綜放開采覆巖破壞特征與導水斷裂帶高度模擬研究

劉卓然，趙高博

(1.天地科技股份有限公司，北京 100020；2.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；3.遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 125105)

煤炭開采后必然會引起上覆巖層的破壞、應力場與裂隙場的變化，形成導水斷裂帶(包括垮落帶與斷裂帶)[1-2]。而綜放開采誘發的覆巖破壞更加劇烈，其覆巖移動規律特殊性明顯，研究綜放開采覆巖破壞特征與導水斷裂帶高度對水體下采煤、瓦斯治理的保護層開采等的影響均具有重要意義[3-6]。

目前，錢鳴高院士與宋振騏院士分別提出的“砌體梁”結構模型[7]與“傳遞巖梁”結構模型[8]，為國內外學者研究采動覆巖破壞特征提供了重要的思路。另外，許家林等[9-10]基于“關鍵層”理論，研究了不同覆巖結構類型下的覆巖破壞特征與關鍵層失穩機制；郭文兵等[11-12]提出了覆巖破壞充分采動程度的概念、定義及理論判別方法，對研究導水斷裂帶發育最大高度具有重要意義；王金安等[13]通過數值模擬方法研究表明，淺埋堅硬覆巖開采條件下采場上方存在“復合壓力拱”結構；高延法[14]、黃萬朋[15]等研究了覆巖裂縫與巖層拉伸變形的關系，提出了一種考慮覆巖組合結構與巖層拉伸變形的覆巖破壞高度預計方法；張宏偉等[16]采用物理探測、數值模擬與微震監測等綜合方法，研究了覆巖破壞高度；黃歡等[17]運用偏最小二乘回歸法，計算了導水斷裂帶高度；郭小銘等[18]采用現場實測方法，研究了強沖擊礦壓礦井綜放開采覆巖破壞高度。

上述學者對綜放開采覆巖破壞特征或導水斷裂帶高度都從單方面進行了較為充分的研究，但僅有少數學者從兩方面進行綜合研究。筆者基于盛泰煤礦15201綜放工作面地質條件，采用理論分析與數值模擬方法，研究綜放開采覆巖破壞特征與導水斷裂帶最大發育高度，以期為我國類似地質條件礦區的巖層移動規律研究提供參考。

1 盛泰煤礦15201綜放工作面概況

盛泰煤礦15201綜放工作面走向長2 610 m，傾向長200 m，煤層平均厚度為4 m，工作面開采深度約為210 m。直接頂灰巖厚度為6.0～10.2 m，巖性堅硬，基本頂礦壓顯現強烈。底板為泥巖、細砂巖，厚度為1.4～10.2 m，屬于松軟類底板。煤層頂底板特征如表1所示。

表1 煤層頂底板特征情況

分析礦井水文地質柱狀圖與采掘過程中實際揭露地質情況，可知15201綜放工作面共有4個含水層會對工作面產生影響，分別為距離煤層底板12.8、26.7、43.7、84.0 m的石灰巖層，巖溶裂隙發育，富水性強。其中煤層底板上方12.8 m的石灰巖層水為該工作面的直接充水水源，經常出現頂板淋水。因此，在工作面回采前，應對上覆巖溶裂隙水進行疏放，在工作面回采時注意頂板淋水，加強涌水量觀測、加強排水。

2 盛泰煤礦采動覆巖破壞特征模擬

為研究盛泰煤礦15201綜放工作面開采的覆巖破壞特征，通過3DEC離散元數值模擬軟件，對開采過程中上覆巖層破斷分布形態特征與豎直位移進行模擬分析。15201綜放工作面上覆巖層134.0 m范圍內的覆巖柱狀圖如圖1所示。

圖1 15201綜放工作面覆巖柱狀圖

2.1 數值模型建立

3DEC是一款基于離散單元法為基本理論，描述離散介質力學行為的計算分析程序[19]。根據盛泰煤礦15201綜放工作面及上覆巖層實際地質條件，建立數值計算模型，模型尺寸為320 m×1 m×171 m，模型底部為固定邊界，4個側面設定為水平移動邊界。3DEC數值模型的塊體本構模型選用莫爾-庫侖模型，節理本構模型選為庫侖滑移模型。

為去除數值模型的邊界效應，邊界煤柱的寬度為50 m。模擬工作面上覆巖層范圍為130 m，因15201綜放工作面開采深度約為210 m，所以在模型上方施加未模擬的80 m巖層載荷，約為2 MPa；模擬工作面底板厚度為37 m，工作面采高為4 m，模擬工作面走向推進220 m，每步開挖20 m，共開挖11步。不同覆巖巖性及節理模擬力學參數如表2所示，3DEC數值模型及初始豎直應力云圖如圖2所示。

