秦 偉，李文平

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221116）

據(jù)中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局資料顯示：2016—2018年我國(guó)國(guó)家能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中,煤炭消費(fèi)總量所占的比重雖逐年下降,但仍然占總能源消耗的59%以上，煤炭消費(fèi)總量基本保持不變?？梢灶A(yù)見(jiàn)煤炭未來(lái)幾年仍是我國(guó)主要的能源支柱，煤炭的安全、綠色開(kāi)采依然是煤炭行業(yè)中最主要的研究課題。隨著我國(guó)東部煤炭資源逐漸枯竭，我國(guó)煤炭資源戰(zhàn)略中心轉(zhuǎn)移至西部，西部煤層大都埋藏深、煤層厚，根據(jù)東部煤礦所得的導(dǎo)水?dāng)嗔褞У慕?jīng)驗(yàn)公式已不適用于西部礦區(qū)。

近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者對(duì)煤炭采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育高度進(jìn)行了大量的研究[1-5]。同樣，煤炭開(kāi)采對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞巨大，西部生態(tài)環(huán)境脆弱，針對(duì)西部特殊的環(huán)境，科研工作者在保水采煤方面做了大量的研究。錢(qián)鳴高等[6]提出全面實(shí)現(xiàn)科學(xué)采礦所要求的幾點(diǎn)條件,為煤炭的科學(xué)開(kāi)采和煤炭行業(yè)的健康發(fā)展提出了方向性的意見(jiàn)。其他學(xué)者在我國(guó)西部綠色采煤方面也作出了大量的研究[7-9]。

目前，對(duì)于導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度的計(jì)算大都基于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》（簡(jiǎn)稱(chēng)“三下規(guī)程”）和GB/T 12719—91《礦井水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》）中的經(jīng)驗(yàn)公式。導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨仁艿刭|(zhì)條件、頂板巖性組合、采煤工藝以及工作面的尺寸等影響較大，此前我國(guó)東部礦區(qū)主要開(kāi)采石炭－二疊系煤層，西部地區(qū)主要開(kāi)采侏羅系煤層，鄂爾多斯地區(qū)煤礦具有大采高、大采深的特點(diǎn)，與東部礦區(qū)煤層埋藏以及開(kāi)采條件大有不同，先前總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式很難預(yù)測(cè)該類(lèi)型煤礦的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?。為此以鄂爾多斯盆地某礦為例，采用數(shù)值計(jì)算、數(shù)值模擬以及相似類(lèi)比的方法對(duì)大采高、大采深類(lèi)型煤礦的覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞нM(jìn)行研究，為鄂爾多斯及周邊地區(qū)的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊挠?jì)算提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯盆地主采侏羅系含煤地層。巖性主要由1套砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖和煤層組成。工作面走向長(zhǎng)2 502 m，傾向長(zhǎng)300 m，煤層開(kāi)采一次采全高,頂板管理采用全部陷落法，主要開(kāi)采侏羅系中下統(tǒng)延安組2－2煤層，煤層底板標(biāo)高+490～+550 m，煤層平均厚度7 m，煤層傾角3°左右，2202工作面地層示意圖如圖1。

圖1 2202工作面地層示意圖Fig.1 Schematic diagram of 2202 working face strata

2 理論計(jì)算

在上覆巖層的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，有一些巖層起主導(dǎo)作用，錢(qián)明高等[10]將其稱(chēng)為關(guān)鍵層，關(guān)鍵層的破斷會(huì)使上覆軟弱巖層隨其一起垮落、運(yùn)動(dòng)，關(guān)鍵層的破斷與否會(huì)對(duì)導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育產(chǎn)生很大的影響。關(guān)鍵層對(duì)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度會(huì)產(chǎn)生2方面的影響：關(guān)鍵層的破斷會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)水?dāng)嗔褞а杆傧蛏习l(fā)育；在達(dá)到關(guān)鍵層的極限破斷距之前導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育高度處于抑制狀態(tài)，高度不會(huì)發(fā)生突變。在關(guān)鍵層理論的基礎(chǔ)上認(rèn)為關(guān)鍵層在達(dá)到其極限跨距時(shí)就會(huì)發(fā)生破斷，軟巖發(fā)生破斷需同時(shí)滿(mǎn)足：①達(dá)到極限跨距；②極限撓度大于其下自由空間高度。以此為基礎(chǔ)確定導(dǎo)水?dāng)嗔褞У母叨取?/p>

