準(zhǔn)東大井礦區(qū)巨厚煤層開采覆巖裂隙分布特征

曾 強(qiáng)，李根生，趙龍輝，高 坡

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆 烏魯木齊 830046；3.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830046)

新疆準(zhǔn)東礦區(qū)東西長(zhǎng)約200 km，面積達(dá)15 334 km2，礦區(qū)煤炭資源豐富，煤層厚達(dá)90 m，屬尚處于開發(fā)初期的千億噸級(jí)整裝煤田。該礦區(qū)煤層賦存平緩，厚度大，開采強(qiáng)度及面積大，煤炭開采對(duì)區(qū)域覆巖含水層地下水分布、運(yùn)移具有重要影響。同時(shí)，該區(qū)域地表-地下水水力聯(lián)系密切，覆巖地下水運(yùn)移、分布改變影響著地表潛水的分布，進(jìn)而影響礦區(qū)植被分布，并對(duì)礦區(qū)鄰近綠洲生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[1-3]。覆巖裂隙演化與分布規(guī)律是該礦區(qū)煤炭開采地下水影響研究的核心內(nèi)容。對(duì)于采場(chǎng)覆巖應(yīng)力分布特征，錢鳴高等[4]將采場(chǎng)覆巖應(yīng)力按工作面走向方向依次劃分為穩(wěn)壓區(qū)-增壓區(qū)-極限平衡區(qū)-減壓區(qū)-穩(wěn)壓區(qū)；REZAEI M等[5]基于應(yīng)力能量平衡建立了長(zhǎng)壁采煤分析模型，研究了采煤引起的應(yīng)力重分布特征；王文學(xué)等[6]研究分析了采空區(qū)覆巖中裂隙巖體應(yīng)力恢復(fù)的時(shí)空特征；謝和平等[7]揭示了不同開采條件覆巖運(yùn)動(dòng)行為和應(yīng)力集中系數(shù)。對(duì)于采場(chǎng)覆巖裂隙演化，范立民等[8]研究了淺埋煤層高強(qiáng)度開采區(qū)地裂縫發(fā)育特征；來興平等[9-10]運(yùn)用相似模擬試驗(yàn)方法，分析了三軟煤巖地質(zhì)條件下覆巖裂隙發(fā)育特征；黃慶享[11-12]研究了淺埋煤層隔水巖組裂隙發(fā)育規(guī)律；姚邦華等[13]采用數(shù)值模擬方法分析了重復(fù)采動(dòng)下覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律；李樹剛等[14]采用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)及理論分析，研究了單層開采和重復(fù)采動(dòng)條件下裂隙分布與演化規(guī)律；ZHANG R等[15]研究了不同開采方式覆巖裂隙空間分布特征；WANG W X等[16]研究了采動(dòng)覆巖應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)裂隙巖體滲透性的影響；對(duì)于地下煤層開采而言，不同開采方式(單層采高)覆巖應(yīng)力集中系數(shù)及應(yīng)力場(chǎng)分布不同，從而對(duì)覆巖擾動(dòng)程度不同，進(jìn)而對(duì)采場(chǎng)覆巖裂隙分布產(chǎn)生不同影響，最終對(duì)采場(chǎng)覆巖滲流場(chǎng)時(shí)空分布產(chǎn)生不同影響。

本文針對(duì)準(zhǔn)東巨厚煤層典型賦存特征，研究不同開采方式覆巖裂隙時(shí)空分布特征，以期為準(zhǔn)東巨厚煤層開采覆巖含水層水體滲流特征、地下水位響應(yīng)特征研究提供一定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

準(zhǔn)東礦區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地東部、克拉麥里山南麓，氣候干旱，生態(tài)環(huán)境脆弱，大井礦區(qū)位于其中北部。礦井主采B1煤層平均厚56 m，地層傾角較緩，僅1～3°，屬于構(gòu)造簡(jiǎn)單地區(qū)。煤層頂板多為細(xì)砂巖、泥巖、粗砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，底板多為炭質(zhì)泥巖、含碳泥巖及細(xì)砂巖，礦井煤巖典型柱狀見圖1。

