劉卓然，趙高博

(1.天地科技股份有限公司，北京 100020；2.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；3.遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 125105)

煤炭開采后必然會引起上覆巖層的破壞、應力場與裂隙場的變化，形成導水斷裂帶(包括垮落帶與斷裂帶)[1-2]。而綜放開采誘發(fā)的覆巖破壞更加劇烈，其覆巖移動規(guī)律特殊性明顯，研究綜放開采覆巖破壞特征與導水斷裂帶高度對水體下采煤、瓦斯治理的保護層開采等的影響均具有重要意義[3-6]。

目前，錢鳴高院士與宋振騏院士分別提出的“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型[7]與“傳遞巖梁”結(jié)構(gòu)模型[8]，為國內(nèi)外學者研究采動覆巖破壞特征提供了重要的思路。另外，許家林等[9-10]基于“關鍵層”理論，研究了不同覆巖結(jié)構(gòu)類型下的覆巖破壞特征與關鍵層失穩(wěn)機制；郭文兵等[11-12]提出了覆巖破壞充分采動程度的概念、定義及理論判別方法，對研究導水斷裂帶發(fā)育最大高度具有重要意義；王金安等[13]通過數(shù)值模擬方法研究表明，淺埋堅硬覆巖開采條件下采場上方存在“復合壓力拱”結(jié)構(gòu)；高延法[14]、黃萬朋[15]等研究了覆巖裂縫與巖層拉伸變形的關系，提出了一種考慮覆巖組合結(jié)構(gòu)與巖層拉伸變形的覆巖破壞高度預計方法；張宏偉等[16]采用物理探測、數(shù)值模擬與微震監(jiān)測等綜合方法，研究了覆巖破壞高度；黃歡等[17]運用偏最小二乘回歸法，計算了導水斷裂帶高度；郭小銘等[18]采用現(xiàn)場實測方法，研究了強沖擊礦壓礦井綜放開采覆巖破壞高度。

上述學者對綜放開采覆巖破壞特征或?qū)當嗔褞Ц叨榷紡膯畏矫孢M行了較為充分的研究，但僅有少數(shù)學者從兩方面進行綜合研究。筆者基于盛泰煤礦15201綜放工作面地質(zhì)條件，采用理論分析與數(shù)值模擬方法，研究綜放開采覆巖破壞特征與導水斷裂帶最大發(fā)育高度，以期為我國類似地質(zhì)條件礦區(qū)的巖層移動規(guī)律研究提供參考。

1 盛泰煤礦15201綜放工作面概況

盛泰煤礦15201綜放工作面走向長2 610 m，傾向長200 m，煤層平均厚度為4 m，工作面開采深度約為210 m。直接頂灰?guī)r厚度為6.0～10.2 m，巖性堅硬，基本頂?shù)V壓顯現(xiàn)強烈。底板為泥巖、細砂巖，厚度為1.4～10.2 m，屬于松軟類底板。煤層頂?shù)装逄卣魅绫?所示。

表1 煤層頂?shù)装逄卣髑闆r

分析礦井水文地質(zhì)柱狀圖與采掘過程中實際揭露地質(zhì)情況，可知15201綜放工作面共有4個含水層會對工作面產(chǎn)生影響，分別為距離煤層底板12.8、26.7、43.7、84.0 m的石灰?guī)r層，巖溶裂隙發(fā)育，富水性強。其中煤層底板上方12.8 m的石灰?guī)r層水為該工作面的直接充水水源，經(jīng)常出現(xiàn)頂板淋水。因此，在工作面回采前，應對上覆巖溶裂隙水進行疏放，在工作面回采時注意頂板淋水，加強涌水量觀測、加強排水。

2 盛泰煤礦采動覆巖破壞特征模擬

為研究盛泰煤礦15201綜放工作面開采的覆巖破壞特征，通過3DEC離散元數(shù)值模擬軟件，對開采過程中上覆巖層破斷分布形態(tài)特征與豎直位移進行模擬分析。15201綜放工作面上覆巖層134.0 m范圍內(nèi)的覆巖柱狀圖如圖1所示。

