杭来湾煤矿导水裂隙带发育高度数值模拟研究

陈 鑫

(西安科技大学地质与环境学院，陕西省西安市，710054)

随着国家能源开发重点的西移和经济形势迅速发展，近年来神府、东胜、黄陵等矿区已经开始大规模开发建设。然而煤炭资源的大量开采对矿区地质环境造成了极大破坏，给人们的生产生活带来了难以挽回的损失。这些问题都与煤炭资源开采引起的上覆岩土体变形破坏有关，因此如何有效预测开采煤层上覆基岩的变形、开裂对上覆含水层及地表水水资源的保护以及矿山水害事故预测等具有极其重要的实际意义。导水裂隙带是反映上覆岩层破坏情况的重要指标，同时也是水流入采空区造成各种矿井灾害的重要通道，其高度是导水裂隙带形态的直观描述。近些年，许多专家学者对这个问题展开了深入的研究，同时也取得了大量的研究成果。我国制定的经验公式对导水裂隙带的高度预测是经过煤矿开采得到大量的数据总结而来，由于只考虑了煤层采厚因素，所以在实际应用中计算得到的结果与实际测量得到的结果差异较大，具有一定的局限性。在导水裂隙带高度的研究过程中，国内外学者已经认识到经验公式法的不足，所以各种新理论、新方法的提出使得导水裂隙带高度的研究更加深入和准确。胡小娟等提出了煤层上覆岩层导水裂隙带发育高度新的影响参数，即硬岩岩性比例系数,避免了现在使用的规范中各种顶板类型划分时单轴抗压强度统计确定问题；许家林提出了基于上覆岩层关键层位置的导水裂隙带发育高度的新方法；柴华彬等建立了GA-SVR采动覆岩导水裂隙带高度预测模型，通过实践验证该模型的精度能够满足实际要求；赵高博等通过构建岩层悬空完整力学模型、岩层悬伸破断模型和破断岩块力学模型，提出综放开采导高理论计算方法；黄万朋等根据上覆岩层导水裂隙带发育规律提出了上覆基岩组合结构与岩层拉伸变形计算的导水裂隙带高度预测新方法。总体来看，现阶段导水裂隙带发育高度的研究仍然处于探索和经验积累阶段。

杭来湾煤矿位于陕北侏罗纪煤田内，煤炭资源的开采对矿区环境的影响日益严重，采空区面积不断扩大，上覆基岩严重破坏，局部直达地表，形成地面塌陷、地面沉降、地裂缝等地质灾害。同时，开采形成的上覆基岩裂隙可形成导水、充水通道，易发生矿井涌水和煤层顶板突水事故，严重威胁着矿井安全生产。因此，对杭来湾煤矿开采后形成的导水裂隙带发育高度和空间形态及其分布特征进行研究，对矿山绿色安全高效开采具有十分重要的实际意义。本文以杭来湾煤矿30101工作面为研究对象，通过FLAC3D数值模拟软件、经验公式计算及与实测数据的对比分析等，对杭来湾煤矿开采形成的导水裂隙带高度进行了分析和研究。

1 工作面概况

1.1 井田水文地质特征

杭来湾井田地处毛乌素沙漠东南缘，属于沙漠与黄土高原的过渡地带，生态环境脆弱。井田地表全部被第四系松散沉积物覆盖，主要有第四系下更新统午城组(Q1w)、中更新统离石组(Q2l)、上更新统萨拉乌苏组(Q31s)、全新统冲洪积层(Q41al+pl、Q42al)、风积层(Q42eol)。钻孔揭露的地层有：侏罗系中统直罗组、延安组，下统富县组，三叠系上统瓦窑堡组。根据井田地下水的赋存条件及水力特征，将井田地下水划分为两种类型：第四系松散岩类孔隙及孔隙裂隙潜水和碎屑岩类裂隙水。

杭来湾煤矿30101综采工作面所属盘区为一盘区，长度299.5 m。推进方向沿煤层倾向。推进长度4252 m，地质储量为827.8万t。煤层厚度8.27～10.41 m，平均厚度9.13 m，煤层倾向为西南至东北，倾角为0.5°，埋深115.9～268.05 m，平均埋深230 m。杭来湾煤矿煤层地质特征为浅埋、薄层、中厚基岩和厚风积沙覆盖层的复杂地层，基岩厚度52.87～234.8 m，平均厚度150 m。松散层厚度60～90 m，平均厚度80 m。直接顶厚度0.9～14.23 m，以粉砂岩、泥岩为主，少量细粒-粗粒长石砂岩。基本顶的厚度为14.5～49.86 m，其岩性主要为中细粒砂岩。底板厚度0.22～10.25 m，主要为粉砂岩，砂岩岩性强度较大，岩层主要为块状构造和水平层理。

