巨厚煤层开采覆岩含水层破坏模拟：以准东大井矿区为例

李根生，曾 强，赵龙辉，高 坡

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.新疆大学干旱生态环境研究所，新疆 乌鲁木齐 830046)

准东矿区煤炭资源丰富，可采煤层厚达90 m。由于煤层赋存面积大、单层厚度大、开采强度大、扰动范围广，该区域煤炭资源开采对区域及邻近绿洲生态环境将产生深远影响[1-2]。针对煤炭开采覆岩移动及其对含水层的影响，国内外学者开展了系统研究：钱鸣高等[3]首次提出了覆岩关键层理论，建立了关键层的判别准则；许家林[4-5]研究了覆岩主关键层对导水裂隙带发育高度及地表下沉的影响；范立民等[6-7]系统研究了陕北煤田保水开采基本思路、途径及水源保护区设置；黄庆享[8-9]得出了分层开采关键层和隔水层的移动及垮落规律，揭示了浅埋煤层隔水岩组隔水性的决定因素；王双明等[10]揭示了榆神府矿区煤炭开采下的合理生态水位；Liu X等[11]运用数值模拟方法对富水含水层下的浅煤层开采导水裂隙带进行了预测；Song G等[12]提出了一种新的理论方法，并获得了上覆岩层的运动和裂缝带的高度;Hai-Feng L等[13]将神经网络方法引入煤层开采覆岩导水裂隙带高度预测中；许猛堂[14]分析了新疆巨厚煤层开采覆岩活动规律；田成东[15]针对鄂尔多斯巨厚煤层开采覆岩移动及地表下沉特征开展了系统研究；丛森等[16]研究了微震事件的数量和空间分布特征与导水裂隙带发育高度的关系；孙晓冬等[17]针对准东矿区巨厚煤层开采方法进行了理论研究；李曌等[18]基于变形分析法预测了导水裂隙带发育高度；郝志勇等[19]采用数值模拟方法研究了覆岩移动及裂隙发育规律；刘英锋等[20]采用现场检测和数值模拟方法，研究了导水裂隙带发育高度及分布特征；徐智敏等[21]采用人工神经网络对新安煤矿小浪底水库下采煤导水裂隙带发育高度进行预测。上述学者对覆岩关键层、采动裂隙及其含水层开展了系统研究，但针对准东巨厚煤层开采覆岩移动及其对含水层的影响方面尚未开展相关研究。本文以准东煤田大井矿区巨厚煤层为研究对象，通过理论分析与数值模拟，建立了巨厚煤层开采数值力学模型，模拟了大采高开采及放顶煤开采对覆岩及含水层的扰动影响，揭示了巨厚煤层开采应力、应变及裂隙分布规律，以期为准东矿区煤炭资源安全开采及保水开采提供一定指导。

1 研究区概况

准东矿区位于准噶尔盆地东部、克拉麦里山南麓，属干旱气候，区域水资源匮乏，生态环境脆弱。大井矿区位于准东北部，主采煤层平均厚56 m，倾角1～3°，局部最大6°，矿井煤层埋深等值线及钻孔布置(1 km×1 km)平面图(图1)，本文参照钻孔ZK0504柱状。由于水文勘探线未经ZK0504钻孔，本文选取其邻近水文勘探剖面图，B1煤层与覆岩含水层的空间组合关系，如图2所示。

图1 煤层埋深等值线及平面地质图

图2 煤层与覆岩含水层空间组合关系

图3 钻孔ZK0504柱状图(部分)

煤层顶板多为细砂岩、泥岩、粗砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，底板多为炭质泥岩、含碳泥岩及细砂岩，由于煤层埋深大，且岩层数目多，本文仅列出钻孔ZK0504柱状的关键部分，如图3所示。

根据矿区抽水试验测得水位埋深分别为29.25 m、38.35 m和59.06 m，单位涌水量0.00312～0.00529 L/s·m，渗透系数0.00304～0.00467 m/d，大井法预测矿井涌水量2 050 m3/d。另据矿区水文地质资料、抽水试验、钻孔岩性及岩芯破碎程度确定本文主要研究的含水层分别为白垩系下统吐谷鲁群裂隙孔隙弱含水层(含水层Ⅰ)和石树沟群裂隙孔隙弱含水层(含水层Ⅱ)，其中石树沟群裂隙孔隙弱含水层位于主关键层之上，受主关键层影响较大。

