謝黨虎，王建文，李民峰，郭書(shū)全，王二云，馬宗宇，杜超杰

（1.陜西涌鑫礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719407；2.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

我國(guó)神南礦區(qū)煤炭?jī)?chǔ)量豐富，煤層埋深淺、煤層間距較小[1]。近距離煤層重復(fù)采動(dòng)覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞c淺部含水層連通，極易造成工作面突水潰沙現(xiàn)象。因此，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨仁巧衲系V區(qū)“科學(xué)采礦”的重要依據(jù)[2-4]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于采動(dòng)覆巖斷裂帶高于進(jìn)行了大量研究。許家林等[5]基于工程實(shí)測(cè)和理論研究提出了通過(guò)覆巖關(guān)鍵層位置來(lái)預(yù)計(jì)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊男路椒ǎ瑥浹a(bǔ)了將頂板巖性均化預(yù)測(cè)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊牟蛔?；黃慶享等[6-8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和物理模擬提出了淺埋煤層覆巖破壞“拱梁”結(jié)構(gòu)模型和“雙關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)模型；GUO Wenbing 等[9]提出了1種基于覆巖失效轉(zhuǎn)移過(guò)程的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨阮A(yù)測(cè)的新理論；許峰等[10]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及數(shù)值模擬手段，對(duì)神東礦區(qū)多層煤層重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育高度進(jìn)行了實(shí)測(cè)與計(jì)算，表明42 上煤開(kāi)采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟀l(fā)育高度達(dá)到頂板以上160 m，溝通了延安組和直羅組含水層，但未溝通白堊系志丹群含水層；康國(guó)彪等[11]研究了神東礦區(qū)大采高工作面覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度及其影響因素；楊達(dá)明等[12]研究了厚松散層軟弱覆巖下綜放開(kāi)采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度，厚煤層軟弱覆巖厚松散層條件下綜放開(kāi)采的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扰c采厚比為6.87～7.02；左建平等[13]、SUN Yunjiang 等[14-15]提出了淺埋煤層開(kāi)采覆巖裂隙場(chǎng)呈類(lèi)雙曲線形態(tài)分布特征。上述研究未考慮厚黃土層覆巖條件下近距離煤層重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律。為此，采用相似模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)測(cè)方法研究神南礦區(qū)檸條塔礦厚黃土和紅土層條件下近距離1-2煤和2-2煤開(kāi)采覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律，為該礦區(qū)淺部近距離煤層開(kāi)采頂板突水潰沙防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程背景

檸條塔煤礦位于陜北礦區(qū)，1-2煤和2-2煤為近距離煤層，間距約為40 m。1-2煤層厚度由北向南遞減，南翼1-2煤不采；北翼先采1-2煤后采2-2煤。目前北翼正在開(kāi)采2-2煤層，埋深約170 m，平均厚度約為4.9 m。礦區(qū)內(nèi)有2 個(gè)主要含水層：①第四系松散孔隙潛水含水層分布于考烏素溝以南地區(qū)，含水層巖性多為粉細(xì)砂及細(xì)砂，含水層厚0～25.04 m，一般厚10.00 m 左右，水位埋深2.80～16.20 m，礦化度為0.18～0.257 g/L，為HCO-Ca 及HCO-Ca·Mg 型水；②侏羅系風(fēng)化基巖承壓水含水層分布較普遍，受到不同程度的風(fēng)化，巖石結(jié)構(gòu)雜亂，松軟易碎，孔隙度增大，巖石透水性增強(qiáng)，節(jié)理裂隙顯現(xiàn)，含水層厚度10.00～33.76 m，一般20.00～30.00 m，滲透系數(shù)為0.056 59～0.111 m/d，礦化度為212～228 mg/L，水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Ca·Mg 或HCO3-Ca·Na 型。在2 個(gè)含水層中間存在保德組紅土隔水層。

由于神南礦區(qū)煤層埋藏淺、煤層厚，1-2煤和2-2煤重復(fù)開(kāi)采上覆巖層斷裂帶發(fā)育到含水層，可能造成工作面突水潰沙事故。因此，有必要對(duì)神南礦區(qū)淺埋近距離煤層重復(fù)采動(dòng)覆巖斷裂帶發(fā)育高度進(jìn)行研究，指導(dǎo)煤礦安全開(kāi)采和生態(tài)保護(hù)。

2 覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律理論分析

目前對(duì)于硬巖層破斷已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，當(dāng)硬巖層彎曲下表面產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力σtmax達(dá)到抗拉強(qiáng)度，則硬巖層會(huì)斷裂，產(chǎn)生豎向的導(dǎo)水裂隙，可根據(jù)下式來(lái)判斷：