1.2 3号主采煤层特征

杭来湾煤矿的主采煤层为3号煤层，位于延安组第三段顶部，全煤矿可采，可采煤厚度4.85～11.90 m，平均厚度8.36 m，煤层厚度标准离差1.34，变异系数16.08%。工程控制底板标高1004.72～1066.88 m，煤层从东南向西北缓倾斜，倾角约0.5°；埋深115.90～268.05 m。上覆基岩厚度52.87～234.80 m，由南向北、由西向东埋深逐渐增大。煤层结构简单，西部出现下分叉，下分叉厚度小于0.3 m。直接顶板主要由粉砂岩和泥岩组成，还有少量细粒—粗粒长石砂岩。直接底板主要由粉砂岩和泥岩组成，含少量细—粗砂岩和炭质泥岩。该煤层层位稳定，厚度变化小，煤质变化不大，全煤矿可采，属全区可采的稳定型厚级煤层。

2 导水裂隙带发育高度数值模拟

2.1 模型建立

此次数值模拟以杭来湾煤矿30101工作面的开采条件为依据，模型沿X方向1000 m，Y方向长350 m，Z方向长290 m，煤层上覆岩土层共13层，煤层厚度9 m，采高4.5 m，模型网格规格为10 m×10 m，试验采用摩尔-库伦准则，模型左右及前后边界为单边约束，底边界为全约束，上边界为自由边界。

2.2 模型参数

此次数值模拟试验中，模型中岩层的力学参数参考由本煤矿勘察报告中实验室测定结果确定，如果某个岩层没有试验实测数据，根据本区相邻三号煤采区或相邻矿井的岩石物理力学参数进行类比，从而确定杭来湾煤矿30101工作面的上覆岩层的物理力学参数见表1。

表1 上覆岩层及煤层物理力学参数

2.3 模拟过程

模型采用分步开挖方式，开采上分层，开挖步长为20 m，上覆岩层自然垮落，形成塑性区。

2.4 模拟结果

通常，当上覆岩层处于垮落和离层破坏严重时，就失去了对应力的抵抗作用，但由于存在压力拱，破碎岩体仍然具有一定的支撑能力，垮落稳定后岩体上部承受来自裂隙带的压应力，下部为拉应力，这个区域为冒落带；裂隙带的岩层虽然处于塑性破坏状态，裂隙发育，但是基本上保持原有的连续性，在采空区中部岩层仍然具有一定的承受压力的能力；裂隙带顶部到地表，由于岩体自重产生弯曲变形但变形面不再破裂，称为弯曲下沉带。然而在采空区边缘，由于存在保水煤柱，岩体处于拉应力区，裂隙完全发育，裂隙带在这里是最发达的。

工作面不同推进距离时上覆岩层塑性区分布如图1所示。由图1可以看出，当工作面推进至100 m时，模型采空区上方顶板出现了拉张破坏，采空区上覆岩层破坏的塑性区发育高度达到36.3 m。当工作面推进至300 m时，破坏类型仍然以拉张破坏为主，同时采空区两端边缘处出现剪切破坏。随着工作面的不断向前推进，上覆岩层塑性区的破坏不断向两端且向上发展，当工作面推进至400 m时，采空区上覆岩层破坏的塑性区发育高度达到75.5 m，采空区开切眼和停采线上方基岩开始出现塑性区，并以此作为导水裂隙带发育的最低高度，采空区两端的塑性区开始向上延伸横向延展且高于中间部分，破坏类型为拉张-剪切破坏。当工作面推进至560 m时，破坏高度达到最大值即117.5 m，且随着工作面的不断向前推进，采空区上覆岩层破坏的塑性区发育高度不再发生变化，主要是以横向延展为主。煤层上覆基岩破坏未达到红土层。根据“塑性区法”，塑性区发育的最大高度与导水裂隙带发育高度是相当的，故认为导水裂隙带发育高度的最大值为117.5 m。当工作面推进至600 m时，上覆岩层破坏高度保持117.5 m。