2.1 關(guān)鍵層判定

對(duì)于煤層采空區(qū)頂板及以上巖層，可以將其視為由若干組合梁堆疊而成。并假設(shè)：層與層之間的節(jié)理面抗拉強(qiáng)度為0，且?guī)r層向采空區(qū)彎曲時(shí)最大曲率位于采空區(qū)的正中間。則n層巖層組成的組合梁發(fā)生同步彎曲、下沉?xí)r，最底層（即第1層）巖層實(shí)際承受的載荷為：

式中：（qn）1=為n層組合梁中第1層巖層所受到的荷載，MPa；hn為第n層巖層厚度，m；ρn為第n層巖層的密度，t/m3；En為第n層巖層的彈性模量，MPa。

在計(jì)算中將煤層的直接頂（粉砂巖）作為組合梁的第1層開(kāi)始計(jì)算。

將巖層視為兩端固定的固支梁，當(dāng)巖層破斷時(shí)，極限破斷距Ln為：

式中：Ln為第n層巖層的極限破斷距，m；Tn為第n層巖層的抗拉強(qiáng)度，MPa；qn為第n層巖層上覆巖層作用與該層的總荷載，MPa；hn為第n層巖層厚度，m。

當(dāng)同時(shí)滿(mǎn)足（qn+1）1＜（qn）1和Ln＜Ln+1時(shí)，認(rèn)為第n層為關(guān)鍵層。

2.2 推進(jìn)距離

巖層破斷時(shí)，由幾何關(guān)系可得，工作面的推進(jìn)距離Tn為：

式中：Tn為第n層巖層破斷時(shí)工作面的推進(jìn)距離，m；hn為第n層巖層的厚度，m；φn為巖層的破斷角，取51.7°；Ln為第n層巖層的極限破斷距，m。

2.3 自由空間高度

采空區(qū)的最大高度為煤層的開(kāi)采厚度，隨著工作面不斷推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層不斷垮落，垮落帶巖層在上覆巖層的壓力下逐漸壓實(shí)，碎脹系數(shù)減少，即自由空間得高度Hn為：

式中：Hn為第n層巖層下自由空間高度，m；M為煤層的采高，m；hm為第m層巖層的厚度，m；km為第m層巖層的殘余碎脹系數(shù)。

2.4 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律

巖石物理力學(xué)參數(shù)、關(guān)鍵層層位以及自由空間高度的計(jì)算見(jiàn)表1。由表1計(jì)算可知，導(dǎo)水?dāng)嗔褞У淖罱K發(fā)育高度為154.48 m。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)、關(guān)鍵層層位以及自由空間高度的計(jì)算Table 1 Calculation of rock physical and mechanical parameters,key strata of rock layer and free space height

導(dǎo)水?dāng)嗔褞?dòng)態(tài)發(fā)育圖如圖2。當(dāng)工作面剛開(kāi)始推進(jìn)至9.73 m時(shí)，采空區(qū)上方1#粉砂巖（直接頂）發(fā)生破斷垮落。隨著工作面的推進(jìn)，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ю^續(xù)向上發(fā)育。當(dāng)工作面推進(jìn)距離為56.45 m時(shí)，達(dá)到3#砂質(zhì)泥巖（關(guān)鍵層）的極限破斷距，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育至3#砂質(zhì)泥巖下部，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為17.74 m。當(dāng)工作面推進(jìn)到72.23 m時(shí)，達(dá)到7#砂質(zhì)泥巖的極限破斷距，此時(shí)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?3.08 m。當(dāng)工作面推進(jìn)到86.42 m時(shí)，達(dá)到8#中粒砂巖（關(guān)鍵層）的極限破斷距，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為57 m。當(dāng)工作面推進(jìn)到146.74 m時(shí)，10#砂質(zhì)泥巖發(fā)生破斷，此時(shí)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨劝l(fā)育至93.78 m，當(dāng)工作面推進(jìn)至157.18 m時(shí)，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為111.1 m，當(dāng)工作面推進(jìn)至283.11 m時(shí)，14#砂質(zhì)泥巖達(dá)到極限跨距，但大于自由空間高度0.19 m，14#砂質(zhì)泥巖不會(huì)發(fā)生破壞，認(rèn)為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育此層之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)再向上發(fā)育，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育的最大高度為154.48 m。

