新疆塔什店礦區導水裂隙帶發育高度預測

摘要：上覆巖層具有含水層的煤層開采有煤層透水的潛在危險性，有效預測導水裂隙帶發育高度對預防開采過程中煤層透水具有重要意義。新疆塔什店礦區一號礦井具有7層煤層，亟需開展導水裂隙帶發育高度預測，評估上覆含水層對煤層開采的影響程度。本文采用典型有限差分軟件FLAC3D，對塔什店礦區一號礦井煤層開采覆巖發育規律進行模擬分析，揭示多層煤層開采時導水裂隙帶與上覆含水層的位置關系。結果顯示，在煤層推進長度為600m時，煤層開挖后上覆含水層底板產生較小程度的下沉。導水裂隙帶高度擴展至8-1煤層頂板以上30～40m，距含水層底板仍有57～67m距離，煤層開采導水裂隙帶難以擴展至該含水層。各煤層開挖后，含水層底板位置的垂直應力與開挖前相差較小。該研究成果可有效指導塔什店礦區一號礦井煤層開采活動。

關鍵詞：導水裂隙帶；數值模擬；多層煤層開采；塔什店礦區

中圖分類號：TD745 文獻標識碼：A doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.08.004

引文格式：路兵，楊海博.新疆塔什店礦區導水裂隙帶發育高度預測［J］.山東國土資源，2024，40（8）：23-28.LU Bing， YANG Haibo. Development Height Predication of Transmission Fissure Zone in Tashidian Mining Area in Xinjiang Uygur Autonomous Region［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（8）：23-28.

0 引言

隨著我國煤炭開發利用程度加劇，東部地區煤炭資源日漸枯竭，產量萎縮。中部地區受資源與環境約束的矛盾日益加劇，資源開發加速向生態環境相對脆弱的西部地區轉移［1-4］。在生態環境脆弱的西部地區，受到含水層影響的煤炭層開采不僅可能威脅煤礦生產工作，還可能引起地下水位大幅度下降，導致一系列的生態環境問題［5-6］。

冒落帶與裂隙帶合稱為導水裂隙帶，為開采造成的破壞影響范圍［7］。導水裂隙帶的分布形態和最大高度是開展水體下采煤的關鍵數據，其主要受到覆巖力學性質和不同煤層開采厚度的影響［7-8］。研究預測裂隙帶的發育高度，確定多層煤層開采時導水裂隙帶與上覆含水層的位置關系，對防止礦井突水事故的發生和生態環境保護具有重要指導意義［9-11］。

目前，導水裂隙帶的主要研究方法有理論分析、物理相似模擬、數值模擬、現場實測等［12-16］。其中，數值模擬能夠獲取采礦中覆巖冒落過程的足夠信息，預測給定開采條件下覆巖應力、位移、塑性區演化規律，得到以往研究者的廣泛應用［17-18］。新疆塔什店礦區一號礦井具有7層煤層，亟需開展導水裂隙帶發育高度預測，評估上覆含水層對煤層開采的影響程度。為此，本文以新疆庫爾勒塔什店礦區一號礦井為例，采用FLAC3D數值模擬對各煤層開采導水裂隙帶發育高度進行對比分析，預測礦井7層煤開采過程中覆巖含水層對礦井現場生產的影響程度，為礦井工作面布置、采區接續等安全生產提供理論指導。

1 研究區概況

塔什店礦區一號礦井位于新疆庫爾勒市塔什店煤礦區東北角（圖1），為沉積盆地的邊緣，屬低山丘陵地帶，地勢西高東低，北高南低［19-20］。該區屬暖溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫11.4℃，年平均降水量58.6mm，年潛在蒸發量為2788.2mm。井田內無水系，南部發育的小沖溝，僅在降水大時偶有短暫水流，一般多呈干涸狀態。發源于博斯騰湖的孔雀河從井田外東南部由東向西流過，孔雀河流量常年穩定，平均年徑流量為12.1億m3。

