吳改梅，付玉平，李佳倫

(1.太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院，太原030024；2.山西省煤炭職工培訓(xùn)中心，太原 030006)

采煤工作面回采后，采空區(qū)上覆巖層下沉、破斷、垮落，在垂直方向上形成冒落帶，裂隙帶和彎曲變形帶，其中裂隙帶高度的上限稱為導(dǎo)水裂隙帶高度。導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計是煤礦水體下采煤設(shè)計和保水采煤的基礎(chǔ)和前提。為此，許多學(xué)者對煤層上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了深入研究。許家林、王曉振等[1-2]采用理論分析、模擬實(shí)驗(yàn)和工程探測等方法，就覆巖主關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙帶高度的影響進(jìn)行深入研究。認(rèn)為覆巖主關(guān)鍵層位置會影響頂板導(dǎo)水裂隙帶高度。陳榮華、白海波等[3]采用RFPA2D模擬軟件對采場覆巖變形、冒落情況進(jìn)行了模擬，從確定導(dǎo)水裂隙帶高度。武忠山、王生全等[4]運(yùn)用FLAC3D軟件，模擬分析了固定采高情況下采寬、采深、推進(jìn)速度對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響。杜家發(fā)、李文平等[5]利用理論計算、數(shù)值模擬方法對導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度進(jìn)行了研究，并通過現(xiàn)場鉆孔電視成像實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了理論計算與數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。郭文兵、婁高中等[6]采用地面鉆孔沖洗液漏失量法和理論分析法，綜合確定了水庫下放頂煤開采工作面導(dǎo)水裂縫帶高度。胡小娟、李文平等[7]以39例綜采導(dǎo)水裂隙帶實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用多元回歸分析，得到綜采導(dǎo)水裂隙帶高度與煤層采高、硬巖巖性系數(shù)、工作面斜長、采深、開采推進(jìn)速度多因素之間的非線性統(tǒng)計關(guān)系式。徐維、劉德旺等[8]采用現(xiàn)場沖洗液漏失量法和彩色鉆孔電視孔內(nèi)觀測法，并與理論分析相結(jié)合研究了察哈素煤礦上覆巖層“兩帶”高度。王創(chuàng)業(yè)、薛瑞雄等[9]運(yùn)用UDEC數(shù)值模擬軟件建立不同采高的二維地質(zhì)模型，結(jié)合關(guān)鍵層分析了不同采高下導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律。方剛[10]應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式計算并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)、計算機(jī)數(shù)值模擬和物理相似材料模擬實(shí)驗(yàn)方法，對煤層采動后造成的覆巖變形破壞情況進(jìn)行分析，并對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行預(yù)測。然而對于緩傾斜煤層上覆巖層的導(dǎo)水裂隙帶高度的相關(guān)理論計算、數(shù)值模擬較少。本文以9101工作面為地質(zhì)背景，首先采用理論計算的方法得出導(dǎo)水裂隙帶的高度，然后采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬工作面推進(jìn)過程中緩傾斜煤層上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶分別在走向方向和傾向方向上的發(fā)育特征。以期為該煤礦水害防治工作提供重要的參考數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 工作面概況

某礦9101工作面位于井田南部，東部為實(shí)體煤，西面為設(shè)計的9102綜采工作面，南部為井田邊界，北部為9#煤南翼三條大巷。其采掘工程平面圖如圖1所示。9101工作面走向長958 m，工作面長205 m，推進(jìn)速度為5 m/d.回采煤層為9號煤層，埋深174 m，煤層均厚為1.6 m，煤層層位較穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡單，平均傾角為8°，為緩傾斜煤層。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，老頂為細(xì)粒砂巖，直接底為砂質(zhì)泥巖，老底為石灰?guī)r。其頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 9#煤頂?shù)装鍘r性柱狀表

圖1 9101工作面采掘工程平面示意圖

9#煤層的直接充水含水層為其頂板K5灰?guī)r含水層，屬弱富性含水層，頂板水的補(bǔ)給條件較弱，9#煤層局部頂板裂隙發(fā)育，回采推進(jìn)中，會出現(xiàn)頂板裂隙淋水。為控制工作面開采的水害風(fēng)險，上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度必須精準(zhǔn)確定。

2 緩傾斜煤層導(dǎo)水裂隙帶高度計算

由表1可知，9#煤頂板上覆巖層以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、石灰?guī)r為主。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中對覆巖巖性的判定依據(jù)，可知9#煤上覆巖層巖性屬于中硬巖層。可依據(jù)公式(1)、公式(2)和公式(3)，分別對跨落帶高度、導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行估算。

(1)

(2)

(3)

式中，HK為跨落帶高度，單位為m；HL為導(dǎo)水裂隙帶高度，單位為m；∑M為累計采厚，單位為m.