表2 不同覆巖巖性及節理模擬力學參數

圖2 3DEC數值模型及初始豎直應力云圖

2.2 采動覆巖破壞特征模擬結果分析

根據15201綜放工作面實際采礦地質條件，當采高為4 m時，模型每次推進20 m，共推進11次，提取每次模型豎直位移分布云圖，如圖3所示。上覆巖層失穩后，裂隙沿縱向貫穿覆巖巖層，視為該巖層破斷，歸入導水斷裂帶。在3DEC離散元數值模擬軟件中可模擬采動覆巖的破斷，從而可直觀地判斷裂隙是否貫穿某一覆巖巖層，進而可得導水斷裂帶最大高度。

圖3 砌體梁結構的形成與失穩過程

由圖3可知，當工作面推進至40 m時(見圖 3(b))，直接頂(石灰巖)垮落至采空區底板，導水斷裂帶高度為16 m；隨著工作面的繼續推進(見圖3(c)、3(d))，上覆巖層失穩破斷至采空區，且導水斷裂帶發育高度逐漸增加；當工作面推進至100 m 時(見圖3(e))，上覆巖層(基本頂)破斷后形成砌體梁結構，此時覆巖破壞發育高度為22 m；當工作面繼續推進至120 m時(見圖3(f))，砌體梁結構失穩，垮落至采空區，導水斷裂帶高度發育至36 m。

為對上述數值模擬部分得出的直接頂(石灰巖)垮落、基本頂破斷后的砌體梁結構與失穩現象進行深入討論，可進一步通過理論分析建立2個采動覆巖破壞理論力學模型：直接頂板破壞力學模型與砌體梁失穩力學模型，分別如圖4、圖5所示。

圖4 直接頂板破壞力學模型

圖5 基本頂砌體梁力學模型

圖4中：Gi為第i層巖層自重，kN；Lki max為第i層巖層的極限跨距，m，當該巖層最大正應力大于抗拉強度極限時巖層發生破壞；hi為第i層巖層的厚度，m；qi為巖層所受的載荷集度，kN/m；Fs為剪切力，kN；M為力矩，kN·m；G′i為第i層巖層懸臂部分的自重，kN；Lsi max為第i層巖層的極限懸伸跨距，m，當第i層巖層懸臂部分的最大正應力大于其抗拉強度時，該巖層將破斷；q′i為巖層懸臂部分所受的載荷集度，kN/m。

極限跨距、極限懸伸跨距可表示為：

(1)

(2)

式中：RT為第i層巖層的抗拉強度，MPa；ki為巖層自重載荷集度，kN/m。

圖5中：q″i為作用于失穩巖塊上的載荷集度，kN/m；Fh為使巖塊保持平衡的水平推力，kN；L′si max為失穩巖塊可保持平衡的長度，m。

根據三鉸拱平衡原理可得：

(3)

依據建立的直接頂板破壞力學模型與基本頂砌體梁力學模型，從理論角度揭示了采動直接頂與基本頂失穩機制。由于式(1)～(3)中的部分理論參數難以定值，文中未對其定量計算，而是定性分析了直接頂失穩、基本頂砌體梁失穩的影響因素。

由式(1)和式(2)可知，直接頂板失穩與巖層巖性、厚度、所受載荷集度、巖層懸臂部分所受的載荷集度等因素有關。

由式(3)可知，基本頂砌體梁結構的失穩與作用于巖層的巖性、巖塊厚度、失穩巖塊上的載荷集度、巖塊間的水平推力等因素有關。

隨著綜放工作面繼續推進，覆巖破壞發育過程如圖6所示。

圖6 覆巖裂隙閉合過程

由圖6(a)～6(b)可知，當工作面推進至140、160 m時，導水斷裂帶高度分別發育至42、45 m;由圖6(c)可知，當工作面繼續推進(如推進至180 m)，上覆巖層破壞的裂隙被壓密而閉合，導水斷裂帶高度不再向上發育且達到該地質采礦條件下的最大值，覆巖達到充分破壞。因此在15201綜放工作面采礦地質條件下，當采高為4 m時，導水斷裂帶最大發育高度為45 m。

綜上可知盛泰煤礦15201綜放工作面覆巖破壞特征：當工作面推進至100 m時，基本頂破斷后形成砌體梁結構；當工作面繼續推進至120 m時，砌體梁結構失穩，導水斷裂帶高度一直增加；當推進至180 m時，上覆巖層破壞的裂隙被壓密而閉合，導水斷裂帶高度不再向上發育，導水斷裂帶最大發育高度為45 m。

3 盛泰煤礦導水斷裂帶高度模擬

基于15201綜放工作面實際地質條件，對不同開采條件下煤層開采導水斷裂帶高度進行研究。

3.1 不同采高對導水斷裂帶高度的影響

當綜放工作面采高分別為3、4、5 m時，導水斷裂帶最大發育高度云圖如圖7所示。

圖7 采高3、4、5 m時導水斷裂帶最大發育高度云圖

根據模擬結果，繪制綜放工作面采高為3、4、5 m時導水斷裂帶發育高度曲線，如圖8所示。

圖8 采高3、4、5 m時導水斷裂帶發育高度曲線

由圖8可知，導水斷裂帶高度隨著工作面推進距離的增加呈現階梯狀上升。當采高為3、4、5 m 時，導水斷裂帶最大高度分別為33、45、75 m。由此可知15201綜放工作面導水斷裂帶高度隨著采高的增加而增加。這是由于隨著工作面采高的增加，工作面開采后引起的空間體積(工作面傾向長度×走向長度×采高)增加，上覆巖層破斷垮落至采空區的離層空間(Δi,i+1)增加，其計算公式如下：

