頂板砂巖水下煤層開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究

陳國紅

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

實(shí)現(xiàn)科學(xué)采礦成為新形勢(shì)下煤礦開采的必然要求[1]，而導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是覆巖含水層下采煤安全性分析的基本條件。煤層的開采引起覆巖中形成采動(dòng)裂隙，隨著開采的不斷擾動(dòng)與破壞，巖層中采動(dòng)裂隙將進(jìn)一步變化[2]。為了實(shí)現(xiàn)礦井水害防治，關(guān)鍵在于覆巖破壞高度的確定[3]。因此，有必要對(duì)綜采工作面采動(dòng)后覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行研究。

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度確定方法常用有現(xiàn)場(chǎng)物探法、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、理論分析等[4-5]。黃萬朋等[6]提出基于巖層拉伸變形的覆巖破壞高度預(yù)測(cè)方法；黃慶享等[7]依據(jù)特殊保水開采區(qū)的典型地質(zhì)條件，確定了下行裂隙的發(fā)育深度；侯恩科等[8]基于微震監(jiān)測(cè)，探索了洛河組含水層下裂隙演化規(guī)律；楊達(dá)明等[9]采用鉆孔電視、井下鉆孔注水漏失量觀測(cè)等方法研究了厚松散層軟弱覆巖條件綜放開采導(dǎo)水裂隙帶高度；武忠山等[10]以曹家灘煤礦為工程背景，分析了不同開采技術(shù)條件(采寬、采深、推進(jìn)速度)對(duì)裂隙發(fā)育高度的影響規(guī)律；張?jiān)频萚11]研究了含水層下短壁塊段式開采過程不同主控因素對(duì)裂隙演化的影響規(guī)律。

綜上所述，不同地質(zhì)條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究取得了豐碩的研究成果。但由于我國地質(zhì)條件的復(fù)雜性，導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的確定仍處于探討階段，還需進(jìn)一步深入研究。鑒于此，針對(duì)新集礦區(qū)某綜采工作面上覆砂巖含水層賦水性較強(qiáng)的技術(shù)背景，綜合運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式估算、數(shù)值模擬、井下仰孔觀測(cè)法研究工作面開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，為砂巖含水層下安全采煤及防治水工程提供地質(zhì)依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)工程概況

新集礦區(qū)某綜采工作面回采11-2煤層，煤厚3.2～4.3 m，平均厚3.63 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。工作面平均走向長度1 501 m，工作面長193 m，煤層傾角12°～18°，平均14°。導(dǎo)水裂隙帶探測(cè)范圍，工作面直接頂為細(xì)砂巖，基本頂為粉砂巖。工作面采用走向長壁后退式回采，平均采高3.8 m。采用瞬變電磁、高密度電法對(duì)回采煤層頂?shù)装迳皫r含水層的賦水性進(jìn)行探測(cè)，發(fā)現(xiàn)工作面頂板賦水性較強(qiáng)，底板賦水性較弱，為確保頂板覆巖含水層下回采安全，需要對(duì)工作面回采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行研究。

2 覆巖“兩帶”發(fā)育高度估算

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式估算

經(jīng)驗(yàn)公式運(yùn)用前提為掌握覆巖頂板所屬類型。對(duì)工作面覆巖頂板取芯探查，得到11-2煤層頂板巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 11-2煤層頂板巖層力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of roof strata in No.11-2 coal seam

對(duì)工作面鉆孔柱狀分析，工作面頂板主要為砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖互層，其中砂巖占比43.8%，泥巖占比32.4%，砂質(zhì)泥巖占比23.8%，判定覆巖所屬為中硬頂板類型。按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，工作面平均開采高度為3.8 m，得到裂隙帶最大發(fā)育高度為33.66～44.86 m。

2.2 基于關(guān)鍵層位置覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)

采場(chǎng)覆巖變形和破壞受關(guān)鍵層位置的控制作用，直接影響“三帶”裂隙分布特征[12]。根據(jù)文獻(xiàn)[13]建立的關(guān)鍵層位置判別方法及工作面開采覆巖綜合柱狀及鉆探孔揭露的覆巖巖性特征，對(duì)頂板覆巖關(guān)鍵層所處的層位進(jìn)行判斷，如圖1所示。

圖1 覆巖關(guān)鍵層判別結(jié)果Fig.1 Discriminant result of key strata of overburden

從圖1可以看出，煤層頂板55.43 m發(fā)育的石英砂巖為覆巖關(guān)鍵層。根據(jù)許家林等[14]研究成果，計(jì)算得到關(guān)鍵層破斷裂縫貫通臨界高度為26.6～38.0 m，上覆關(guān)鍵層所在層位大于臨界高度，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度應(yīng)按照臨界高度上覆最近關(guān)鍵層位置估算。依據(jù)工作面煤層變化情況，預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為55.43 m。