圖1 典型鉆孔柱狀圖

2 覆巖裂隙演化特征與關(guān)鍵層識(shí)別

2.1 覆巖裂隙演化特征

煤層開采自采空區(qū)中部到采場(chǎng)前方礦壓顯現(xiàn)規(guī)律：減壓區(qū)、極限平衡區(qū)、彈性區(qū)、增壓區(qū)、穩(wěn)壓區(qū)。采場(chǎng)覆巖移動(dòng)劃分為“橫三區(qū)、縱三帶”，即煤壁支撐區(qū)、離層區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)，垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。根據(jù)采場(chǎng)礦壓和覆巖移動(dòng)特征[4]，采場(chǎng)覆巖裂隙演化特征見圖2。

由圖2可知，在采場(chǎng)覆巖應(yīng)力的控制下，工作面前方覆巖隨工作面推進(jìn)由穩(wěn)壓區(qū)依次演化為彈性區(qū)、彈塑性過渡區(qū)、塑性區(qū)、破壞區(qū)、離層區(qū)、閉合區(qū)。采場(chǎng)應(yīng)力分布控制各區(qū)域內(nèi)覆巖裂隙演化：穩(wěn)壓區(qū)內(nèi)裂隙主要受原巖應(yīng)力控制，裂隙主要為原巖裂隙；彈性區(qū)內(nèi)隨應(yīng)力集中系數(shù)不斷增加，原巖裂隙逐漸閉合，巖石體積不斷減??；彈塑性過渡區(qū)內(nèi)巖層開始產(chǎn)生新的微裂隙，巖石體積不斷增加；塑性區(qū)內(nèi)覆巖應(yīng)力快速增加且逐漸達(dá)到巖層極限強(qiáng)度，導(dǎo)致巖層新生裂隙迅速發(fā)育，巖層體積及變形速度快速增加；破壞區(qū)內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到巖層極限強(qiáng)度，巖層破斷，產(chǎn)生縱向破斷裂隙，巖石體積迅速增加，此時(shí)空隙率達(dá)最大；離層區(qū)內(nèi)由于覆巖老頂極限強(qiáng)度大于下部巖層極限強(qiáng)度，且覆巖老頂垮距與下部巖層垮距相差較大，造成老頂下部離層裂隙的不斷發(fā)育；閉合區(qū)內(nèi)隨采場(chǎng)繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到老頂極限垮距時(shí)，老頂開始破斷，隨工作面推進(jìn)不斷向上發(fā)育至各關(guān)鍵層。

圖2 采場(chǎng)覆巖裂隙演化特征

2.2 覆巖關(guān)鍵層識(shí)別

根據(jù)鉆孔柱狀及巖石物理力學(xué)參數(shù)，對(duì)覆巖關(guān)鍵層(硬巖)進(jìn)行判別[4]。上覆巖層物理力學(xué)性質(zhì)情況見表1。

2.2.1 硬巖的識(shí)別

第i層巖層對(duì)第1層的載荷，計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：qi為第i層所受載荷，kPa；Ei為第i層彈性模量，MPa；γi為第i層體積力，MN/m3；hi為第i層層厚，m。

若(qi)1≥(qi+1)1,即第i層為硬巖，經(jīng)計(jì)算得出覆巖中共含4層硬巖，結(jié)果見表2。

表1 上覆巖層物理力學(xué)性質(zhì)

2.2.2 極限破斷距計(jì)算

美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院項(xiàng)目管理程序透明，全流程管理內(nèi)容集中成文，及時(shí)更新《美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院資助政策聲明》。美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院管理信息是公開的，例如戰(zhàn)略規(guī)劃、顧問委員會(huì)會(huì)議紀(jì)要、績(jī)效報(bào)告、項(xiàng)目立項(xiàng)及進(jìn)展情況等均在網(wǎng)絡(luò)公布，部分會(huì)議向公眾開放。而美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院各研究所不僅公布有關(guān)項(xiàng)目管理人員名單、聯(lián)系方式，而且在指南意向性建議、公布指南、申請(qǐng)、管理等階段均可直接溝通聯(lián)系。但是有些信息僅為公開，例如科學(xué)評(píng)審小組專家名單在網(wǎng)站公開，并重點(diǎn)備注說明申請(qǐng)人及其單位在評(píng)審前后均不得聯(lián)系專家，一旦發(fā)現(xiàn)將以違反科研誠(chéng)信處理。