2 关键层识别

根据钻孔柱状及岩层物理力学参数，运用关键层理论，对覆岩关键层进行判别[22]。根据式(1)、各岩层厚度(钻孔柱状图)及岩层物理力学参数(表1)，逐层计算。

2.1 硬岩的识别

第i层岩层对第1层的载荷，见式(1)。

(1)

式中：qi为第i层所受载荷，kPa；Ei为第i层弹性模量，MPa；γi为第i层体积力，MN/m3；hi为第i层层厚，m。

若(qi)1≥(qi+1)1,即第i层为硬岩，通过计算得出覆岩共含4层硬岩，各硬岩计算结果见表2。

2.2 计算极限破断距

根据上文判定结果及研究区煤层赋存特征，采用固支梁弯矩对覆岩极限破断距逐层计算，见式(2)。

(2)

式中：Li为第i层的极限破断距，m；hi为第i层层厚，m；qi为第i层所受载荷，kPa；Ri为第i层抗拉强度，MPa。计算结果见表3。

2.3 判断关键层

对硬岩破断距进行比较，其计算公式见式(3)。

Li

(3)

对比各岩层破断距，其中破断距值最大，则为主关键层，对比结果见表2。

表1 上覆岩层物理力学性质

表2 关键层及破断距计算结果

表3 煤岩层物理力学参数

3 数值模型构建与数值分析

3.1 数值模型

利用UDEC构建数值模型(图4)。模型自B1煤层底板至地表，走向长500 m，高630 m，其中B1煤层埋深587 m，厚度56 m，左右两侧各留设100 m边界保护煤柱。块体采用摩尔-库伦强度准则，节理面采用面-面接触库伦滑移准则，各边界采用位移控制方法，其中左右边界x=0，底部边界y=0，上部为自由边界。

针对B1煤层赋存特征，模拟方案分别为大采高分层开采(采7 m×8层)和放顶煤分层开采(采14 m×4层)，沿煤层走向自左向右依次开挖，开挖步距10 m，走向推进300 m，沿水平和垂向方向分别布设位移及应力测线。

3.2 结果分析

3.2.1 覆岩位移

对大采高开采首分层过程中距开切眼10 m、30 m、50 m、70 m、90 m、110 m、160 m、250 m、300 m、二分层开采距开切眼300 m及放顶煤开采首分层距开切眼10 m、30 m、50 m、70 m、90 m、110 m、130 m、170 m、250 m、300 m时，老顶位移变化进行了记录(图5)。

图4 数值模型

图5 大采高开采与放顶煤开采老顶位移变化

由图5可知：放顶煤首分层开采至30 m，老顶开始下沉，采至110 m，老顶下沉量接近最大值12.4 m；随着工作面的推进,老顶下沉量不断增加，采至110 m时下沉量已接近最大值；当两种开采方式采厚及推进距离相同时，大采高开采老顶下沉量小于放顶煤开采，且大采高开采过程老顶下沉较稳定；采用放顶煤开采至300 m时，局部老顶下沉量大于开采厚度，原因为当开采空间较大时，老顶易出现回转失稳现象；大采高开采与放顶煤开采，采空区中部老顶下沉量基本一致。

由模拟可得：大采高首分层开采至30 m，老顶开始下沉，下沉量为0.159 m；采至70 m，老顶呈现台阶式垮落，下沉量速度明显增快，下沉量为2.12 m；随工作面不断推进，老顶下沉量不断增加，下沉发育方向与工作面推进方向一致；当采至110 m时，老顶下沉量已接近最大值6.68 m；大采高开采首分层结束后，老顶下沉量最大值6.89 m。

为研究采厚相同时大采高开采和放顶煤开采对含水层Ⅰ及含水层Ⅱ的影响，分别记录了含水层Ⅰ及含水层Ⅱ下方主关键层的位移变化情况，其中含水层Ⅱ下方主关键层位移变化如图6所示。

图6 主关键层位移变化

由图6可知：主关键层下沉量为0.36～49.09 m，最大下沉量为大采高采完第八分层；采完14 m主关键层为小幅度弯曲下沉，采完28 m主关键层出现破断，此时，含水层Ⅱ亦破坏；采空区中部下沉量最大，该区域含水层受影响程度亦最大；随着后续分层的开采，大采高开采主关键层下沉量大于放顶煤开采，说明大采高开采对含水层Ⅱ的扰动影响较大。