(4)

根據式(4)可知，采高越大，離層空間則越大，導致導水斷裂帶高度增加。

3.2 不同工作面傾向長度對導水斷裂帶高度的影響

當采高設置為4 m并固定不變時，工作面傾向開采長度分別為180、200、220 m，模型開挖結束后，提取導水斷裂帶最大發育高度時的豎直位移分布云圖，如圖9所示。

利用測井方法可以識別出海底淺水流的存在。淺水流的測井反應有低電阻率、高聲波時差、低密度、高中子孔隙度和低自然伽馬等特征。聲波時差曲線能夠反映聲波在井壁附近地層傳播速度，根據聲波在不同地層的傳播速度可以識別不同的地層巖性，進行地層對比，從而能夠分析判斷高壓流砂的位置，用來確定巖層孔隙度。中子伽馬測井主要是為了測量地層的含氫量，測量方法是用同位素中子源照射地層，接收輻射核反應產生的伽馬射線并測量其強度。中子伽馬射線強度值越小，則地層含氫量越大，從而地層中淺水流含量越大；反之中子伽馬射線強度值越大，則地層含氫量越小，地層中淺水流含量越低。

(a)工作面傾向長度180 m

由圖9可知，隨著工作面傾向長度的增加(180、200、220 m)，導水斷裂帶高度也逐漸增加(38、38、42 m)，但增加的幅度不大，適當地控制工作面傾向長度對降低導水斷裂帶高度具有一定的意義。

3.3 不同煤層傾角對導水斷裂帶高度的影響

將采高設置為4m，當工作面傾向角度分別為0°、3.5°、7.0°時，模型開挖結束后，提取導水斷裂帶最大發育高度時的豎直位移分布云圖，如圖10 所示。

(a)煤層傾角0°

由圖10可知，當煤層傾角為0°時，采空區左右兩側豎直位移云圖基本相同，但隨著煤層傾角的增大，失穩巖塊向下山方向堆積，豎直位移云圖呈現不對稱現象；隨著煤層傾角的增大(0°、3.5°、7.0°)，導水斷裂帶高度也持續增大(38、42、42 m)，但增加的幅度不大。對于煤層傾角較大的區域(尤其是上山方向)，應對涌水量進行重點監測并采取適當的防治水技術措施。

根據數值模擬結果，繪制不同采高、工作面傾向長度、煤層傾角對導水斷裂帶最大高度的影響曲線，如圖11所示。

(a)不同采高

由圖11可知，導水斷裂帶最大高度(Hmax)與采高(M)、工作面傾向長度(L)、煤層傾角(α)回歸曲線的斜率分別為21、0.1、0.571，說明煤層采高、工作面傾向長度、煤層傾角與導水斷裂帶高度呈正相關關系，其中導水斷裂帶最大高度與采高回歸曲線的斜率最大，說明采高對導水斷裂帶高度的影響最大。因此，在相同覆巖巖性、相同開采方法、相同頂板管理方法的條件下，采高為導水斷裂帶高度的主控因素。

4 3DEC離散元數值模擬結果驗證

參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》(簡稱《指南》)，根據覆巖綜合評價系數P(其值取決于各層覆巖的巖性及其厚度)判定煤礦的覆巖巖性[20]，其計算公式如下：

(5)

式中：mi為覆巖i分層的法線厚度，m；Qi為覆巖i分層巖性評價系數。

根據式(5)計算，覆巖巖性綜合評價系數P=0.500，判定盛泰煤礦15201綜放工作面上覆巖層巖性為中硬巖層。《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》)中覆巖巖性為中硬的綜放開采導水斷裂帶高度經驗公式為[21]：

(6)

(7)

由式(6)、式(7)計算出盛泰煤礦15201綜放工作面導水斷裂帶高度分別為34.4～45.6、50 m。由上述離散元數值模擬分析得到該工作面的導水斷裂帶最大高度為45 m，其值位于式(6)、式(7)計算范圍之內，驗證了上述數值模擬的合理性。

5 結論

1)采用數值模擬方法分析了盛泰煤礦15201綜放工作面的采動覆巖破壞過程，并采用理論分析方法建立了直接頂破壞與基本頂砌體梁失穩力學模型，揭示了采動直接頂與基本頂失穩機制。

2)研究了不同開采因素對導水斷裂帶高度的影響，隨著采高、工作面傾向長度、煤層傾角的增加，導水斷裂帶高度增加，采高為導水斷裂帶高度的主控因素。

3)以15201綜放工作面為工程背景，模擬得到該工作面導水斷裂帶最大高度為45 m，其值位于《規范》經驗公式計算結果范圍之內，驗證了該數值模擬模型及巖性參數的合理性。