塔什店礦區一號礦井整體為單斜構造，地層構造較簡單，井田內控制全區、大部、局部可采煤層7層，從下至上編號為13、12、10、9、8-3、8-2和8-1號煤，可采煤層總厚21.92m，煤層傾角4°～24°。在8-1煤上覆的第三系漸新統—中新統桃樹園組孔隙裂隙含水層，壓力水頭達0.44MPa，經44個鉆孔揭露，其厚度達64.91～158.00m，平均厚116.48m。該含水層井田內單位涌水量0.1L/（s·m）lt;qlt;1.00L/（s·m），滲透系數0.0469～0.2288m/d，屬中等富水性，為煤礦開采主要充水水源。

2 數值模擬

2.1 數值模型

FLAC3D數值模擬軟件廣泛應用于巖土工程等相關方向［17，21］。其通過調整三維網格中的多面體單元來擬合實際結構。在外力作用下，當材料發生屈服流動后，網格能夠相應發生變形和移動。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術，能夠準確地模擬材料的塑性變形、破壞和流動［22-24］。該模擬軟件采用顯式的“時間推進”有限體積解方案；對于每一個時間步長，計算步驟如下：由節點速度導出新的應變速率；利用本構方程由應變率和前一時刻的應力計算新的應力；利用運動方程由應力和力推導出新的節點速度和位移。其中，應變張量計算公式為：

式中：ζij為應變張量；V為體積；vi和vj為速度分量；n為指向外側的單位法向量；l為節點；S為表面積。此外，應力張量計算公式為：

式中：△σij為應力張量；△[AKσˇ]為旋轉應力增量；△σCij為應力修正量。

結合塔什店一號井相關地質資料，基于井筒檢查孔具體柱狀圖，確定煤層賦存模型（圖2）。在不影響模擬結果的前提下，模型圖中部分厚度較小且巖性相近的巖層（如細砂巖和粉砂巖）合并為一層，生成數值模型（圖3）。模型建立過程中，考慮現場覆巖運動穩定范圍，沿煤層走向方向模型長度取1000m；沿高度方向，包括主要含水層及所有可采煤層在內的巖層高度取700m。模型上方230m巖層以垂直應力的形式施加于模型上表面。上覆230m巖層平均容重取22kN/m3，則施加的垂直應力為5.06MPa。由于模型傾向方向全部開挖，其具體厚度對模擬結果無影響，考慮網格數量對計算速度的影響，在模型傾向方向取100m。

2.2 模擬分析

模型建立完成后進行8-1煤開挖試驗。煤層開挖時，在模型左右兩側分別留設200m邊界煤柱，則沿走向方向，煤層推進長度為600m。為有效監測含水層位移情況，在含水層底板位置設置監測線，監測含水層底板位置應力、位移具體情況。開挖區域及監測線設置如圖4所示。結合現場煤層開采具體情況，600m開挖范圍內上覆巖層足以達到充[LM]

分采動影響邊界，分析此時覆巖塑性區擴展規律，結合覆巖應力、位移演化規律，確定8-1煤采動后上覆含水層對其的影響情況。

8-1煤模擬完畢，以同樣的方式逐步進行8-2煤、8-3煤、9煤、10煤、12煤和13煤開挖，并進行覆巖應力、位移、塑性區演化規律分析，確定所有煤層全部開采后上覆塑性區擴展規律，分析塑性區與上覆含水層的連接情況。

3 結果與討論

3.1 位移演化結果

基于模型模擬數據，在煤層推進長度為600m的條件下，各個煤層開挖后得到上方含水層底板垂直位移演化規律（圖5）和覆巖垂直位移演化云圖（圖6）。

結果顯示，煤層開挖后采空區上覆巖體產生一定程度的下沉，各煤層的頂板巖層下沉量較大，導水裂隙帶發育。但在含水層底板位置，含水層近于發生整體下沉，而且其下沉量較小。開挖煤層數逐漸增多，導水裂隙帶逐漸發育，上覆含水層底板下沉量也逐漸增大。在8-1煤層采出后，含水層最大下沉量為33.47mm；8-2煤層開采后含水層最大下沉量累計達到39.77mm；8-3煤層開采后，其下沉量為42.55mm；9煤開采后，其下沉量為54.64mm；10煤開采后其下沉量為64.19mm；12煤開采后其下沉量為95.81mm；13煤開采后其下沉量累計達到103.70mm。在煤層上覆含水層下方有一層8m厚的泥巖隔水層，則各個煤層開采產生的較小下沉量，煤層開采導水裂隙帶高度擴展至8-1煤層頂板以上30～40m處，與上覆含水層底板仍有57～67m的有效隔水層保護帶，因此導水裂隙帶難以擴展至上覆含水層。