根據(jù)公式(1)計算得出，9#煤層跨落帶高度為(3.83～8.23)m；根據(jù)公式(2)計算得出，裂隙帶高度為(20.37～31.57)m；根據(jù)公式(3)計算得出，裂隙帶高度為(15.30～35.30)m.綜合公式(2)和公式(3)，預(yù)估9#煤層導(dǎo)水裂隙帶高度在(15.30～35.30)m范圍內(nèi)。

3 緩傾斜煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立

為了研究緩傾斜煤層導(dǎo)水裂隙帶在傾向方向上的分布特征，以及導(dǎo)水裂隙帶隨工作面推進(jìn)的演化規(guī)律，根據(jù)9#煤層頂?shù)装鍘r性特征建立了數(shù)值模型，如圖2所示。模型長400 m，寬300 m，高100 m.X方向?yàn)楣ぷ髅孀呦?，即工作面推進(jìn)方向；Y方向?yàn)楣ぷ髅鎯A向，即工作面布置方向；Z方向?yàn)榇瓜?。各巖層厚度與實(shí)際層厚基本相符，最底部細(xì)砂巖巖層厚度由8.38 m擴(kuò)為40 m，其在模擬計算過程中，不影響導(dǎo)水裂隙帶的演化，巖層傾角取8°.模型共劃分113 040個單元，120 528個節(jié)點(diǎn)。模型底部、前后、左右邊界設(shè)為固定邊界，頂部設(shè)為應(yīng)力約束。根據(jù)9#煤的賦存條件可知，該煤層埋深約為174 m.模型煤層頂部覆巖部分約為50 m厚，模型上部邊界埋深124 m，容重取0.025×106N/ m3，計算可得模型上部應(yīng)力約為3.1 MPa.各巖層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖2 數(shù)值模型

表2 模型巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬方案

為了消除邊界效應(yīng)的影響，模型采煤工作面開挖從X=50 m處開挖，X=300 m處停止。采煤工作面沿煤層傾向布置，位于Y=50 m至255 m范圍內(nèi)。模型采用分步式開挖法，工作面每次開挖5 m，頂板自由跨落，隨之上覆巖層破壞。

3.3 模擬結(jié)果分析

3.3.1 傾向方向?qū)严稁Оl(fā)育規(guī)律

圖3為工作面推進(jìn)過程中，各巖層沿傾向方向的塑性區(qū)破壞圖。由圖可以看出，工作面推進(jìn)10 m時，工作面上覆巖層僅受剪切應(yīng)力影響，影響范圍為工作面正上方區(qū)域直接頂；工作面推進(jìn)60 m時，工作面直接頂受剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力影響，發(fā)生張拉破壞，可能產(chǎn)生縱向裂隙，破壞了直接頂?shù)拿荛]性，同時，直接頂之上的細(xì)砂巖、粉砂巖巖層區(qū)域穩(wěn)定，未受破壞，之上的砂質(zhì)泥巖受剪應(yīng)力影響，但并未受到拉應(yīng)力影響產(chǎn)生張拉破壞，因此，可判定此時工作面上覆巖層的導(dǎo)水裂隙帶高度為3 m，影響區(qū)域?yàn)楣ぷ髅嬲戏街苯禹攨^(qū)域，兩端各超5 m；工作面推進(jìn)120 m時，工作面上方直接頂砂質(zhì)泥巖、基本頂細(xì)砂巖受剪切應(yīng)力、拉應(yīng)力影響，發(fā)生不同程度的剪切破壞和張拉破壞，縱向裂隙發(fā)育，其上的粉砂巖在靠近基本頂?shù)膮^(qū)域產(chǎn)生張拉破壞，可能形成縱向貫穿裂隙，同時，在工作面兩端上方存在較深的張拉破壞區(qū)域，高度約為19.8 m，范圍各超出工作面兩端10 m，可判斷此時上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度為19.8 m，影響區(qū)域?yàn)楣ぷ髅嬲戏街苯禹?、基本頂，以及之上的粉砂巖，最高處分布在超出工作面兩端10 m位置的19.8 m高處；工作面推進(jìn)180 m時，基本頂之上的粉砂巖繼續(xù)破壞，受張拉破壞的厚度由5 m擴(kuò)展為10 m，影響范圍由超出工作面10 m擴(kuò)展到15 m，受張拉破壞影響區(qū)域可能產(chǎn)生縱向貫穿裂隙，可判斷此時上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度為19.8 m；工作面推進(jìn)240 m時，基本頂之上的粉砂巖張拉破壞區(qū)域基本穩(wěn)定，張拉破壞區(qū)域厚約10 m，影響范圍仍為超出工作面兩端15 m，上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度為19.8 m；工作面推進(jìn)300 m時，基本頂之上的粉砂巖張拉破壞區(qū)域穩(wěn)定，基本無變化，影響范圍仍為超出工作面兩端15 m，上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度為19.8 m.煤層開采后，上覆巖層沉降離層，形成橫向裂隙，同時巖石的張拉破壞使上覆巖層形成縱向裂隙，破壞了頂板的密閉性，張拉破壞的高度決定導(dǎo)水裂隙帶的高度，將上覆巖層張拉破壞區(qū)域用線條圈定以表示上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶，如圖3(f).可以看出緩傾斜煤層上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶在傾向方向上分布呈“馬鞍形”，基本為對稱分布。