圖2 導(dǎo)水?dāng)嗔褞?dòng)態(tài)發(fā)育圖Fig.2 Dynam ic developmentmap of water conducting fracture zone

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為了研究侏羅系延安組煤層開(kāi)采后,頂板覆巖的破壞規(guī)律,本次數(shù)值模擬采用3DEC離散元模擬軟件以該研究區(qū)某工作面為原型對(duì)導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究。

本次模型試驗(yàn)參數(shù)取自2202工作面中心位置的K7-4鉆孔資料，模型底板為厚13 m的細(xì)砂巖，煤層開(kāi)挖厚度為7m，煤層之上延安組厚度為28 m，直羅組厚度為196 m，安定組厚度為80 m。該區(qū)巖層傾角3°左右，在數(shù)值模擬模型（圖3）按水平處理，巖層內(nèi)部為連續(xù)介質(zhì)，不考慮地下水以及其他構(gòu)造因素的影響。模型垂向上總共分為24層，模擬地層分組見(jiàn)表2。將安定組、志丹群組以及第四系風(fēng)積沙等效為上部荷載施加到模型的上邊界，對(duì)模型上邊界施加2.2 MPa的等效載荷，對(duì)模型底部限制垂向的移動(dòng)，模型的側(cè)面以及前后限制其水平位移?？紤]計(jì)算效率，最終確定模型尺寸為500 m×2 m×324 m（長(zhǎng)×寬×高）。數(shù)值模擬模型巖石物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3，數(shù)值模擬模型巖層主要接觸面物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4。

圖3 數(shù)值模擬模型Fig.3 Numerical simulation model

表2 模擬地層分組Table 2 Simulation strata grouping

表3 數(shù)值模擬模型巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Rock physical and mechanical parameters of numerical simulation model

表4 數(shù)值模擬模型巖層主要接觸面物理力學(xué)參數(shù)Table 4 Physical and mechanical parameters of main contact surface of rock layer of numerical simulation model

3.2 模型開(kāi)挖

鄂爾多斯地區(qū)煤層賦存相對(duì)較厚，埋藏較深，大部分煤礦采用一次采全厚，頂板全垮落的方式進(jìn)行開(kāi)采。據(jù)此，考慮到實(shí)際的開(kāi)挖速度，本次模擬開(kāi)挖采用一次開(kāi)挖20 m，總共開(kāi)挖360 m。本次模擬的主要任務(wù)是研究導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度的規(guī)律，通過(guò)觀察開(kāi)挖過(guò)程中塑性圖的范圍來(lái)大致確定導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育高度，據(jù)此分析導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育規(guī)律。

隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)上方的巖層會(huì)受到不同程度的破壞，自由空間不斷減少，距離采空區(qū)越近的巖層破壞越大，距離采空區(qū)越遠(yuǎn)的巖層受到煤層采動(dòng)影響越小。不同推進(jìn)距離下頂板塑性區(qū)變化如圖4。從圖4可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至60 m時(shí)，采空區(qū)中部主要存在拉張破壞區(qū)，工作面前沿以及開(kāi)切眼附近出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，塑性區(qū)最大高度為38 m；當(dāng)工作面推進(jìn)至100 m時(shí)，塑性區(qū)緩慢向上發(fā)育，塑性區(qū)最大高度為76 m，當(dāng)工作面推進(jìn)至160 m時(shí)，采空區(qū)上方巖層產(chǎn)生較大豎向位移，導(dǎo)水?dāng)嗔褞а杆侔l(fā)育，塑性區(qū)的最大高度為106 m；當(dāng)工作面推進(jìn)至200 m時(shí)，塑性區(qū)的最大高度為134 m；當(dāng)工作面推進(jìn)至280 m時(shí)塑性區(qū)的整體形態(tài)呈現(xiàn)“拱形”，塑性區(qū)的最大高度為144 m，隨著塑性區(qū)高度的不斷增加，塑性區(qū)最高點(diǎn)受到煤層采動(dòng)的影響逐漸減弱，塑性區(qū)主要以水平發(fā)育為主；當(dāng)工作面推進(jìn)至350 m時(shí)，塑性區(qū)的最大高度為144 m，基本維持不變。