式中：Iz為巖層的慣性矩，Iz=bh3/12；［σt］為巖層的抗拉強(qiáng)度；M 為巖層的彎矩，M=ql2/8；b 為巖梁的寬度；h 為巖梁的厚度；l 為巖層斷裂的極限跨距；q為巖層上的載荷。

式中：i 為各巖層的編號(hào)；Ei為巖層彈性模量；ρi為巖層密度。

取單位巖梁寬度，可得巖梁發(fā)生斷裂，產(chǎn)生豎向裂縫的臨界跨距l(xiāng)i，hard為：

在導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)展到一定高度后，軟弱巖層（如泥巖、黃土層、紅土層等）是抑制導(dǎo)水?dāng)嗔褞蛏习l(fā)展的關(guān)鍵。軟巖一般抗變形能力較強(qiáng)，但強(qiáng)度較低，故采用應(yīng)變來(lái)分析紅土層和黃土層破壞情況。固支梁彎曲后下表面的最大拉應(yīng)變?chǔ)舖ax為：

變形可得到軟巖彎曲產(chǎn)生最大水平拉伸應(yīng)變的極限跨距l(xiāng)i，soft：

頂部發(fā)生斷裂巖層與煤層之間的距離Hf即為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育的高度，其與工作面推進(jìn)距離之間存在如下關(guān)系：

式中：D 為工作面推進(jìn)距離；φq、φh分別為巖層的前方、后方斷裂角，根據(jù)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)得知，覆巖前方破斷角φq和后方破斷角φh分別取56°和61°。

根據(jù)檸條塔礦各巖層力學(xué)參數(shù)和式（6）可得檸條塔煤礦北翼1-2煤和2-2煤開(kāi)采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律。檸條塔礦北翼1-2煤和2-2煤開(kāi)采后覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律如圖1。

圖1 檸條塔礦北翼1-2 煤和2-2 煤開(kāi)采后覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律Fig.1 Variation of water-conducting fracture zone height caused after 1-2 coal and 2-2 coal mining in Ningtiaota Coal Mine

由圖1 可知：在1-2煤和2-2煤重復(fù)采動(dòng)后基巖堅(jiān)硬巖層均會(huì)發(fā)生破斷而產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙。根據(jù)式（6）計(jì)算可得導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度約為136.9 m，即導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育到2 號(hào)紅土層內(nèi)，但并沒(méi)有導(dǎo)穿。由此可見(jiàn)，軟巖層（紅土層）對(duì)抑制導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)展起著決定性作用。

3 覆巖破壞及斷裂帶發(fā)育規(guī)律物理模擬試驗(yàn)

3.1 相似模型參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布置

1）相似參數(shù)確定。物理模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?.0 m×2.5 m×0.2 m，模型相似比為αl=1∶150；時(shí)間相似比為αt=1∶11；密度相似比為αρ=2∶3；強(qiáng)度、彈模、黏聚力相似比為αR=αE=αC=1∶225；內(nèi)摩擦角相似比為αφ=1∶1；作用力相似比為αf=0.386×10-6。

2）相似材料的選擇與配比。相似材料主要有河沙、石膏、大白粉、粉煤灰，模型在鋪設(shè)時(shí)均勻地撒上云母粉作為分層弱面。根據(jù)相似條件，確定的模擬實(shí)驗(yàn)相似材料配比方案見(jiàn)表1。

表1 模擬實(shí)驗(yàn)相似材料配比方案Table 1 Similar material matching schemes of simulation experiment

3）監(jiān)測(cè)方案。模型共布置7 條位移監(jiān)測(cè)線，監(jiān)測(cè)線分別距離2-2煤15 cm（監(jiān)測(cè)線A，2-2煤頂板）、27 cm（監(jiān)測(cè)線B，亞關(guān)鍵層）、36 cm（監(jiān)測(cè)線C，1-2煤頂板）、53 cm（監(jiān)測(cè)線D，主關(guān)鍵層）、71 cm（監(jiān)測(cè)線E，紅土層與基巖分界面）、103 cm（監(jiān)測(cè)線F，紅土層中間位置）、130 cm（監(jiān)測(cè)線G，約地表）。其中，每條監(jiān)測(cè)線布置19 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距為15 cm。模型自上而下先開(kāi)采上部的1-2煤層，再開(kāi)采下部的2-2煤層，兩煤層開(kāi)切眼垂直，每次均開(kāi)挖1.0 cm。

