彭洪濤，周俊杰

（1.潞安化工集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限公司，山西 長治 046103；2.河北工程大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引言

礦井開采中，煤層覆巖運(yùn)動規(guī)律及其導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測與探測，直接影響著礦井回采工作面工作效率及支護(hù)方式。特別是上覆巖層的巖體力學(xué)性質(zhì)較弱或者富含一定的礦井水，隨著開采工作的不斷推進(jìn)，煤層頂板支護(hù)和巖體破壞增強(qiáng)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和影響距離制約著礦井支護(hù)方式和開采效率[1-2]。如何準(zhǔn)確高效分析和評價煤層開采活動對煤層覆巖運(yùn)動的影響，是確定支護(hù)方式和手段的關(guān)鍵，也是對煤層頂板破壞深度確定的方法。針對覆巖運(yùn)動破壞特征分析，錢鳴高院士和宋振騏院士分別提出“砌體梁”和“傳遞巖梁”結(jié)構(gòu)模型，為國內(nèi)外眾多學(xué)者研究采動破壞理論[3-4]。目前，導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測常采用經(jīng)驗公式法、模擬實(shí)驗法和現(xiàn)場探測等多種方法相結(jié)合的研究方法。李民峰對陜北礦區(qū)利用相似材料模擬分析覆巖中裂隙帶呈現(xiàn)的空間分布特征，認(rèn)為理論分析與相似模擬結(jié)果一致[5]；王沛楠利用理論計算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測方法，研究礦井特厚煤層頂板破壞深度和控制理論[6]；喬倩等采用回歸分析方法預(yù)測不同主控因素下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測公式[7]；魏克敏等運(yùn)用有限差分法，對太平煤礦多煤層采場圍巖及其裂隙帶分布特征進(jìn)行研究[8]；多種煤礦開采工程實(shí)踐表明，礦井需要精細(xì)確定煤層開采中的頂板裂隙帶高度分布特征及預(yù)測方法。

在余吾煤礦南五采區(qū)的礦井地質(zhì)條件分析與評價基礎(chǔ)上，采用經(jīng)驗公式計算、計算機(jī)數(shù)值模擬計算、相似材料模擬實(shí)測計算方式，得到了不同預(yù)測方式下南五采區(qū)工作面開采時頂板覆巖運(yùn)動特征及煤層頂板裂隙帶發(fā)育高度數(shù)據(jù)。利用多種方法預(yù)測的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，結(jié)合礦井其它區(qū)域的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度實(shí)測的數(shù)據(jù)，采用回歸分析方法，修訂南五采區(qū)工作面煤層厚度與導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度的經(jīng)驗方程，預(yù)測了南五采區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度值。

1 概 況

余吾礦井位于屯留北側(cè)，現(xiàn)主采二疊系下統(tǒng)山西組3 號煤層，平均埋藏深550～600 m，最大埋深大于800 m。煤層厚度5.00～7.25 m，平均5.99 m。煤層穩(wěn)定，頂板一般為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，底板為黑色泥巖、粉砂巖，老底為中細(xì)粒砂巖。南五采區(qū)存在的充水通道主要有斷層或構(gòu)造破碎帶、陷落柱、封閉不良鉆孔以及3 號煤層開采形成的導(dǎo)水裂隙等。

綜合水文地質(zhì)分析認(rèn)為，礦井正常涌水量為303 m3/h，最大涌水量為340 m3/h。礦井內(nèi)太原組灰?guī)r含水層、山西組及下石盒子組砂巖裂隙含水層是影響3 號煤開采的主要含水層，上石盒子組砂巖裂隙含水層距離3 煤較遠(yuǎn)，且之間有隔水層，厚度較大，為次要含水層。

2 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測

2.1 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗公式計算

利用礦井和相鄰礦井相同煤層裂隙帶探查并預(yù)測成果，建立礦井及其相似礦井地質(zhì)條件的裂隙帶發(fā)育高度理論計算公式，并利用該計算模型，進(jìn)行礦井類似地質(zhì)條件區(qū)開采煤層的裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測。

依據(jù)余吾煤業(yè)關(guān)于3 號煤層頂板巖石力學(xué)測試的結(jié)果，覆巖主要為中硬巖。結(jié)合煤層賦存的具體條件和特征以及礦井采煤方式，依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》 中綜放開采導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式，對3 號煤采動裂隙高度進(jìn)行預(yù)計：

式中：Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；M 為煤層累計采厚，取6 m。

由公式（1）計算得，南五采區(qū)工作面以6 m厚度進(jìn)行開采時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度為82.58 m。

2.2 計算機(jī)模擬預(yù)測裂隙帶發(fā)育高度

2.2.1 模型及參數(shù)

依據(jù)地質(zhì)資料，采用FLAC3D 軟件，構(gòu)建工作面地質(zhì)模型，工作面的長寬約為1 700 m×296 m，鉆孔1305 揭露3 號煤層厚度6.4 m。3 號煤層頂板中直接頂巖性主要為泥巖隔水層；基本頂主要巖性為中、細(xì)砂巖含水層；與基本頂臨近的上覆巖層巖性主要是中、細(xì)砂巖與砂質(zhì)泥巖的互層。

確定模型尺寸參數(shù)X=600 m，Y=500 m，Z=192 m，模型網(wǎng)絡(luò)共剖分單元數(shù)700 000 個，節(jié)點(diǎn)數(shù)724 271 個，所有單元類型均為8 節(jié)點(diǎn)六面體單元。模型從下到上分為19 層，各分層的物理參數(shù)見表1，初始模型如圖1 所示。開采參數(shù)中開采寬度設(shè)置為300 m，開采厚度設(shè)置為6 m。