圖1 15201綜放工作面覆巖柱狀圖

2.1 數(shù)值模型建立

3DEC是一款基于離散單元法為基本理論，描述離散介質(zhì)力學行為的計算分析程序[19]。根據(jù)盛泰煤礦15201綜放工作面及上覆巖層實際地質(zhì)條件，建立數(shù)值計算模型，模型尺寸為320 m×1 m×171 m，模型底部為固定邊界，4個側(cè)面設定為水平移動邊界。3DEC數(shù)值模型的塊體本構(gòu)模型選用莫爾-庫侖模型，節(jié)理本構(gòu)模型選為庫侖滑移模型。

為去除數(shù)值模型的邊界效應，邊界煤柱的寬度為50 m。模擬工作面上覆巖層范圍為130 m，因15201綜放工作面開采深度約為210 m，所以在模型上方施加未模擬的80 m巖層載荷，約為2 MPa；模擬工作面底板厚度為37 m，工作面采高為4 m，模擬工作面走向推進220 m，每步開挖20 m，共開挖11步。不同覆巖巖性及節(jié)理模擬力學參數(shù)如表2所示，3DEC數(shù)值模型及初始豎直應力云圖如圖2所示。

表2 不同覆巖巖性及節(jié)理模擬力學參數(shù)

圖2 3DEC數(shù)值模型及初始豎直應力云圖

2.2 采動覆巖破壞特征模擬結(jié)果分析

根據(jù)15201綜放工作面實際采礦地質(zhì)條件，當采高為4 m時，模型每次推進20 m，共推進11次，提取每次模型豎直位移分布云圖，如圖3所示。上覆巖層失穩(wěn)后，裂隙沿縱向貫穿覆巖巖層，視為該巖層破斷，歸入導水斷裂帶。在3DEC離散元數(shù)值模擬軟件中可模擬采動覆巖的破斷，從而可直觀地判斷裂隙是否貫穿某一覆巖巖層，進而可得導水斷裂帶最大高度。

圖3 砌體梁結(jié)構(gòu)的形成與失穩(wěn)過程

由圖3可知，當工作面推進至40 m時(見圖 3(b))，直接頂(石灰?guī)r)垮落至采空區(qū)底板，導水斷裂帶高度為16 m；隨著工作面的繼續(xù)推進(見圖3(c)、3(d))，上覆巖層失穩(wěn)破斷至采空區(qū)，且導水斷裂帶發(fā)育高度逐漸增加；當工作面推進至100 m 時(見圖3(e))，上覆巖層(基本頂)破斷后形成砌體梁結(jié)構(gòu)，此時覆巖破壞發(fā)育高度為22 m；當工作面繼續(xù)推進至120 m時(見圖3(f))，砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，垮落至采空區(qū)，導水斷裂帶高度發(fā)育至36 m。

為對上述數(shù)值模擬部分得出的直接頂(石灰?guī)r)垮落、基本頂破斷后的砌體梁結(jié)構(gòu)與失穩(wěn)現(xiàn)象進行深入討論，可進一步通過理論分析建立2個采動覆巖破壞理論力學模型：直接頂板破壞力學模型與砌體梁失穩(wěn)力學模型，分別如圖4、圖5所示。

圖4 直接頂板破壞力學模型

圖5 基本頂砌體梁力學模型

圖4中：Gi為第i層巖層自重，kN；Lki max為第i層巖層的極限跨距，m，當該巖層最大正應力大于抗拉強度極限時巖層發(fā)生破壞；hi為第i層巖層的厚度，m；qi為巖層所受的載荷集度，kN/m；Fs為剪切力，kN；M為力矩，kN·m；G′i為第i層巖層懸臂部分的自重，kN；Lsi max為第i層巖層的極限懸伸跨距，m，當?shù)趇層巖層懸臂部分的最大正應力大于其抗拉強度時，該巖層將破斷；q′i為巖層懸臂部分所受的載荷集度，kN/m。

極限跨距、極限懸伸跨距可表示為：

(1)

(2)

式中：RT為第i層巖層的抗拉強度，MPa；ki為巖層自重載荷集度，kN/m。

圖5中：q″i為作用于失穩(wěn)巖塊上的載荷集度，kN/m；Fh為使巖塊保持平衡的水平推力，kN；L′si max為失穩(wěn)巖塊可保持平衡的長度，m。

根據(jù)三鉸拱平衡原理可得：

(3)