3.2 煤層重復(fù)開(kāi)采覆巖斷裂帶高度演變規(guī)律

3.2.1 1-2煤開(kāi)采覆巖斷裂帶發(fā)育規(guī)律

1-2煤不同推進(jìn)度覆巖破斷規(guī)律如圖2。

圖2 1-2 煤不同推進(jìn)度覆巖破斷規(guī)律Fig.2 Variation of overburden breaking and fissures with advancing of 1-2 coal

由圖2 可知：當(dāng)工作面開(kāi)采58.5 m 時(shí)，基本頂發(fā)生初次斷裂；當(dāng)工作面開(kāi)采73.5 m 時(shí)，基本頂發(fā)生第1 次周期斷裂，周期斷裂步距約為15 m；當(dāng)1-2煤開(kāi)采330 m，達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，覆巖斷裂帶高度約為50 m，尚未與上部的第四系松散孔隙潛水和侏羅系風(fēng)化基巖承壓水連通，故不會(huì)發(fā)生突水事故，也不會(huì)造成地下水位下降。

3.2.2 2-2煤開(kāi)采覆巖斷裂帶發(fā)育規(guī)律

1-2 煤和2-2煤層開(kāi)采后覆巖破斷規(guī)律如圖3。

圖3 1-2 煤和2-2 煤層開(kāi)采后覆巖破斷規(guī)律Fig.3 Variation of overburden breaking and fissures after mining of 1-2 coal and 2-2 coal

由圖3 可知：當(dāng)工作面開(kāi)采66 m 時(shí)，基本頂發(fā)生初次斷裂；當(dāng)工作面開(kāi)采80 m 時(shí)，基本頂發(fā)生第1 次周期斷裂，周期斷裂步距約為14 m；當(dāng)1-2煤開(kāi)采330 m，達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，覆巖斷裂帶高度約為135 m，與上部侏羅系風(fēng)化基巖承壓水連通，故需要采取措施防止突水，但并未與第四系松散孔隙潛水連通，故對(duì)淺部地下水位影響較小。

1-2 煤和2-2煤開(kāi)采后覆巖下沉曲線如圖4，1-2煤和2-2煤重復(fù)開(kāi)采覆巖斷裂帶發(fā)育高度變化規(guī)律如圖5。

圖4 1-2 煤和2-2 煤開(kāi)采后覆巖下沉曲線Fig.4 Subsidence curves of overlying strata after 1-2 coal and 2-2 coal mining

圖5 1-2 煤和2-2 煤重復(fù)開(kāi)采覆巖斷裂帶發(fā)育高度變化規(guī)律Fig.5 Variation of fractured zone in overburden in repeated mining of 1-2 coal and 2-2 coal

由圖4 結(jié)合圖5 可知：1-2煤開(kāi)采后，地表最大下沉量約為1.1 m，下沉系數(shù)約為0.55；1-2煤和2-2煤開(kāi)采后，地表最大下沉量約為3.5 m，下沉系數(shù)約為0.51；1-2煤開(kāi)采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度約為56 m，2-2煤開(kāi)采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度約為140 m。當(dāng)2-2煤開(kāi)采100 m 以后，導(dǎo)水?dāng)嗔褞У母叨韧蝗欢冈?，主要是由?-2煤頂板斷裂帶與1-2煤開(kāi)采產(chǎn)生的斷裂帶導(dǎo)通。當(dāng)兩層煤推進(jìn)超過(guò)150 m 后，斷裂帶高度保持穩(wěn)定。

4 覆巖斷裂帶發(fā)育規(guī)律數(shù)值模擬

根據(jù)檸條塔礦地質(zhì)資料，采用離散元UDEC 建立檸條塔礦1-2煤和2-2煤開(kāi)采數(shù)值模型，模型側(cè)壓系數(shù)取1.0。考慮到邊界效應(yīng)，工作面開(kāi)挖距離邊界100 m，推進(jìn)距離為300 m，此時(shí)已達(dá)到充分采動(dòng)。

1-2 煤開(kāi)采覆巖斷裂帶高度變化規(guī)律如圖6，2-2煤開(kāi)采覆巖斷裂帶高度變化規(guī)律如圖7，1-2煤和2-2煤不同推進(jìn)度覆巖斷裂帶高度變化規(guī)律如圖8。

圖6 1-2 煤開(kāi)采覆巖斷裂帶高度變化規(guī)律Fig.6 Variation of overburden breaking and fissures during 1-2 coal mining

圖7 2-2 煤開(kāi)采覆巖斷裂帶高度變化規(guī)律Fig.7 Variation of overburden breaking and fissures during 2-2 coal mining

