王詩(shī)海 時(shí)鵬程 馮宜語(yǔ)

（1.棗礦礦業(yè)集團(tuán)高莊煤業(yè)有限公司，山東 微山 277600；2.棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東 滕州 277500）

1 引言

高莊井田所處地面大部分為微山湖水域，地表水體成為威脅礦井淺部煤層安全開(kāi)采的主要隱患，不僅要控制上覆巖層的破斷下沉及地表塌陷，同時(shí)還要預(yù)防采煤工作面遭水體侵?jǐn)_。為保證在礦井安全的前提下，最大限度的采出水體下壓覆的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，需要開(kāi)展對(duì)水體下煤層覆巖破壞和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律方面的研究工作[1-2]。由于數(shù)值模擬方法對(duì)研究覆巖破壞具有特殊的優(yōu)越性，故本研究采用UDEC數(shù)值模擬軟件通過(guò)建立多種地質(zhì)模型，模擬計(jì)算不同開(kāi)采深度、不同開(kāi)采厚度、不同巖性組合和斷層構(gòu)造對(duì)煤層覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度、范圍等方面的影響，獲得相應(yīng)條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的基本規(guī)律，進(jìn)而為高莊礦湖下淺部工作面安全開(kāi)采評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

2 覆巖數(shù)值模擬方案

2.1 數(shù)值模擬軟件選取

UDEC數(shù)值軟件是一種用來(lái)處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序。它用于模擬非連續(xù)介質(zhì)（如巖體中的節(jié)理裂隙等）承受靜、動(dòng)載作用下的響應(yīng)。其不僅有專(zhuān)門(mén)的變形塊體模型，還配備了相應(yīng)的節(jié)理材料模型，能夠較好地適應(yīng)不同巖性和不同開(kāi)挖條件下的巖層運(yùn)動(dòng)。UDEC可以定量地分析任何一點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移狀態(tài)，并可以對(duì)其進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，所有的工作均可以直觀化的用圖像和數(shù)據(jù)表述，分析問(wèn)題簡(jiǎn)潔明了。因此，本研究利用UDEC軟件來(lái)研究煤層覆巖導(dǎo)水裂縫帶影響因素問(wèn)題[3-6]。

2.2 地質(zhì)模型建立

以山東濟(jì)寧高莊礦3煤頂板上覆巖層結(jié)構(gòu)建立基本地質(zhì)模型，考慮所有方案只有巖性組合裂高會(huì)有較大擴(kuò)展，為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，且不研究松散層變形，模型建立到基巖風(fēng)化帶。模型長(zhǎng)300m，高81.7m。模擬開(kāi)挖深度400m，模型上方按覆巖自重施加豎直方向上均布載荷，煤層傾角按水平處理，采厚為2m，兩邊留設(shè)50m邊界煤柱，開(kāi)挖步距10m，分20次開(kāi)挖，模型巖段的主要巖性為粉砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖和煤，具體的地質(zhì)模型見(jiàn)圖1。

圖1 基本地質(zhì)模型建立

2.3 模型條件和巖石力學(xué)參數(shù)選定

由于模型在模擬開(kāi)挖后塊體發(fā)生移動(dòng)變形，上覆巖層塊體在上覆重力載荷的作用下發(fā)生拉剪破壞，巖體發(fā)生了一定的彈塑性圍巖變形。因此本構(gòu)模型選用摩爾庫(kù)倫模型，模型中的所有不連續(xù)面（即接觸面）賦予不連續(xù)結(jié)構(gòu)面庫(kù)倫滑動(dòng)模型。底部和左右邊界均為固定邊界條件，模型上邊界設(shè)置為自由邊界，加載來(lái)自上覆松散層的垂直均勻荷載。為消除模型邊界的影響，模型左右各留設(shè)50m邊界。各種巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 不同影響因素?cái)?shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 開(kāi)采深度

為了研究煤層覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律隨開(kāi)采深度增加其覆巖破壞情況，本次模擬保證其他開(kāi)采條件相同的情況下，擬定開(kāi)采厚度2m條件下開(kāi)采深度分別為400m、500m、600m和800m，綜合分析覆巖擾動(dòng)破壞情況，如下圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)煤層開(kāi)采達(dá)到充分采動(dòng)以后，模擬采深400m、500m、600m條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度分別為：27.2m、30.6m、33.1m?？梢钥闯龈矌r導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度隨開(kāi)采深度增加有增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)采深800m條件下獲得導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為33.3m，相對(duì)采深600m而言破裂高度略有增長(zhǎng)，說(shuō)明當(dāng)采深達(dá)到一定時(shí)，開(kāi)采深度對(duì)其影響較小。

