞關鍵層2 發生周期性的破斷，形成了較穩定的鉸接結構。中部裂隙基本壓實閉合，導水貫通裂隙僅在開切眼和工作面煤壁處的巖層中向斜上方發育，但已基本趨于穩定。

6）工作面開采220 m，采空區導水斷裂帶發育高度終止于宜君組下位巖層，高度約85 m。覆巖破斷與裂隙演化規律和理論分析、物理模擬研究的結果基本一致。

5 結 論

1）上覆巖層經歷了直接頂破斷、基本頂初次破斷和周期破斷、亞關鍵層初次破斷和周期破斷5 個過程，在這個過程中產生離層裂隙和縱向裂隙，且在每次破斷后工作面煤壁上方裂隙密度和裂隙張開量均發生躍變。

2）從開切眼到充分采動的過程中，采空區中部斷裂帶內裂隙經歷了孕育、產生、張開、閉合、壓實5個動態階段，導水貫通裂隙在斷裂帶的上部、工作面煤壁上方及開切眼上方較為發育，發育的裂隙區近似“拋物線”狀，將壓實區包圍。即采空區中部覆巖中的裂隙會閉合而邊界處裂隙不易閉合。

3）工作面充分采動后，導水斷裂帶發育高度約82～85 m，未導通上覆洛河組砂巖。模擬結果也驗證了基于關鍵位置的導高判別方法的正確性及其在旬耀礦區洛河組砂巖條件下的適用性。