由模拟可得：含水层Ⅰ下沉量为0.51～21.44 m，最大下沉量为大采高采完第八分层；采厚28 m时，地表下沉量明显增大，主要是由于覆岩主关键层开始破断，导致上覆岩层随之下沉；随着后续分层的开采，含水层Ⅰ下沉速度减慢；采空区中部下沉量最大，该区域含水层受影响程度亦最大；大采高开采含水层Ⅰ下沉量大于放顶煤开采，说明大采高开采对含水层Ⅰ的扰动影响较大。

为研究采厚相同时大采高开采和放顶煤开采采空区中部覆岩位移变化情况，分别记录了采空区中部位移变化情况(图7)。

由图7可知：采空区中部覆岩下沉量为10.82～56 m，最大下沉量为大采高采完第八分层；采空区中部覆岩自下而上下沉量不断减小，且随着分层开采数目的增加，覆岩下沉量不断增加；距煤层180 m附近，两侧覆岩下沉量出现明显变化，原因为主关键层的影响；采厚28 m主关键层之上岩层下沉速率增大，原因是此时关键层已破断；采厚相同，采用大采高开采，采空区中部覆岩下沉量大于放顶煤开采，即大采高开采对含水层的扰动影响较大。

图7 采空区中部覆岩位移变化

由模拟可得：直接顶随采随冒；采至50 m，离层发育至老顶；采至70 m，老顶断裂、离层随即发育至亚关键层Ⅱ；采至150 m，亚关键层Ⅱ破断，此时，主关键层下方出现离层，且随着工作面推进，主关键层下方离层量及离层范围不断扩大；离层自直接顶逐渐向关键层发育，采至290 m，主关键层下方离层范围最大，长、高分别为156 m、7.15 m，随工作面继续推进，主关键层发生破断，离层逐渐闭合，离层范围逐渐缩小。

3.2.2 覆岩裂隙分布

采动裂隙是地下水运移的主要通道，B1煤层开采后覆岩裂隙空间分布情况如图8所示。

图8 B1煤层后裂隙空间分布

采动裂隙主要分布在垮落线附近，采空区中部裂隙已重新压实；采厚14 m时，裂隙已发育至主关键层，但未与含水层导通；采厚56 m时，含水层Ⅱ严重破坏，采动裂隙已发育至含水层Ⅱ，但尚未发育至含水层Ⅰ，工作面继续推进势必对含水层Ⅰ产生破坏；煤壁侧裂隙发育程度最大，采空区两侧裂隙发育情况基本一致，工作面处裂隙随工作面的推进不断向前发育，呈现周期性动态演化；煤壁侧应力集中系数较高，破坏程度大，导水裂隙带主要分布于该区域；当推进长度为300 m时，主关键层已破断，而矿井设计推进长度为4 500 m，其开采势必对覆岩含水层产生破坏。

由模拟可得：当采厚28 m，推进300 m时，主关键层已破断，含水层Ⅱ亦受破坏；覆岩破断角近似“八”字形，裂隙主要分布在煤壁侧，采空区中部下沉量最大，且采空区中部已压实，主关键层铰接结构清晰可见。含水层Ⅱ已产生破断裂隙并与主关键层发生离层现象。此时，导水裂隙带已与含水层Ⅱ贯通，若不采取相应保护措施，将对矿井的安全开采构成威胁。

4 结 论

1) 准东大井矿区覆岩关键层共4层，覆岩含水层共2层。

2) 随着工作面的推进，覆岩含水层下沉量不断增加，受采动扰动影响不断增加，采厚24 m时，含水层下沉量明显增加，原因为主关键层结构受到破坏，对覆岩的支撑能力减弱；采用大采高开采对覆岩含水层的扰动影响大于放顶煤开采。

3) 随工作面不断推进，离层裂隙逐渐向上发育至各关键层；随分层开采数目增加，裂隙发育高度、范围、宽度不断增加；采动裂隙主要分布于煤壁侧，当开采厚度为24 m，推进长度为300 m时，导水裂隙已发育至含水层Ⅱ，此时对矿井安全生产构成威胁。

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