表1 巖層的物理力學(xué)參數(shù)

圖2 不同采深條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育情況

3.2 開(kāi)采厚度

為了研究煤層覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律隨開(kāi)采厚度增加其覆巖破壞情況，本次模擬保證其他開(kāi)采條件相同的情況下，擬定開(kāi)采深度400m條件下開(kāi)采厚度分別為2m、3m、4m和5m，綜合分析覆巖擾動(dòng)破壞情況，詳見(jiàn)下圖3。

圖3 不同采厚條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育情況

根據(jù)圖3看出，模擬采深400m不同采厚條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度分別為27.2m、34.5m、41.3m和46.6m。隨著開(kāi)采厚度的增加，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度近似線性增加，開(kāi)采厚度越大，提供給覆巖垮落的空間也越大，頂板覆巖破壞的范圍就越大。在模擬覆巖破壞情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著采空區(qū)范圍的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)水裂縫帶逐漸發(fā)育到最大高度，形態(tài)在縱向上不再擴(kuò)展，但在橫向范圍繼續(xù)擴(kuò)大。對(duì)比高莊礦3上509工作面（煤厚5.2m）采動(dòng)后實(shí)測(cè)最大導(dǎo)水裂縫帶高度為49.35m[4]，與數(shù)值模擬結(jié)果相比誤差較小，說(shuō)明對(duì)相同地質(zhì)條件下工作面覆巖破壞規(guī)律研究有一定參考價(jià)值。

3.3 覆巖巖性組合

為了研究煤層覆巖對(duì)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律的影響，本次模擬保證其他開(kāi)采條件相同的情況下，將煤層頂板巖性及其組合關(guān)系分為4種類(lèi)型：軟巖-硬巖、硬巖-軟巖、軟巖-軟巖、硬巖-硬巖。煤層開(kāi)采厚度2m條件下分析不同巖性組合下覆巖擾動(dòng)破壞情況。

圖4 不同頂板組合條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育情況

根據(jù)圖4可以看出，煤層頂板覆巖的破壞發(fā)育高度與覆巖的巖性及力學(xué)結(jié)構(gòu)特征有緊密的關(guān)系。脆性巖層容易產(chǎn)生裂縫，而塑性巖層則不易產(chǎn)生裂縫。因此，不同力學(xué)結(jié)構(gòu)類(lèi)型的頂板，其破壞最大高度是不同的。根據(jù)不同巖性組合模擬結(jié)果，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度由大到小分別為：堅(jiān)硬-堅(jiān)硬組合、軟弱-堅(jiān)硬組合、堅(jiān)硬-軟弱組合和軟弱-軟弱組合。

3.4 地質(zhì)構(gòu)造

為了分析斷層與采空區(qū)的位置關(guān)系對(duì)覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律的影響。本次模擬在保證其他開(kāi)采條件相同的情況下，開(kāi)采深度400m，采厚5m，斷層傾角60°，分別模擬工作面過(guò)斷層和工作面在斷層下盤(pán)開(kāi)采情況下覆巖破壞情況[7]。如下圖5所示。

圖5 斷層影響條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育情況

根據(jù)圖5可以看出，當(dāng)工作面過(guò)斷層條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為48.2m，比無(wú)斷層情況下高2.2m。上限裂隙大多出現(xiàn)在斷層附近，順著斷層面向上發(fā)展，斷層破碎帶塑性破壞嚴(yán)重，當(dāng)上方有水體時(shí)可作為導(dǎo)水通道。當(dāng)工作面位于斷層下盤(pán)條件下時(shí)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為56.7m，比無(wú)斷層影響條件下高10.1m。導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育上限朝斷層方向縱向發(fā)展，形成一邊高一邊低兩端不對(duì)稱(chēng)的“馬鞍型”覆巖破壞形態(tài)。

4 結(jié)論

利用UDEC離散元方法分析煤層覆巖破壞和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律具有可行性，通過(guò)對(duì)不同因素關(guān)于煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的影響進(jìn)行模擬計(jì)算分析，得出不同采深、采厚、頂板巖性組合、地質(zhì)構(gòu)造（主要指斷層）等因素對(duì)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律影響較大，對(duì)高莊礦湖下開(kāi)采提供理論支撐。