依據(jù)建立的直接頂板破壞力學模型與基本頂砌體梁力學模型，從理論角度揭示了采動直接頂與基本頂失穩(wěn)機制。由于式(1)～(3)中的部分理論參數(shù)難以定值，文中未對其定量計算，而是定性分析了直接頂失穩(wěn)、基本頂砌體梁失穩(wěn)的影響因素。

由式(1)和式(2)可知，直接頂板失穩(wěn)與巖層巖性、厚度、所受載荷集度、巖層懸臂部分所受的載荷集度等因素有關。

由式(3)可知，基本頂砌體梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)與作用于巖層的巖性、巖塊厚度、失穩(wěn)巖塊上的載荷集度、巖塊間的水平推力等因素有關。

隨著綜放工作面繼續(xù)推進，覆巖破壞發(fā)育過程如圖6所示。

圖6 覆巖裂隙閉合過程

由圖6(a)～6(b)可知，當工作面推進至140、160 m時，導水斷裂帶高度分別發(fā)育至42、45 m;由圖6(c)可知，當工作面繼續(xù)推進(如推進至180 m)，上覆巖層破壞的裂隙被壓密而閉合，導水斷裂帶高度不再向上發(fā)育且達到該地質(zhì)采礦條件下的最大值，覆巖達到充分破壞。因此在15201綜放工作面采礦地質(zhì)條件下，當采高為4 m時，導水斷裂帶最大發(fā)育高度為45 m。

綜上可知盛泰煤礦15201綜放工作面覆巖破壞特征：當工作面推進至100 m時，基本頂破斷后形成砌體梁結(jié)構(gòu)；當工作面繼續(xù)推進至120 m時，砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導水斷裂帶高度一直增加；當推進至180 m時，上覆巖層破壞的裂隙被壓密而閉合，導水斷裂帶高度不再向上發(fā)育，導水斷裂帶最大發(fā)育高度為45 m。

3 盛泰煤礦導水斷裂帶高度模擬

基于15201綜放工作面實際地質(zhì)條件，對不同開采條件下煤層開采導水斷裂帶高度進行研究。

3.1 不同采高對導水斷裂帶高度的影響

當綜放工作面采高分別為3、4、5 m時，導水斷裂帶最大發(fā)育高度云圖如圖7所示。

圖7 采高3、4、5 m時導水斷裂帶最大發(fā)育高度云圖

根據(jù)模擬結(jié)果，繪制綜放工作面采高為3、4、5 m時導水斷裂帶發(fā)育高度曲線，如圖8所示。

圖8 采高3、4、5 m時導水斷裂帶發(fā)育高度曲線

由圖8可知，導水斷裂帶高度隨著工作面推進距離的增加呈現(xiàn)階梯狀上升。當采高為3、4、5 m 時，導水斷裂帶最大高度分別為33、45、75 m。由此可知15201綜放工作面導水斷裂帶高度隨著采高的增加而增加。這是由于隨著工作面采高的增加，工作面開采后引起的空間體積(工作面傾向長度×走向長度×采高)增加，上覆巖層破斷垮落至采空區(qū)的離層空間(Δi,i+1)增加，其計算公式如下：

(4)

根據(jù)式(4)可知，采高越大，離層空間則越大，導致導水斷裂帶高度增加。

3.2 不同工作面傾向長度對導水斷裂帶高度的影響

當采高設置為4 m并固定不變時，工作面傾向開采長度分別為180、200、220 m，模型開挖結(jié)束后，提取導水斷裂帶最大發(fā)育高度時的豎直位移分布云圖，如圖9所示。

利用測井方法可以識別出海底淺水流的存在。淺水流的測井反應有低電阻率、高聲波時差、低密度、高中子孔隙度和低自然伽馬等特征。聲波時差曲線能夠反映聲波在井壁附近地層傳播速度，根據(jù)聲波在不同地層的傳播速度可以識別不同的地層巖性，進行地層對比，從而能夠分析判斷高壓流砂的位置，用來確定巖層孔隙度。中子伽馬測井主要是為了測量地層的含氫量，測量方法是用同位素中子源照射地層，接收輻射核反應產(chǎn)生的伽馬射線并測量其強度。中子伽馬射線強度值越小，則地層含氫量越大，從而地層中淺水流含量越大；反之中子伽馬射線強度值越大，則地層含氫量越小，地層中淺水流含量越低。