3.2 應力演化結果

在煤層推進長度為600m的條件下，各個煤層開采后得到上方含水層底板位置垂直應力演化規律如圖7所示，覆巖垂直應力演化云圖如圖8所示。

煤層開挖后，在開挖區域上下一定范圍內形成卸壓帶。含水層底板位置埋深277m，該處位置巖層平均容重取23kN/m3，對應該位置原巖應力約6.371MPa，則在8-1煤層采出后，含水層底板位置垂直應力降低為3.932MPa，此時該處應力降低為原巖應力的61.7%；8-2煤層開采后含水層底板位置應力降低為原巖應力的61.1%，為3.893MPa；8-3煤層開采后，含水層底板垂直應力降低為3.868MPa，為原巖應力的60.7%；9煤開采后，其垂直應力降低為3.731MPa，此時該處應力降低為原巖應力的58.6%；10煤開采后其垂直應力降低為3.610MPa，為原巖應力的56.7%；12煤開采后其垂直應力降低為3.218MPa，此時該處應力降低為原巖應力的50.5%；13煤開采后其垂直應力降低為3.135MPa，為原巖應力的49.2%。總體上含水層底板隨著各煤層開采后，垂直應力呈下降趨勢，含水層底板無裂隙擴展，導水裂隙高度穩定在8-1煤層頂板以上30～40m的范圍內。

4 結論

（1）塔什店礦區一號礦井在煤層推進長度為600m時，煤層開挖后覆巖產生一定程度的下沉，但下沉量較小，導水裂隙帶高度為30～40m，距含水層底板有57～67m的有效隔水層保護帶，煤層開采導水裂隙帶難以擴展至上覆含水層。

（2）煤層開挖后，在開挖區域上下一定范圍內形成卸壓帶。各煤層開挖后，受卸壓作用的影響，在含水層底板位置的垂直應力與開挖前相差較小。

參考文獻：

［1］謝克昌.中國煤炭清潔高效可持續開發利用戰略研究［M］.北京：科學出版社，2014：1-20.

［2］嚴曉輝，楊芊，高丹，等.我國煤炭清潔高效轉化發展研究［J］.中國工程科學，2022，24（6）：19-25.

［3］魯曉威，李洪亮，劉紅，等.濟寧泰安菏澤地區采煤塌陷地復墾措施探討［J］.山東國土資源，2021，37（7）：54-59.

［4］鄭國棟，尹亞軍，劉康，等.山東省采煤塌陷地綜合治理實踐與思考［J］.山東國土資源，2021，37（7）：75-80.

［5］顧大釗，曹志國，李井峰，等.煤礦地下水庫技術原創試驗平臺體系研制及應用［J］.煤炭學報，2023：1-14.

［6］顧大釗.煤礦地下水庫理論框架和技術體系［J］.煤炭學報，2015，40（2）：239-246.

［7］魏世榮，趙延林，戚春前，等.多煤層開采導水裂隙帶發育與覆巖破壞高度規律［J］.湖南科技大學學報（自然科學版），2022，37（2）：18-26.

［8］高保彬，劉云鵬，潘家宇，等.水體下采煤中導水裂隙帶高度的探測與分析［J］.巖石力學與工程學報，2014，33（S1）：3384-3390.

［9］曹艷玲，田振環，王琳.海域煤層防水安全煤柱估算方法評述：以山東省黃縣煤田梁家煤礦擴大區（西海域）為例［J］.山東國土資源，2016，32（2）：73-76.

［10］王繼芳，韓廷寶，杜顯彪，等.滕縣煤田濱湖煤礦16煤層開采充水條件淺析［J］.山東國土資源，2016，32（1）：41-46.

［11］李軍，朱世芳，安茂國，等.隱伏鐵礦礦井充水機理分析與防治水措施［J］.山東國土資源，2022，38（6）：33-40.

［12］許家林，王曉振，劉文濤，等.覆巖主關鍵層位置對導水裂隙帶高度的影響［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（2）：380-385.