圖8 1-2 煤和2-2 煤不同推進(jìn)度覆巖斷裂帶高度變化規(guī)律Fig.8 Variation law of fractured zone height in overburden with different advancing degrees of 1-2 and 2-2 coal

由圖6、圖7、圖8 可知：

1）當(dāng)1-2煤工作面開(kāi)采55 m 時(shí)，基本頂發(fā)生初次斷裂；當(dāng)工作面開(kāi)采70 m 時(shí)，基本頂發(fā)生第1 次周期斷裂，周期斷裂步距約為15 m；當(dāng)1-2煤開(kāi)采300 m，達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，覆巖斷裂帶發(fā)育高度如圖6（c），覆巖斷裂帶高度約為50 m，沒(méi)有與上部第四系松散孔隙潛水和侏羅系風(fēng)化基巖承壓水連通。當(dāng)2-2煤工作面開(kāi)采65 m 時(shí)，基本頂發(fā)生初次斷裂；當(dāng)工作面開(kāi)采80 m 時(shí)，基本頂發(fā)生第1 次周期斷裂，周期斷裂步距約為15 m。

2）當(dāng)2-2煤開(kāi)采300 m，達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，覆巖斷裂帶發(fā)育高度如圖7（c），覆巖斷裂帶高度約為140 m，與上部侏羅系風(fēng)化基巖承壓水連通，故需要采取措施防止突水。

5 覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨痊F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及突水防控

5.1 覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨痊F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為了驗(yàn)證斷裂帶高度模擬結(jié)果的正確性，利用鉆孔窺視儀從地表鉆孔觀測(cè)覆巖中的采動(dòng)裂隙。由1-2 煤和2-2煤重復(fù)采動(dòng)后覆巖裂隙發(fā)育現(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)測(cè)圖可知：基巖都有明顯的宏觀裂隙，表明1-2煤和2-2煤重復(fù)采動(dòng)斷裂帶高度大于基巖厚度（約100 m），并且從圖6（c）中可以看出在地下75 m 位置存在顯著的豎向宏觀裂隙，在地下75 m 以淺的位置沒(méi)有顯著的豎向裂隙，由此可判斷兩層煤開(kāi)采后覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞У母叨燃s為130 m，這與相似模擬結(jié)果（135 m）和數(shù)值模擬結(jié)果（140 m）非常接近。說(shuō)明1-2 煤和2-2煤重復(fù)采動(dòng)斷裂帶與上部侏羅系風(fēng)化基巖承壓水連通，故需要采取措施防止突水。

5.2 2-2 煤開(kāi)采工作面突水潰沙防控措施

分析得知檸條塔礦2-2煤層開(kāi)采后覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞?huì)發(fā)育到風(fēng)化基巖承壓含水層，故現(xiàn)場(chǎng)采用超前工作面疏放承壓水。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)施效果優(yōu)化后的方案為超前工作面300 m 從回采巷道向頂板風(fēng)化基巖打鉆孔提前疏放該含水層的承壓水。其中，鉆孔向工作面內(nèi)部?jī)A斜約15°，鉆孔間距約為50 m?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，在采取提前疏放承壓水措施后，2-2煤工作面開(kāi)采過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)突水潰沙災(zāi)害。

6 結(jié) 語(yǔ)

1）神南礦區(qū)檸條塔煤礦1-2煤充分采動(dòng)時(shí)，覆巖斷裂帶高度約為50 m，尚未與上部的第四系松散孔隙潛水和侏羅系風(fēng)化基巖承壓水連通，故不會(huì)發(fā)生突水事故。當(dāng)近距離1-2煤和2-2煤重復(fù)采動(dòng)時(shí)，覆巖斷裂帶發(fā)育高度約為135～140 m，與上部侏羅系風(fēng)化基巖承壓水連通，故需要采取措施防止突水。

2）現(xiàn)場(chǎng)采用鉆孔窺視儀實(shí)測(cè)斷裂帶的高度，在地下75 m 及以深位置存在顯著的豎向宏觀裂隙，故兩層煤開(kāi)采后覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞У母叨燃s為135 m，這與相似模擬結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果（均約為140 m）非常吻合。

3）由于1-2煤和2-2煤重復(fù)采動(dòng)覆巖斷裂帶與侏羅系風(fēng)化基巖承壓水連通，現(xiàn)場(chǎng)超前工作面300 m從回采巷道向頂板風(fēng)化基巖打鉆孔提前疏放該含水層的承壓水。其中，鉆孔向工作面內(nèi)部?jī)A斜約15°，鉆孔間距約為50 m。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，2-2煤工作面開(kāi)采過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)突水潰沙災(zāi)害。