張 揚(yáng)

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

1 工程概況

某礦受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和巖層性質(zhì)影響，屬于高原低山丘陵地貌。礦井地面一般海拔標(biāo)高為1250～1350m，相對(duì)高差一般為100～150m。井田范圍內(nèi)地勢(shì)普遍呈現(xiàn)東南方向高、西北方向低。11607工作面位于礦井一采區(qū)東南部，地面主要以丘陵和山地為主，工作面東側(cè)和西側(cè)分別為已經(jīng)回采完的11609和11608工作面，工作面開(kāi)采水平為+1115m，煤層底板標(biāo)高為+1154.9～+1180m，平均標(biāo)高+1167m，地面標(biāo)高為+1260～1320m，平均標(biāo)高為+1290m，煤層平均埋藏深度為100m左右，屬于淺埋煤層。工作面斜長(zhǎng)80m，走向長(zhǎng)524m，所采16煤，煤厚2.6～4.2m，均厚3.4m，煤層平均傾角6°，賦存條件穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，內(nèi)含厚0.2m額1～3層夾矸，煤層上覆直接頂為均厚3.44m的深灰色泥質(zhì)粉砂巖，老頂為均厚3.48m的灰色石灰?guī)r，直接底為均厚2.1m的灰黑色泥巖。

2 工作面導(dǎo)水裂隙帶實(shí)測(cè)

圖1 仰孔分段注水漏失量分布圖

針對(duì)11607工作面導(dǎo)水裂隙帶的觀測(cè)采用仰孔分段注水測(cè)漏的方法來(lái)進(jìn)行，該方法所用的觀測(cè)儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，便于在井下使用，同時(shí)具有施工工程量小，測(cè)量精度高，效果明顯的特點(diǎn)。通過(guò)在上覆巖層中使用仰斜長(zhǎng)鉆孔，對(duì)鉆孔進(jìn)行分段封堵注水，對(duì)各段鉆孔內(nèi)水的漏失量進(jìn)行測(cè)定，從而對(duì)上覆巖層的裂隙發(fā)育情況進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)工作面工程地質(zhì)條件設(shè)計(jì)了施工及觀測(cè)方案，對(duì)觀測(cè)鉆孔內(nèi)的水量漏失量進(jìn)行了定性及定量的分析，最終得出的11607工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律如圖1所示。由圖1可知，工作面內(nèi)側(cè)的導(dǎo)水裂隙帶高度低于外側(cè)，兩孔所測(cè)的裂隙帶高差為3.4m，在工作面開(kāi)采影響下，上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育會(huì)呈現(xiàn)工作面中部低而兩側(cè)高的趨勢(shì)，其中Ⅰ-2號(hào)孔傾角為56.9°，最大裂隙發(fā)育高度為44.4m，Ⅰ-3號(hào)孔傾角為45°，最大裂隙發(fā)育高度為41m，結(jié)合工作面綜合柱狀圖分析可知，44.4m導(dǎo)水裂隙帶高度所對(duì)應(yīng)巖層為33.77m厚的細(xì)砂巖、粉砂巖、泥灰?guī)r交替互層及其與上覆30.38m的石灰?guī)r交界面。

3 覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育相似模擬實(shí)驗(yàn)

以該礦11607工作面地質(zhì)條件為原型，根據(jù)幾何比例1：200建立二維相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)長(zhǎng)3m、寬0.3m、高0.9m，實(shí)驗(yàn)臺(tái)長(zhǎng)度方向?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向，模型長(zhǎng)度的3m代表煤層走向方向600m，相似模擬材料選擇河砂、云母、石膏、碳酸鈣等，根據(jù)不同的材料配比來(lái)模擬不同的巖層，各巖層間的分層材料選擇云母片，材料配比見(jiàn)表1。

表1 材料配比

將模型鋪設(shè)完成后，將模型養(yǎng)護(hù)7天后，拆板進(jìn)行風(fēng)干，同時(shí)設(shè)置位移觀測(cè)點(diǎn)，從煤層頂板開(kāi)始按10mm×10mm的形式設(shè)置橫向和縱向觀測(cè)線，從頂板向上布置A～E共計(jì)6層，在橫向及縱向線交點(diǎn)處設(shè)置十字觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)全站儀配合拍照的方式對(duì)開(kāi)采過(guò)程中測(cè)點(diǎn)位移的變化進(jìn)行觀測(cè)，鋪設(shè)好的模型如圖2所示。