［13］林海飛，李樹剛，成連華，等.覆巖采動裂隙演化形態的相似材料模擬實驗［J］.西安科技大學學報，2010，30（5）：507-512.

［14］趙高博，郭文兵，婁高中，等.基于覆巖破壞傳遞的導水裂縫帶發育高度研究［J］.煤田地質與勘探，2019，47（2）：144-150.

［15］于水，黃克軍，楊建輝.曹家灘煤礦首采面導水裂隙帶高度研究［J］.陜西煤炭，2020，39（S1）：42-46.

［16］林建成，郭林生，李可，等.覆巖采動裂隙演化規律相似材料模擬試驗［J］.陜西煤炭，2021，40（2）：14-18.

［17］臧浩，種衍飛，馮堂武，等.基于FLAC～（3D）數值模擬的老采空區剩余沉降量分析計算：以山東棗莊安博化工項目為例［J］.山東國土資源，2015，31（7）：55-58.

［18］孫振洋.鷹駿三號井田2煤層頂板“兩帶”高度數值模擬研究［J］.煤炭與化工，2023，46（1）：60-64.

［19］蒲朝陽，鄧昀，邵公育，等.塔什店礦區一號礦井井筒檢查孔施工工藝研究［J］.煤炭技術，2016，35（10）：41-44.

［20］崔德廣，霍少磊.新疆庫爾勒市塔什店礦區一號礦井涌水量預測［J］.中國西部科技，2011，10（14）：47.

［21］王緒民，雷志超，李劍.基于FLAC3D的斜坡塔基礎穩定性研究［J］.地下水，2021，43（6）：185-188.

［22］BOCK S. New open-source ANSYS-SolidWorks-FLAC3D geometry conversion programs［J］. Journal of Sustainable Mining， 2015， 14（3）： 124-132.

［23］FENG W， WERE P， LI M， et al. Numerical study on hydraulic fracturing in tight gas formation in consideration of thermal effects and THM coupled processes［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2016， 146： 241-254.

［24］LU X， MENGEN S， WANG P. Numerical simulation of the composite foundation of cement soil mixing piles using FLAC3D［J］. Cluster Computing， 2019， 22（4）： 7965-7974.

Development Height Predication of Transmission Fissure Zone" in Tashidian Mining Area in Xinjiang Uygur Autonomous Region

LU Bing1， YANG Haibo2

（1. Xintai Bureau of Natural Resources and Planning， Shandong Xintai 271200， China; 2. Shandong Zhengyuan Geological Exploration Institute of China Metallurgical Geology Bureau， Shandong Ji'nan 250000， China）

Abstract： The mining of coal layers with aquifers in overlying strata has the potential risk of seepage. It is of great significance to effectively predicate the development height of the water conducting fracture zone to prevent the coal seam from permeability during mining. There are 7 coal layers in No. 1 mine of Tashidian mining area in Xinjiang Uygur Autonomous Region. It is urgent to carry out the predication of the development height of transmission fissure zones and evaluate the influence of overlying aquifers on coal layers mining. In this paper， typical finite difference software FLAC3D has been used to simulate and analyze the overlying rock development law of coal seam mining in No. 1 coal mine of Tashidian mining area. The position relationship between the transmission fissure zone and the overlying aquifer has been revealed. It is showed that when the coal layer advancing length is 600m， the bottom of the overlying aquifer will sink to a small degree after coal layer excavation. The height of transmission fissure zone extends to 30～40m above the roof of 8-1 coal layer， and there is still a distance of 57～67m from the aquifer floor. It is difficult for the transmission fissure zone of coal seam mining to expand to the aquifer. After the excavation of each coal seam， the difference in vertical stress in the position of the aquifer floor is small compared with that before excavation. The research results can effectively guide the coal layer mining activities of No. 1 coal mine in Tashidian mining area.

Key words： Transmission fissure zone; numerical simulation; multiple coal layers mining; Tashidian mining area

收稿日期：2023-11-27；修訂日期：2024-01-23；編輯：曹麗麗

作者簡介：路兵（1985—），男，山東濰坊人，高級工程師，主要從事水工環地質及礦產開發工作；E-mail：xtdhke@163.com