多水源煤礦采動覆巖導水裂縫帶發育規律的研究

薛一生

（晉能控股煤業集團地煤鑫泰建井公司，山西 大同 037003）

0 引言

我國具有大量煤礦，在地下煤層開采的過程中，由于地下水的聚集，前期開采造成的采空區容易形成較多的富水采空區[1]，對臨近煤層的開采造成影響。由于煤礦采動作用對覆巖的影響，使得礦井的導水裂隙帶逐漸發育，若與前期的采空區聯系，則會造成煤礦受到多水源的影響[2]，增加了煤礦防治水的困難，不利于煤礦的安全開采。針對煤礦開采過程中采動覆巖的導水特性進行分析[3]，即對礦井的導水裂隙帶的發育規律進行研究，從而可以解決礦井開采中多水源的安全問題[4]，同時可以為相同條件的礦井開采防治水提供參考，從而保證煤礦的安全開采，避免造成水質災害。

1 煤礦采動導水裂隙帶發育理論分析

在進行煤礦井下開采的過程中，采空區的覆巖受到采動作用及其他多種因素的共同作用產生變形破壞，一般可將采動覆巖的變化劃分為三帶[5]，即彎曲下沉帶、裂縫帶及垮落帶，三者自上而下排布，形成采空區覆巖的分布。在采動覆巖的變形過程中，伴隨著新裂隙的產生，與礦井原有的裂隙相互擠壓，形成不同的裂隙帶分布形態，如圖1 所示，覆巖的破壞可以分為離層裂隙區、方向裂隙區、網絡裂隙區及垮落裂隙區[6]。

圖1 上覆巖層裂隙的分布狀態

在煤礦開采過程中，隨著工作面的不斷推進，采空區直接頂失去支撐形成懸空的巖體，隨著懸空巖體的體積增加，受到的覆巖載荷作用及重力增加，從而發生破壞垮落，形成堆積在采空區的垮落帶[7]。導水裂隙帶指在覆巖中發育的垂直裂隙的巖層，位于垮落帶的上方，是采空區中水系在垂直方向運動的主要通道，對煤礦的開采安全造成了一定威脅。在覆巖的變形分布中，導水裂隙帶主要包括離層裂隙區、方向裂隙區及網絡裂隙區[8]。彎曲下沉帶位于覆巖上方與地表接觸的巖層，呈現出一定的彎曲狀態，沒有大的裂隙出現，在煤礦開采過程中，對該層分布的裂隙可不予考慮。導水裂隙帶在煤礦開采過程中的發育高度及形態特征與工作面的壓力、覆巖的特性及結構具有密切的關系[9]，采用仿真模擬的方式對導水裂隙帶的發育規律進行研究。

2 煤礦采動導水裂隙帶發育模擬分析

2.1 覆巖導水裂隙帶分析模型的建立

依據某煤礦的工作面賦存條件對煤礦采動覆巖導水裂隙帶的發育進行模擬分析，采用UDEC 軟件對覆巖的垮落效果進行模擬[10]，首先建立數值分析的模型。依據煤層的賦存條件設定模型的X 方向為工作面的長度方向，Y 方向為工作面的推進方向，Z 方向為垂直于工作面的垂直方向，設定模型的大小為250 m×400 m×210 m，其中工作面前后各留50 m 的煤柱，工作面走向開挖150 m。

在模型中設定前后、左右兩側及底部的接觸為固定邊界，頂部為自由邊界，上覆巖層對模型的上邊界作用為均布載荷的形式，工作面煤層的埋深為265 m，受到上方的均布載荷作用為2 MPa，模型的材料破壞采用莫爾-庫倫準則進行分析[11]。在進行分析過程中，沿著工作面的推進方向對不同推進長度上的覆巖的導水裂隙帶的發育狀態及位移進行分析。

2.2 覆巖導水裂隙帶形態及位移的模擬分析

在煤礦開采過程中，隨著工作面的推進，依據覆巖的變形狀態可以自下而上劃分為四個區域，分別為拉張破壞區、拉張裂隙區、塑性破壞區及彈性區、未破壞區，依據覆巖裂隙的分布，可將拉張破壞區劃分為垮落帶，將拉張裂隙區劃分為裂隙帶，將塑性破壞區及彈性區、未破壞區劃分為彎曲下沉帶[12]，由此對采動覆巖的變化形態進行分析。

在對工作面進行開挖時，經過開切眼推進，在推進距離較小時，開采作業對上覆巖層的采動作用較小，當工作面推進到45 m 時，工作面的頂板垮落，此時上覆巖層的位移變化較小，當工作面推進到70 m時，采空區上方的垮落巖層的裂隙開始發育，如圖2所示。從圖2 中可以看出，此時工作面老頂上方垮落的巖層的位移最大達到100 cm。

圖2 工作面推進70 m 時上覆巖層的位移分布狀態

當工作面繼續推進時，覆巖產生的位移變化范圍逐漸增加，其變形的程度也隨之增加，當工作面推進到125 m 時，上覆巖層的變化如圖3 所示。從圖3 中可以看出，隨著采空區的冒落，導水裂隙帶呈明顯的向上發育的狀態，隨著覆巖變形量的增加，導水裂隙帶發育至煤層頂面55 m 處，且垮落帶的邊界呈倒V字形分布的狀態。

圖3 工作面推進125 m 時上覆巖層的位移分布狀態

隨著工作面的持續推進，采空區的范圍擴大，則垮落的巖層不斷壓緊，采空區上覆巖層產生的下沉量增加，當推進到175 m 時，上覆巖層的位移形態分布如圖4 所示。從圖4 中可以看出，此時模型上邊界的最大下沉量達到250 cm，再繼續進行推進時，上覆巖層的最大下沉量不再增加，這說明此時巖層的最大下沉量趨于穩定的狀態，僅在水平方向上隨工作面的推進移動；在工作面的上方覆巖的移動量相對采空區中部的下沉量要小，且在后續推進的過程中，產生的變化較小，說明工作面推進到175 m 時上覆巖層的導水裂隙帶的發育達到最大水平，在后續的推進過程中，導水裂隙帶不再向上發育而維持穩定的狀態，這與上覆巖層的巖性有密切的關系，說明上覆巖層的材質為堅硬巖層，此時導水裂隙帶發育到最大高度后，隨著時間的增加會保持穩定而不再增加，這有利于對煤礦進行防治水分析，保證煤礦開采的水質安全。

圖4 工作面推進175 m 時上覆巖層的位移分布狀態

3 結論

1）煤礦開采過程中，采空區上覆巖層在采動作用及其他因素的作用下發生位移變形及破壞，形成導水裂隙帶，對煤礦的水質安全造成威脅。

2）上覆巖層的變形可以劃分為彎曲下沉帶、裂縫帶及垮落帶。導水裂隙帶主要分布在裂縫帶，主要包括離層裂隙區、方向裂隙區及網絡裂隙區。

3）采用UDEC 軟件對導水裂隙帶的發育規律進行分析，建立上覆巖層的變形分析模型，隨著工作面的推進對巖層的變形位移進行模擬。結果表明，隨著工作面的推進，上覆巖層的變形破壞不斷增加，當工作面推進到125 m 時，導水裂隙帶呈明顯的向上發育的狀態，當工作面推進到175 m 時，導水裂隙帶的發育達到最大值，當繼續推進時，導水裂隙帶的最大高度不再增加。此研究結果有利于煤礦的防治水分析，保證煤礦的開采安全。