为了进一步更好地掌握导水裂隙带的发育规律，从模型中提取出开挖每一步的导水裂隙带高度制成导水裂隙带发育高度图，如图2所示。由图2可以看出，工作面的不断推进直接影响着导水裂隙带的发育高度。随着煤层的开采、上覆基岩的沉降、破坏以及分离层的形成，存在导水裂隙带从开始发生-发展-最大高度-回降-稳定的过程。当工作面推进至20 m之后，裂隙带逐渐发生，高度为10.8 m；工作面推进到100 m之前，上覆基岩的破坏范围逐渐扩大，但裂隙带高度仍然发育较缓慢；工作面推进到100～120 m之间，裂隙带高度由36.3 m上升至49.3 m，此阶段裂隙带的发育几乎与工作面推进距离呈直线关系。由此可见，开挖初期，上覆基岩先发生变形弯曲，裂隙带开始出现，且缓慢发育，再往后开挖，煤层顶板垮落，随着工作面推进，煤层上覆基岩多个层理开裂，导水裂隙带不断向上发育；开采220 m后，基岩发生整体移动，导水裂隙带高度成直线上升。当工作面推进至560 m时，导水裂隙带高度基本达到最大值117.5 m；随着工作面继续推进到600 m，导水裂隙带高度基本稳定在最大高度；期间由于已经破坏的覆岩受到开采扰动，部分裂隙会压实闭合，所以导水裂隙带高度略有回降，随后又稳定在117.5 m左右。

3 导水裂隙带高度对比分析

3.1 经验公式计算

根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB12719-91)(以下简称《规范》)中的中硬岩类冒落带、导水裂隙带最大高度经验计算公式：

(1)

式中：H导——导水裂隙带最大高度，m；

∑M——累计采厚，m；

n——开采层数，n取1。

图1 工作面不同推进距离时上覆岩层塑性区分布

图2 导水裂隙带发育高度图

研究区内主采3号煤层厚度为4.85～11.90 m，代入上述公式得到煤层开采后形成的导水裂隙带高度为73.41～172.71 m，是采高的16.31～38.38倍。

3.2 钻孔实测

2013-2015年，陕西省煤田地质局一八五队开展“陕北煤炭开采区采动损害调查项目”，在杭来湾煤矿30101工作面及外围施工了8个“三带”探测钻孔。

杭来湾煤矿30101工作面开采3号煤层，探测时至回采时已达1年以上，采空区覆岩变形已完全稳定。钻孔布置在30101工作面的采空区中心、切眼内外侧10 m及工作面平巷内外侧。探测结果如下：杭来湾煤矿煤层采厚为4.5 m时，导水裂隙带高度为93.87～114.38 m，为煤层采厚的19.40～25.42倍；冒落带高度为19.40～28.70 m，为煤层采高的4.31～6.38倍，如表2所示。

表2 杭来湾煤矿探测结果

3.3 对比结果分析

根据以上分析，利用数值模拟、经验公式计算及实测的杭来湾煤矿30101工作面上覆基岩导水裂隙带高度如表3所示。通过对比分析可以得到，利用经验公式法计算的裂隙带高度与钻孔实测值相差比较大，这可能是因为导水裂隙带发育高度受多种因素的影响，而《规范》中仅仅只考虑了煤层采厚，故具有一定的局限性。而基于数值模拟计算方法得到导水裂隙带高度与实测值基本吻合，因为约束条件增加，动态模拟上覆岩层破坏过程及破坏范围，故可以更准确的预测。在实际煤层开采过程中，上覆岩层会产生裂隙，导致力无法向四周传递从而使覆岩破坏得到阻碍，由于FLAC3D中是连续介质，无法真实模拟上覆岩层的这种性质，数值模拟中覆岩所受的各种力都比真实情况下大，所以用数值模拟法得到的导水裂隙带高度比实测值偏大。

表3 不同方法结果对比

4 结论

(1)通过模拟分析，杭来湾煤矿导水裂隙带发育高度为75.5～117.5 m，这比利用经验公式计算所得结果更加接近于实测裂隙带高度，因此论文对杭来湾煤矿导水裂隙带高度的数值模拟结论具有较高的生产指导意义。

(2)数值模拟可以尽可能多的考虑多种约束条件，动态模拟煤层上覆岩层的破坏类型和范围，同时也具有周期短，操作简单，模拟结果具有较强的可视性等优点，可为煤矿开采上覆岩层变形破坏的范围及特征分析研究提供有力的支撑。