(a)工作面傾向長度180 m

由圖9可知，隨著工作面傾向長度的增加(180、200、220 m)，導水斷裂帶高度也逐漸增加(38、38、42 m)，但增加的幅度不大，適當?shù)乜刂乒ぷ髅鎯A向長度對降低導水斷裂帶高度具有一定的意義。

3.3 不同煤層傾角對導水斷裂帶高度的影響

將采高設置為4m，當工作面傾向角度分別為0°、3.5°、7.0°時，模型開挖結(jié)束后，提取導水斷裂帶最大發(fā)育高度時的豎直位移分布云圖，如圖10 所示。

(a)煤層傾角0°

由圖10可知，當煤層傾角為0°時，采空區(qū)左右兩側(cè)豎直位移云圖基本相同，但隨著煤層傾角的增大，失穩(wěn)巖塊向下山方向堆積，豎直位移云圖呈現(xiàn)不對稱現(xiàn)象；隨著煤層傾角的增大(0°、3.5°、7.0°)，導水斷裂帶高度也持續(xù)增大(38、42、42 m)，但增加的幅度不大。對于煤層傾角較大的區(qū)域(尤其是上山方向)，應對涌水量進行重點監(jiān)測并采取適當?shù)姆乐嗡夹g措施。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，繪制不同采高、工作面傾向長度、煤層傾角對導水斷裂帶最大高度的影響曲線，如圖11所示。

(a)不同采高

由圖11可知，導水斷裂帶最大高度(Hmax)與采高(M)、工作面傾向長度(L)、煤層傾角(α)回歸曲線的斜率分別為21、0.1、0.571，說明煤層采高、工作面傾向長度、煤層傾角與導水斷裂帶高度呈正相關關系，其中導水斷裂帶最大高度與采高回歸曲線的斜率最大，說明采高對導水斷裂帶高度的影響最大。因此，在相同覆巖巖性、相同開采方法、相同頂板管理方法的條件下，采高為導水斷裂帶高度的主控因素。

4 3DEC離散元數(shù)值模擬結(jié)果驗證

參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》(簡稱《指南》)，根據(jù)覆巖綜合評價系數(shù)P(其值取決于各層覆巖的巖性及其厚度)判定煤礦的覆巖巖性[20]，其計算公式如下：

(5)

式中：mi為覆巖i分層的法線厚度，m；Qi為覆巖i分層巖性評價系數(shù)。

根據(jù)式(5)計算，覆巖巖性綜合評價系數(shù)P=0.500，判定盛泰煤礦15201綜放工作面上覆巖層巖性為中硬巖層?！督ㄖ?、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》(簡稱《規(guī)范》)中覆巖巖性為中硬的綜放開采導水斷裂帶高度經(jīng)驗公式為[21]：

(6)

(7)

由式(6)、式(7)計算出盛泰煤礦15201綜放工作面導水斷裂帶高度分別為34.4～45.6、50 m。由上述離散元數(shù)值模擬分析得到該工作面的導水斷裂帶最大高度為45 m，其值位于式(6)、式(7)計算范圍之內(nèi)，驗證了上述數(shù)值模擬的合理性。

5 結(jié)論

1)采用數(shù)值模擬方法分析了盛泰煤礦15201綜放工作面的采動覆巖破壞過程，并采用理論分析方法建立了直接頂破壞與基本頂砌體梁失穩(wěn)力學模型，揭示了采動直接頂與基本頂失穩(wěn)機制。

2)研究了不同開采因素對導水斷裂帶高度的影響，隨著采高、工作面傾向長度、煤層傾角的增加，導水斷裂帶高度增加，采高為導水斷裂帶高度的主控因素。

3)以15201綜放工作面為工程背景，模擬得到該工作面導水斷裂帶最大高度為45 m，其值位于《規(guī)范》經(jīng)驗公式計算結(jié)果范圍之內(nèi)，驗證了該數(shù)值模擬模型及巖性參數(shù)的合理性。