根據(jù)上文判定結(jié)果及研究區(qū)煤巖賦存特征，采用固支梁彎矩計(jì)算法對(duì)覆巖極限破斷距逐層計(jì)算，計(jì)算公式見式(2)。

(2)

式中：Li為第i層的極限破斷距，m；hi為第i層層厚，m；qi為第i層所受載荷，kPa；Ri為第i層抗拉強(qiáng)度，MPa。計(jì)算結(jié)果見表2。

2.2.3 判斷關(guān)鍵層

對(duì)硬巖破斷距進(jìn)行比較，其計(jì)算公式見式(3)。

Li≤Li+1

(3)

破斷距最大，則為主關(guān)鍵層。各關(guān)鍵層計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 關(guān)鍵層及破斷距

3 數(shù)值模擬

3.1 覆巖力學(xué)模型

根據(jù)鉆孔柱狀圖、各關(guān)鍵層位置、破斷距和煤巖層物理力學(xué)參數(shù)(表3)，構(gòu)建數(shù)值模型(圖3)。模型包含地表至B1煤層底板，走向長(zhǎng)度為1 000 m，高630 m，B1煤層埋深587 m，厚度56 m，左右兩側(cè)各留200 m邊界保護(hù)煤柱。采用摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，固定左右和底部邊界，上部為自由邊界，側(cè)向方向施加1.89e7 Pa的初始?jí)簯?yīng)力。沿煤層走向自左向右依次開挖，分別模擬大采高分層分層(采7 m×8層)開采和放頂煤分層分層(采14 m×4層)開采，開挖步距10 m，走向推進(jìn)600 m。

3.2 結(jié)果分析

為研究巨厚煤層大采高分層開采覆巖裂隙演化規(guī)律，對(duì)大采高首分層開采裂隙演化和后續(xù)分層開采覆巖裂隙分布開展了模擬和研究，得出了采動(dòng)覆巖裂隙分布規(guī)律，見圖4和圖5。

表3 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖3 覆巖力學(xué)模型

由圖4可知，覆巖裂隙隨工作面的推進(jìn)自開切眼不斷向前發(fā)育，裂隙分布范圍也不斷擴(kuò)大，裂隙主要沿巖層破斷線分布，切眼側(cè)覆巖裂隙發(fā)育高度及寬度均大于工作面?zhèn)雀矌r發(fā)育高度及寬度，采空區(qū)中部覆巖裂隙隨工作面的推進(jìn)逐漸閉合，覆巖裂隙呈現(xiàn)周期演化。開挖50 m時(shí)覆巖裂隙上部已發(fā)育至老頂，切眼側(cè)裂隙寬度最大；開挖120 m時(shí)覆巖裂隙已發(fā)育至各亞關(guān)鍵層，此時(shí)老頂已完全破斷；開挖240 m時(shí)覆巖裂隙已發(fā)育至主關(guān)鍵層，此時(shí)主關(guān)鍵層下方離層裂隙范圍達(dá)最大，覆巖裂隙沿巖層破斷角呈“八”字形分布，采空區(qū)中部覆巖裂隙已閉合，各亞關(guān)鍵層已破斷；開挖280 m時(shí)由于覆巖主關(guān)鍵層快速下沉，其下方的離層裂隙已閉合，切眼側(cè)覆巖裂隙僅出現(xiàn)高度減小，工作面覆巖裂隙出現(xiàn)周期演化，采空區(qū)覆巖裂隙閉合區(qū)范圍不斷增大，此時(shí)主關(guān)鍵層上覆巖層快速下沉；開挖550 m時(shí)由于主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)破壞，使得覆巖裂隙分布范圍有所降低，工作面?zhèn)雀矌r裂隙尤其是沿巖層破斷角附近的裂隙大量閉合，切眼側(cè)覆巖裂隙發(fā)育高度進(jìn)一步降低，主關(guān)鍵層下方離層裂隙主要分布于工作面?zhèn)雀矌r中，覆巖離層裂隙隨著工作面的推進(jìn)不斷向前發(fā)育且呈現(xiàn)周期性演化，采空區(qū)中部覆巖裂隙閉合范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