圖3 傾向方向上覆巖層塑形破壞圖

綜上，緩傾斜煤層上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶在傾向方向上分布呈“馬鞍形”，基本為對稱分布；隨著工作面的推進(jìn)，張拉破壞區(qū)域由直接頂向高處擴(kuò)展，在直接頂和基本頂中擴(kuò)展基本均勻，在基本頂之上的粉砂巖中擴(kuò)展時，工作面兩端上方最先出現(xiàn)張拉破壞，裂隙高度最高，之后在粉砂巖中由工作面兩端向中間區(qū)域擴(kuò)展，在工作面推進(jìn)120 m時，工作面上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到最大，為19.8 m，之后導(dǎo)水裂隙帶高度不再變化；工作面上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶最高處分布在工作面兩端上方，具體位置為基本頂之上粉砂巖Y=(35～70)m，Y=(235～270)m范圍內(nèi)；模擬導(dǎo)水裂隙帶高度為19.8 m，其值落在理論計算高度范圍內(nèi)，即(15.30～35.30)m，模擬結(jié)果與理論計算結(jié)果相符。

3.3.2 走向方向?qū)严稁Оl(fā)育規(guī)律

圖4為工作面推進(jìn)過程中，上覆巖層沿走向方向的塑性區(qū)破壞圖。由圖可以看出，工作面推進(jìn)10 m時，直接頂砂質(zhì)泥巖受剪破壞，但未產(chǎn)生張拉破壞；工作面推進(jìn)60 m時，采空區(qū)上方直接頂產(chǎn)生張拉破壞，縱向裂隙貫穿，此時導(dǎo)水裂隙帶高度為3 m；工作面推進(jìn)120 m時，采空區(qū)上方直接頂張拉破壞范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，縱向延伸至基本頂上方粉砂巖，在靠近工作面位置及采空區(qū)后方煤柱位置區(qū)域，張拉破壞區(qū)域分布范圍較大，此時導(dǎo)水裂隙帶高度為19.8 m，影響范圍為采空區(qū)正上方區(qū)域；工作面推進(jìn)180 m時，采空區(qū)上方張拉破壞區(qū)域在縱向方向上未進(jìn)一步擴(kuò)展，而直接頂至基本頂上方粉砂巖范圍內(nèi)，張拉破壞區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)展，沿走向方向，其張拉破壞區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)張，范圍超前工作面5 m，采空區(qū)后煤柱內(nèi)延伸5 m；工作面推進(jìn)240 m時，采空區(qū)上方張拉破壞區(qū)域在縱向上處于穩(wěn)定狀態(tài)，未進(jìn)一步擴(kuò)展，在走向方向上，其張拉破壞區(qū)域仍為超前工作面5 m，采空區(qū)后煤柱內(nèi)延伸5 m；工作面推進(jìn)300 m時，采空區(qū)上方張拉破壞區(qū)域在縱向上未進(jìn)一步擴(kuò)展，在走向方向上，其張拉破壞區(qū)域仍為超前工作面5 m，采空區(qū)后煤柱內(nèi)延伸5 m.將上覆巖層張拉破壞區(qū)域用線條圈定以表示上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶，如圖4(f).可以看出緩傾斜煤層上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶在走向方向上分布呈“馬鞍形”，基本為對稱分布。

圖4 走向方向上覆巖層塑形破壞圖

綜上，緩傾斜煤層上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶在走向方向上分布呈“馬鞍形”；隨著工作面的推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙帶分別在走向和縱向方向上的擴(kuò)展，在靠近工作面位置及采空區(qū)后方煤柱位置區(qū)域，張拉破壞區(qū)域擴(kuò)展速度較快，工作面推進(jìn)至120 m時，張拉破壞區(qū)域已經(jīng)在縱向方向上擴(kuò)展至19.8 m，之后隨著工作面的推進(jìn)，張拉破壞區(qū)域未在縱向方向上進(jìn)一步擴(kuò)展；工作面推進(jìn)至180 m時，張拉破壞區(qū)域在走向方向上擴(kuò)展至超前工作面5 m，采空區(qū)后煤柱內(nèi)5 m，之后處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》計算得出，9#煤層導(dǎo)水裂隙帶高度在(15.30～35.30)m范圍內(nèi)。

(2)以9101工作面為地質(zhì)背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行仿真模擬，得出工作面在傾向方向以及走向方向上導(dǎo)水裂隙帶高度為19.8 m，與理論計算相符。

(3)緩傾斜煤層上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶在傾向方向以及走向方向上分布呈“馬鞍形”，且對稱分布，導(dǎo)水裂隙帶高度為19.8 m，傾向方向上向工作面兩端各延伸15 m，走向方向上向工作面前方及采空區(qū)后煤柱各延伸5 m.

(4)隨著工作面的推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙帶在采空區(qū)域上方邊界處，即傾向方向的工作面兩端，走向方向上工作面位置及采空區(qū)后煤柱位置，擴(kuò)展速度較快；分別在工作面推進(jìn)至120 m時，達(dá)到最高值19.8 m，之后隨著工作面的推進(jìn)，縱向方向上導(dǎo)水裂隙帶未進(jìn)一步向高處擴(kuò)展。