3 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

采用FLAC3D數(shù)值軟件構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)煤層頂板覆巖破壞進(jìn)行研究。設(shè)定工作面沿傾向布置(Y軸)，沿走向推進(jìn)(X軸)，重力方向?yàn)閆軸，考慮煤巖層的傾角為14°，建立三維模型的尺寸為：傾向398.0 m、走向440.0 m、高度238.2 m，如圖2所示。將工作面上覆巖層按照巖性劃分，將巖性相似的巖層劃分為同一組，模擬頂板巖層21層，底板巖層5層，設(shè)定工作面長190 m，走向推進(jìn)240 m，回采平均高度3.8 m。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical calculation model

模擬工作面回風(fēng)巷標(biāo)高為-486 m，模型四周和底邊界采用位移邊界條件，上端面采用應(yīng)力邊界條件，施加9.45 MPa的均布載荷。計(jì)算過程巖體的破壞采用摩爾—庫侖準(zhǔn)則，地應(yīng)力通過S-B法進(jìn)行加載計(jì)算。采用人工調(diào)節(jié)冒落帶的方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理[12]。

3.2 數(shù)值結(jié)果分析

按照工作面實(shí)際采掘順序進(jìn)行運(yùn)算求解。工作面開采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶的形成與發(fā)展由頂板巖層的變形破壞確定，可采用應(yīng)力判別法及位移分析法對(duì)工作面開采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶破壞特征進(jìn)行分析。工作面推進(jìn)240 m時(shí)覆巖主應(yīng)力矢量如圖3所示。

由圖3可以看出，受工作面采動(dòng)影響，采場(chǎng)圍巖應(yīng)力重新分布，主應(yīng)力跡線在采空區(qū)周圍圍巖發(fā)生偏轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出覆巖破壞具有分帶性特點(diǎn)：拉張破壞區(qū)分布在采空區(qū)上方拉應(yīng)力區(qū)巖層內(nèi)，其上限為確定冒落帶的重要依據(jù)；拉張破壞區(qū)上部發(fā)育拉張裂隙區(qū)，其上限是確定裂隙帶的重要依據(jù)；拉張裂隙區(qū)之上的巖層為未破壞區(qū)，判斷為彎曲下沉帶。

圖3 覆巖主應(yīng)力矢量Fig.3 Vector diagram of overburden principal stress

繼續(xù)對(duì)采場(chǎng)覆巖主應(yīng)力分析。巖石為抗壓不抗拉材料，若采空區(qū)覆巖范圍最大、最小主應(yīng)力均為拉應(yīng)力，判斷巖石產(chǎn)生拉破壞，為冒落帶范圍；若只有一個(gè)主應(yīng)力為拉應(yīng)力，判斷與該拉應(yīng)力垂直方向產(chǎn)生明顯裂隙，為裂隙帶范圍。設(shè)定拉應(yīng)力為正，以工作面走向方向?yàn)槔?，工作面推進(jìn)240 m覆巖主應(yīng)力隨采空區(qū)頂板距離變化曲線(所取切片為走向方向采空區(qū)中央位置)如圖4所示。分析數(shù)據(jù)可得，工作面推進(jìn)240 m時(shí)，冒落帶發(fā)育高度為15.2 m，冒采比為3.97；導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度為57.6 m，裂采比為15.1。

圖4 主應(yīng)力與距采空區(qū)頂板距離的變化曲線Fig.4 Change curve of principal stress and distance from roof of goaf

覆巖“三帶”的產(chǎn)生是由于位移不連續(xù)變化引起。為分析覆巖離層裂隙發(fā)育情況，工作面推進(jìn)240 m采空區(qū)上方不同層位垂直位移曲線(所取切片為走向方向采空區(qū)中央位置)如圖5所示，重點(diǎn)分析覆巖頂板60 m范圍。

圖5 采空區(qū)頂板上方不同層位垂直位移曲線Fig.5 Vertical displacement curves of different layers above the roof of goaf

從圖5中可以看出，采空區(qū)頂板上方不同層位的巖層垂直位移的變化趨勢(shì)基本相同，即從采空區(qū)兩側(cè)向中部垂直位移逐步增大，且垂直位移隨著距采空區(qū)頂板高度的增加而逐步減小，但不同層位的相對(duì)垂直位移變化較大。采空區(qū)中部覆巖垂直位移與距頂板距離變化曲線如圖6所示。