圖4 不同推進(jìn)距離下頂板塑性區(qū)變化Fig.4 Changes of roof plastic zone under different advancing distances

4 導(dǎo)水?dāng)嗔褞M合分析

礦井均開(kāi)采侏羅系煤層，工作面跨度大，煤層厚，頂板覆巖主要由砂巖、泥巖組成，巖石具有抗壓強(qiáng)度低等特點(diǎn)。

將搜集到的工作面的導(dǎo)水?dāng)嗔褞c采厚的實(shí)測(cè)值進(jìn)行擬合，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扰c采厚之間擬合曲線(xiàn)如圖5。

從圖5可以看出，隨著采厚的增加，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨纫仓饾u增加，呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。其主要原因在于：隨著煤層采厚的增加，煤層下方自由空間初始值增加，上覆巖層垮落的更加充分，運(yùn)動(dòng)規(guī)模較大，導(dǎo)致導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)模不斷增大。

圖5 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扰c采厚之間擬合曲線(xiàn)Fig.5 Fitting curve between height and m ining thickness of water conducting fracture zone

5 數(shù)據(jù)分析

目前，我國(guó)大部分煤礦對(duì)頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊念A(yù)計(jì)主要參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》（簡(jiǎn)稱(chēng)“三下規(guī)程”）和GB/T 12719—91《礦井水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》）。該工作面頂板巖性主要為粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖，抗壓強(qiáng)度23.43～1.05 MPa，屬于中硬巖石，相似礦區(qū)導(dǎo)水?dāng)嗔褞?shí)測(cè)資料見(jiàn)表5。

表5 相似礦區(qū)導(dǎo)水?dāng)嗔褞?shí)測(cè)資料Table 5 Themeasured data of water conduction crack zone in sim ilar m ining area

由傳統(tǒng)“三下規(guī)程”計(jì)算得出導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扰c理論計(jì)算值之間的誤差分別為60.97%和59.27%，“規(guī)范”計(jì)算值與理論值誤差為32.88%。由于東西部煤層埋藏條件以及開(kāi)采方式相差較大，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式難以預(yù)測(cè)大采高、大采深情況下導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育高度，誤差值較大。

將研究區(qū)的煤層采高數(shù)據(jù)（M=7 m）代入擬合公式，得出導(dǎo)水?dāng)嗔褞У念A(yù)測(cè)值為146.61 m，與理論計(jì)算值之間的誤差僅有5.1%，相較于傳統(tǒng)公式的計(jì)算方法，本次擬合公式所得預(yù)測(cè)值效果較好，故可以作為鄂爾多斯地區(qū)相同開(kāi)采條件下導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨阮A(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)公式。

6結(jié)論

1）隨著工作面不斷向前推進(jìn)，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度不斷增高。通過(guò)關(guān)鍵層理論及相關(guān)計(jì)算得出導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟀l(fā)育高度為154.48 m，裂采比22.07。

2）通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)來(lái)觀察導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育規(guī)律，發(fā)現(xiàn)塑性區(qū)呈現(xiàn)“拱形”，當(dāng)工作面推進(jìn)至280 m時(shí)，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育到最大值144 m，之后開(kāi)采過(guò)程中導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р粫?huì)再向上發(fā)育。

3）通過(guò)收集鄂爾多斯及周邊地區(qū)煤礦導(dǎo)水?dāng)嗔褞У膶?shí)測(cè)資料，擬合出導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扰c采厚的關(guān)系式，關(guān)系符合二次項(xiàng)分布。

4）由于東西部煤層埋藏條件以及開(kāi)采條件的差異性，使用《“三下”規(guī)程》以及《規(guī)范》計(jì)算得出導(dǎo)水?dāng)嗔褞У母叨炔贿m于西部地區(qū)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊挠?jì)算。擬合公式計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算以及數(shù)值模擬之間誤差較小。