圖2 相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

開(kāi)切眼位置位于模型左邊界90cm處，此后向著右邊界開(kāi)始推進(jìn)，每次開(kāi)挖10cm（代表工作面向前推進(jìn)20m），從工作面開(kāi)切眼開(kāi)始，工作面的推進(jìn)導(dǎo)致上覆頂板出現(xiàn)離層現(xiàn)象，覆巖并未發(fā)生垮落；當(dāng)工作面推進(jìn)到80m時(shí)，隨著頂板懸露距離的增加，上覆巖層間的離層現(xiàn)象也愈發(fā)明顯，直接頂開(kāi)始發(fā)生垮落，工作面兩側(cè)的破斷裂隙發(fā)育高度也不斷增加，此時(shí)，覆巖冒落帶高度為8m左右，如下圖（a）所示；當(dāng)工作面推進(jìn)到120m時(shí)，直接頂垮落長(zhǎng)度進(jìn)一步增加，上覆巖層裂隙向上位巖層繼續(xù)擴(kuò)展；當(dāng)工作面推進(jìn)到140m時(shí)，直接頂在工作面全長(zhǎng)大面積垮落，引發(fā)上覆老頂巖層內(nèi)產(chǎn)生貫穿裂隙，并繼續(xù)向上發(fā)展，上覆巖層發(fā)生破壞的高度增加到22m，如下圖（b）所示；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到180m時(shí)，老頂?shù)钠茢鄬?dǎo)致其上部巖層發(fā)生破斷，覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度增加到32m，如下圖（c）所示；當(dāng)推進(jìn)距離達(dá)到220m時(shí)，上覆巖層破壞范圍在工作面推進(jìn)方向及頂板豎直方向均發(fā)生明顯地增加；當(dāng)最后推進(jìn)到240m時(shí)，上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度基本不再向上發(fā)展，最終破壞高度約為43m左右，如下圖（d）所示。

圖3 覆巖垮落過(guò)程

由圖3對(duì)覆巖垮落過(guò)程的分析可知，工作面的開(kāi)采會(huì)導(dǎo)致上覆巖層發(fā)生垮落變形，且推進(jìn)距離越長(zhǎng)，上覆巖層破壞范圍越大，但增大到一定程度后，此變形逐漸趨于緩和，最終在發(fā)生變形的上覆巖層頂端形成一條離層線，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，上覆巖層周期性破斷，最終在切眼和工作面推進(jìn)位置處形成一條規(guī)則的垮落線，在工作面推進(jìn)240m位置處，上覆巖層破壞高度穩(wěn)定達(dá)到43m，如圖4所示。

通過(guò)在工作面推進(jìn)過(guò)程中，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)位移變化的持續(xù)觀察和記錄，得出如圖5所示的上覆巖層破壞高度與工作面推進(jìn)距離之間的關(guān)系，在工作面推進(jìn)初期，覆巖破壞高度基本呈一條水平直線，覆巖破壞范圍較小，當(dāng)工作面推進(jìn)到120m時(shí)，上覆巖層破壞高度出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，當(dāng)推進(jìn)距離達(dá)到180m時(shí)，破壞高度增長(zhǎng)速度放緩，直至推進(jìn)到240m時(shí)，達(dá)到43m。究其原因，主要是受到上覆巖層周期性破斷變形而影響，總體呈現(xiàn)一條階梯狀曲線。相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果（43m）與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果（44.4m）得到了很好的吻合，表明在進(jìn)行模型參數(shù)選取時(shí)，與工作面實(shí)際工程地質(zhì)條件性質(zhì)接近，因而此參數(shù)選取合適，分析有效。