由圖5可知，覆巖裂隙發(fā)育高度、隙寬及范圍隨分層開采數(shù)目的增加而不斷增加，覆巖裂隙主要分布在采空區(qū)兩側(cè)，且切眼側(cè)覆巖裂隙發(fā)育寬度大于停采線側(cè)，覆巖裂隙發(fā)育寬度及范圍自煤層至地表不斷減小，主關(guān)鍵層控制覆巖裂隙發(fā)育高度，采空區(qū)中部覆巖裂隙已閉合。采完第二分層時(shí)覆巖裂隙最大發(fā)育高度約200 m，主關(guān)鍵層附近裂隙主要為離層裂隙且停采線側(cè)覆巖離層裂隙發(fā)育寬度大于切眼側(cè)，切眼側(cè)覆巖裂隙貫通性較停采線側(cè)好；采完第四分層時(shí)覆巖裂隙發(fā)育高度仍至主關(guān)鍵層，覆巖裂隙發(fā)育寬度及發(fā)育范圍增加，裂隙沿破斷線不斷向外側(cè)擴(kuò)展；采完第六分層由于主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)破斷，導(dǎo)致覆巖裂隙發(fā)育高度增加，關(guān)鍵層上部裂隙沿巖層破斷角呈“八”字形分布，縱向裂隙快速發(fā)育，離層裂隙趨于閉合；采完第八分層覆巖裂隙發(fā)育高度快速增加且裂隙已發(fā)育至地表附近，主關(guān)鍵層離層裂隙已完全閉合，主關(guān)鍵層之上裂隙沿巖層破斷角呈內(nèi)外雙“八”字形分布，外側(cè)裂隙發(fā)育高度大于內(nèi)側(cè)裂隙發(fā)育高度，內(nèi)側(cè)裂隙貫通性優(yōu)于外側(cè)裂隙貫通性，兩條“八”字形裂隙是采場(chǎng)與覆巖含水層導(dǎo)水的關(guān)鍵通道。

3.2.2 放頂煤分層開采覆巖裂隙分布

為研究巨厚煤層放頂煤分層開采覆巖裂隙演化規(guī)律，對(duì)放頂煤首分層開采裂隙演化和后續(xù)分層開采覆巖裂隙分布開展了模擬和研究，得出了采動(dòng)覆巖裂隙分布規(guī)律，見圖6和圖7。

由圖6可知，覆巖裂隙隨工作面的推進(jìn)自開切眼不斷向前及向上發(fā)育，裂隙分布范圍不斷擴(kuò)大，裂隙主要沿巖層破斷線分布，切眼側(cè)覆巖裂隙發(fā)育高度及寬度均大于工作面?zhèn)雀矌r發(fā)育高度及寬度，采空區(qū)中部覆巖裂隙隨工作面的繼續(xù)推進(jìn)逐漸閉合，覆巖裂隙呈現(xiàn)周期演化。開挖50 m時(shí)覆巖裂隙已發(fā)育至老頂，切眼側(cè)裂隙高度及寬度最大；開挖120 m時(shí)覆巖裂隙已發(fā)育至各亞關(guān)鍵層，此時(shí)老頂已完全破斷；開挖280 m時(shí)覆巖裂隙已發(fā)育至主關(guān)鍵層，此時(shí)主關(guān)鍵層下方離層裂隙寬度及長(zhǎng)度達(dá)最大，裂隙與主關(guān)鍵層已貫通，采空區(qū)中部裂隙開始閉合，各亞關(guān)鍵層已破斷；開挖360 m時(shí)由于覆巖主關(guān)鍵層快速下沉，其下方的離層裂隙已閉合，由于覆巖主關(guān)鍵層的存在覆巖裂隙垂向發(fā)育速度減慢，工作面?zhèn)雀矌r裂隙出現(xiàn)三條貫通裂隙且呈現(xiàn)周期演化，采空區(qū)中部裂隙已閉合，覆巖裂隙沿巖層破斷角呈現(xiàn)“八”字形分布；開挖550 m時(shí)工作面?zhèn)雀矌r裂隙尤其是沿巖層破斷角附近的裂隙大量閉合及貫通裂隙高度減小，且工作面?zhèn)雀矌r裂隙分布范圍減小，切眼側(cè)覆巖裂隙始終貫通，工作面煤壁區(qū)域裂隙發(fā)育寬度達(dá)最大，主關(guān)鍵層下方離層裂隙主要分布于工作面?zhèn)雀矌r中，離層裂隙隨著工作面的推進(jìn)不斷向前發(fā)育且呈現(xiàn)周期性演化，采空區(qū)中部裂隙閉合范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖5 大采高分層開采覆巖裂隙分布