由圖6可以看出，隨距采空區(qū)頂板距離的增加，采空區(qū)中部覆巖垂直位移逐步減小，存在一個(gè)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之上的巖層垂直位移變化幅度較小，表明巖層已協(xié)調(diào)變形，判斷巖層所屬范圍為彎曲下沉帶，拐點(diǎn)位置為導(dǎo)水裂隙帶的上限。利用位移分析方法移判定覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為55.2 m。

圖6 采空區(qū)中部覆巖垂直位移隨距頂板距離變化曲線Fig.6 Variation curve of vertical displacement of overburden in the middle of goaf with distance from roof

4 覆巖導(dǎo)水裂隙帶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的探測(cè)采用井下仰孔分段注水法，具有精度高、觀測(cè)效果明顯等優(yōu)點(diǎn)[15]，使用時(shí)鉆孔避開冒落帶斜穿裂隙帶，并高于裂隙帶頂部一定距離。

4.1 觀測(cè)設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)、數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，需要對(duì)裂隙帶發(fā)育高度在55 m范圍內(nèi)的覆巖破壞情況進(jìn)行研究，為保證探測(cè)結(jié)果的可靠性，具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)加大鉆孔施工深度，本次設(shè)計(jì)延長10 m的鉆孔垂直高度，即觀測(cè)鉆孔垂直高度控制為65 m。為了動(dòng)態(tài)掌握覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，在工作面終采線向外35 m位置布置鉆場(chǎng)(工作面上部車場(chǎng))施工觀測(cè)鉆孔，鉆孔直徑94 mm，孔深101 m，鉆孔仰角35°，方位角85°。測(cè)試分兩步進(jìn)行，為采前、采后各觀測(cè)1次，采后觀測(cè)時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶已充分發(fā)育。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

采用分段注水試驗(yàn)得到觀測(cè)鉆孔采前、采后注水量測(cè)試結(jié)果如圖7所示。觀測(cè)鉆孔孔深0～30 m屬于采前區(qū)域，不作為重點(diǎn)分析。從圖7(a)可以看出，35～40 m段漏失量較小，平均為2 L/min，表明該段巖層結(jié)構(gòu)致密，原始裂隙弱發(fā)育；40～52 m，漏失量3～9 L/min；56～101 m段漏失量變化范圍較大，在2～12 L/min變動(dòng)，說明該段巖層原始裂隙較為發(fā)育，且表現(xiàn)出不均勻性的特點(diǎn)。分析圖7(b)，孔深40～74 m段，采后探測(cè)結(jié)果相比較于采前，相對(duì)漏失量變化為10%～225%，分析采后此段巖層裂隙發(fā)育較為明顯；75～101 m，采后漏失量相對(duì)于采前減小，表明該段巖層在一定下沉過程中原生裂隙壓密，出現(xiàn)閉合現(xiàn)象，判斷為彎曲下沉帶。根據(jù)采前、采后注水漏失量相對(duì)變化量，圖8給出了工作面回采結(jié)束后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育形態(tài)。

圖7 井下仰孔分段注水試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test results of underground inverted hole sublevel water injection

圖8 工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育形態(tài)Fig.8 Development patterns of water conducted zone in working face

可見，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的上限約處于孔深74 m位置，形態(tài)呈“馬鞍形”，確定采后穩(wěn)定狀態(tài)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為H裂=53.4 m。

綜合研究方法得到的覆巖“兩帶”高度結(jié)果列于表2。

表2 覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度Tab.2 Development height of water conducted fracturezone in overburden

綜合分析得到，基于關(guān)鍵層理論的覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)方法、FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，而采用經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)值相差較大，表明經(jīng)驗(yàn)公式在預(yù)測(cè)覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度存在一定的局限性。綜合研究結(jié)果確定工作面導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為57.6 m，研究結(jié)果可為工作面頂板水害治理提供地質(zhì)依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)分析了工作面覆巖頂板為中硬頂板類型，經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)裂隙帶發(fā)育高度為33.66～44.86 m；基于關(guān)鍵層所在層位覆巖導(dǎo)水裂隙帶預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為55.43 m。

(2)構(gòu)建FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，通過應(yīng)力判別法分析得到工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為57.6 m，通過位移分析法判定覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為55.2 m；現(xiàn)場(chǎng)采用井下仰孔分段注水法進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶探測(cè)，覆巖穩(wěn)定狀態(tài)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為53.4 m，形態(tài)呈“馬鞍型”。

(3)綜合研究得到新集礦區(qū)某工作面回采后，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為57.6 m，研究結(jié)果可為工作面頂板水害治理提供地質(zhì)依據(jù)。