圖4 覆巖最終垮落

圖5 工作面推進(jìn)距離與覆巖破壞高度關(guān)系

4 覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬模型同樣基于該礦工程地質(zhì)條件而建立，X方向代表工作面推進(jìn)方向，Y方向代表工作面斜長(zhǎng)方向，Z方向代表地層豎直方向，所建立的模型尺寸為：924m×140m×113m，將X方向和Y方向的邊界位移固定，Z方向固定底部邊界位移，本構(gòu)模型選用莫爾庫(kù)倫模型，在模型參數(shù)選取時(shí)，將巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的煤巖塊參數(shù)轉(zhuǎn)換為巖體的參數(shù)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果和相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)數(shù)值計(jì)算方案參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。數(shù)值模擬計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 數(shù)值模擬計(jì)算模型

模型建立完成后，首先生成自重應(yīng)力場(chǎng)，將產(chǎn)生的速度及位移清零后，隨后進(jìn)行模型的開(kāi)挖，采取分布開(kāi)挖的方式，每次開(kāi)挖長(zhǎng)度為20m，最后一次開(kāi)挖長(zhǎng)度為26m，共計(jì)開(kāi)挖26次，總開(kāi)挖距離為524m，對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中上覆巖層發(fā)生塑性變形破壞范圍進(jìn)行觀測(cè)，得出其導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度變化規(guī)律，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果和相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

上覆巖層塑性區(qū)破壞范圍與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育具有很好地一致性，在開(kāi)采動(dòng)壓影響下，上覆巖層塑性區(qū)主要表現(xiàn)為剪切和拉伸破壞，圖中藍(lán)色區(qū)域表示未發(fā)生破壞范圍，其余顏色表示回采導(dǎo)致的上覆巖層破壞范圍，在工作面推進(jìn)不同距離時(shí)，其塑性區(qū)發(fā)育范圍表現(xiàn)不同特征。由塑性區(qū)變化特征可知，上部覆巖受影響較小，未發(fā)明顯的變形破壞，整體性良好，工作面的開(kāi)采導(dǎo)致巖層內(nèi)部產(chǎn)生拉剪破壞，首先發(fā)生剪切破壞，進(jìn)一步在豎直方向上產(chǎn)生拉伸裂隙區(qū)，當(dāng)巖層間抗拉強(qiáng)度超過(guò)其極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖層間發(fā)生拉伸裂隙離層區(qū)，裂隙的產(chǎn)生導(dǎo)致巖層滲透性及導(dǎo)水性發(fā)生改變，各種裂隙貫通后最終導(dǎo)致上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的形成，下部巖層發(fā)生冒落。

選取幾個(gè)典型工作面推進(jìn)過(guò)程中塑性區(qū)分布圖7，當(dāng)工作面推進(jìn)距離較小時(shí)，上覆巖層裂隙區(qū)發(fā)育不是很明顯，當(dāng)工作面推進(jìn)到80m時(shí)，上覆巖層裂隙發(fā)育逐漸明顯增加，且呈現(xiàn)兩側(cè)高中間低的馬鞍形，塑性區(qū)發(fā)育高度達(dá)到27m，如圖7（a）所示；當(dāng)工作面推進(jìn)到200m時(shí)，在老頂?shù)闹芷谄茢嘤绊懴?，覆巖裂隙帶高度增加到42m，如圖7（b）所示；直至推進(jìn)到524m時(shí)，覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度也不再向上發(fā)展，基本保持在此高度，如圖7（c）所示。

圖7 覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度隨工作面推進(jìn)距離的關(guān)系

5 結(jié) 論

通過(guò)仰孔分段注水測(cè)漏的方法對(duì)工作面上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了實(shí)測(cè)，可知其裂隙帶最大發(fā)育高度為44.4m。由相似模擬和數(shù)值模擬可知，隨著工作面向前推進(jìn)，工作面上覆巖層發(fā)生破斷變形，圍巖塑性區(qū)開(kāi)始發(fā)育，裂隙增多，當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離時(shí)，覆巖導(dǎo)水裂隙帶不在向上發(fā)展，逐漸趨于穩(wěn)定，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到了相互驗(yàn)證。該項(xiàng)研究對(duì)山區(qū)內(nèi)覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律研究起到一定參考借鑒意義。