圖6 放頂煤首分層開采覆巖裂隙分布

圖7 放頂煤分層開采覆巖裂隙分布

由圖7可知,覆巖裂隙發(fā)育高度、隙寬及范圍隨分層開采數(shù)目的增加而不斷增加，覆巖裂隙主要分布在采空區(qū)兩側(cè)，切眼側(cè)與停采線側(cè)覆巖裂隙發(fā)育寬度與高度基本一致，覆巖裂隙發(fā)育寬度及范圍自煤層至地表不斷減小，主關(guān)鍵層為裂隙發(fā)育程度高低的分界線，采空區(qū)中部覆巖裂隙已閉合。采完第一分層時(shí)覆巖裂隙最大發(fā)育高度約200 m，主關(guān)鍵層附近裂隙主要為離層裂隙且停采線側(cè)覆巖離層裂隙發(fā)育寬度大于切眼側(cè)，切眼側(cè)覆巖裂隙貫通性較停采線側(cè)好；采完第二分層時(shí)覆巖裂隙發(fā)育高度仍至主關(guān)鍵層，覆巖裂隙發(fā)育寬度及發(fā)育范圍增加，覆巖裂隙沿破斷線不斷向外側(cè)擴(kuò)展；采完第三分層由于覆巖主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)破斷，導(dǎo)致覆巖裂隙發(fā)育高度增加，縱向裂隙快速發(fā)育，離層裂隙趨于閉合；采完第四分層覆巖裂隙發(fā)育高度快速增加且裂隙已發(fā)育至地表附近，關(guān)鍵層上部裂隙沿巖層破斷角呈“八”字形分布，主關(guān)鍵層之上覆巖裂隙貫通性較差，停采線側(cè)覆巖裂隙貫通性優(yōu)于切眼側(cè)覆巖裂隙貫通性。采空區(qū)兩側(cè)覆巖“八”字形裂隙是否發(fā)育至覆巖含水層是采場(chǎng)涌水量的關(guān)鍵。

由大采高及放頂煤開采覆巖裂隙分布模擬結(jié)果比較可得：巨厚煤層首分層開采裂隙集中分布于主關(guān)鍵層之下，且放頂煤開采覆巖裂隙連續(xù)性及裂隙發(fā)育范圍大于大采高開采；巨厚煤層首分層采用放頂煤開采主關(guān)鍵層下方離層閉合晚于大采高開采；巨厚煤層采用大采高分層開采覆巖裂隙發(fā)育高度大于放頂煤開采，且采用大采高分層開采覆巖裂隙連續(xù)性大于放頂煤開采。

4 結(jié) 論

1) 在采場(chǎng)應(yīng)力的控制下，工作面前方覆巖隨工作面不斷推進(jìn)由穩(wěn)壓區(qū)依次演化為彈性區(qū)、彈塑性過渡區(qū)、塑性區(qū)、破壞區(qū)、離層區(qū)、閉合區(qū)，各階段覆巖裂隙由原巖裂隙區(qū)依次演化為原巖裂隙閉合區(qū)、微裂隙發(fā)育區(qū)、裂隙快速發(fā)育區(qū)、破斷裂隙發(fā)育區(qū)、離層裂隙發(fā)育區(qū)、裂隙逐漸閉合區(qū)。

2) 覆巖主關(guān)鍵層是覆巖裂隙發(fā)育程度高低的分界線，其控制覆巖裂隙發(fā)育高度；覆巖裂隙隨工作面的推進(jìn)裂隙發(fā)育高度、隙寬及范圍不斷增加，且裂隙沿巖層破斷線分布，隨工作面的繼續(xù)推進(jìn)裂隙呈現(xiàn)周期演化。

3) 巨厚煤層開采覆巖裂隙主要分布在采空區(qū)兩側(cè)，且呈現(xiàn)“八”字形分布，其是覆巖含水層向采場(chǎng)滲流的關(guān)鍵通道。

4) 從保水采煤的角度出發(fā)，放頂煤分層開采對(duì)覆巖含水層擾動(dòng)較大采高分層開采小。