表1 模型各分層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of each layer of the model

圖1 計算機(jī)數(shù)值模擬初始模型Fig.1 Initial model of computer numerical simulation

2.2.2 模擬結(jié)果研究

針對采區(qū)工作面布置，模擬不同推進(jìn)距離下煤巖層應(yīng)力、應(yīng)變空間分布特征，如圖2 所示。由計算機(jī)模擬的塑性區(qū)分布圖可以看到，工作面推進(jìn)200 m 時，采空區(qū)上部主要為剪切破壞，其次為拉伸破壞，巖性為泥巖，塑性區(qū)形狀呈平頂拱型，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為89 m；工作面推進(jìn)300 m時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為101 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度增加變緩，巖性為粗砂巖，塑性區(qū)形狀平頂拱型；工作面推進(jìn)400 m 時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為103 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度基本不再增加，巖性為粗砂巖，塑性區(qū)形狀平頂拱型。

圖2 不同推進(jìn)距離下煤巖層應(yīng)力、應(yīng)變空間分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of stress and strain of coal strata under different advancing distances

根據(jù)不同采區(qū)工作面推進(jìn)距離下數(shù)值模擬塑性區(qū)發(fā)育高度值，繪制南五采區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度曲線，如圖3 所示。采高6 m 時，余吾礦南五采區(qū)導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為103 m，裂采比約17.2。

圖3 南五采區(qū)工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度曲線Fig.3 The development height curve of water flowing fractured zone in the working face of South No.5 mining area

2.3 相似材料導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測

相似材料模型按照1∶200 的比例，推進(jìn)長度為320 m，以砂子為骨料，石膏、碳酸鈣為粘結(jié)材料鋪設(shè)模型，根據(jù)鋪設(shè)巖層的抗壓強(qiáng)度選擇配比方式，再根據(jù)模型的大小及巖層厚度計算出砂子、石膏、碳酸鈣和水的用量。

模型在開挖320 m 后，巖層的采動破壞特征如圖4 所示。開采過程中裂隙富集區(qū)主要集中在前后煤壁，裂隙的發(fā)育程度隨著開采工作面的推進(jìn)，而逐漸發(fā)育，且采空區(qū)越大，裂隙的密度就越大。采厚6 m 的模型，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最大高度為105 m 左右；上覆巖層的破斷角，在開切眼一側(cè)為69.1°，在工作面另一端為70.8°；冒落帶高度為38.2 m，冒采比為6.37，導(dǎo)水裂隙帶高度為105 m，裂采比為17.5。

圖4 相似材料模型覆巖采動破壞特征Fig.4 Mining failure characteristics of overburden rock in similar material model

3 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度綜合分析

在理論公式計算、數(shù)值模擬及物理模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井其他區(qū)域及相似條件的其他礦井實(shí)測數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為，南五采區(qū)3 號煤層采高6 m，通過理論公式計算導(dǎo)水裂隙帶最大高度為82.58 m；計算機(jī)數(shù)值模擬的最大裂隙高度為103 m；相似材料模擬最大裂隙高度為105 m 左右。結(jié)合礦井在其它工作面（S2106、S2107）進(jìn)行的導(dǎo)水裂隙帶高度現(xiàn)場探查結(jié)果（表2），可以看到，該礦井在采高6 m 左右時，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度遠(yuǎn)超過經(jīng)驗公式的計算值。

表2 礦井其他采區(qū)裂隙高度現(xiàn)場探測結(jié)果Table 2 Field detection results of fracture height in other mining areas

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的綜合分析，余吾煤礦礦井裂隙發(fā)育最大高度已不能將經(jīng)驗公式預(yù)測值作為發(fā)育高度預(yù)測的主要依據(jù)。綜合對比經(jīng)驗公式、數(shù)值模擬、相似材料模擬以及礦井其他采區(qū)裂隙高度現(xiàn)場探查值，基于工程安全考慮，以多種發(fā)育高度預(yù)測成果與以往礦井現(xiàn)場探查成果進(jìn)行一元線性擬合。煤礦煤層采厚與裂隙高度散點(diǎn)圖如圖5 所示。

圖5 余吾煤礦煤層采厚與裂隙高度散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter plot of coal seam mining thickness and fracture height in Yuwu Mine

通過數(shù)據(jù)一元回歸分析，得到礦井煤層采厚（M）與導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度（H）的公式：

綜合分析南五采區(qū)及周圍鉆孔資料，3 號煤厚度范圍為5.44（鉆孔LA010）～6.4 m（鉆孔1306），則最大導(dǎo)水裂隙帶高度范圍為106.9～118.7 m。當(dāng)南五采區(qū)工作面采高為6 m 時，最大導(dǎo)水裂隙帶高度為103.1～113.9 m。

4 結(jié)論

（1）依據(jù)相似礦井地質(zhì)條件分析，利用經(jīng)驗公式法確定余吾礦南五采區(qū)工作面以6 m 厚度進(jìn)行開采時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度為82.58 m。

（2）不同導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測結(jié)果不同，計算機(jī)數(shù)值模擬采高6 m 時，南五采區(qū)導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為103 m，裂采比約17.2；室內(nèi)相似材料模擬預(yù)測的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度為105 m左右，裂采比為17.5。

（3）通過多種方法預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，采用綜合數(shù)據(jù)擬合公式預(yù)測的導(dǎo)水裂隙帶高度為采高為6 m時，南五采區(qū)最大導(dǎo)水裂隙帶高度為103.1～113.9 m。