山区内浅埋煤层导水裂隙带高度发育研究

张 扬

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿，山西 方山 033100）

1 工程概况

某矿受区域地质构造和岩层性质影响，属于高原低山丘陵地貌。矿井地面一般海拔标高为1250～1350m，相对高差一般为100～150m。井田范围内地势普遍呈现东南方向高、西北方向低。11607工作面位于矿井一采区东南部，地面主要以丘陵和山地为主，工作面东侧和西侧分别为已经回采完的11609和11608工作面，工作面开采水平为+1115m，煤层底板标高为+1154.9～+1180m，平均标高+1167m，地面标高为+1260～1320m，平均标高为+1290m，煤层平均埋藏深度为100m左右，属于浅埋煤层。工作面斜长80m，走向长524m，所采16煤，煤厚2.6～4.2m，均厚3.4m，煤层平均倾角6°，赋存条件稳定，煤层结构相对复杂，内含厚0.2m额1～3层夹矸，煤层上覆直接顶为均厚3.44m的深灰色泥质粉砂岩，老顶为均厚3.48m的灰色石灰岩，直接底为均厚2.1m的灰黑色泥岩。

2 工作面导水裂隙带实测

图1 仰孔分段注水漏失量分布图

针对11607工作面导水裂隙带的观测采用仰孔分段注水测漏的方法来进行，该方法所用的观测仪器设备简单，便于在井下使用，同时具有施工工程量小，测量精度高，效果明显的特点。通过在上覆岩层中使用仰斜长钻孔，对钻孔进行分段封堵注水，对各段钻孔内水的漏失量进行测定，从而对上覆岩层的裂隙发育情况进行测定。根据工作面工程地质条件设计了施工及观测方案，对观测钻孔内的水量漏失量进行了定性及定量的分析，最终得出的11607工作面导水裂隙带发育规律如图1所示。由图1可知，工作面内侧的导水裂隙带高度低于外侧，两孔所测的裂隙带高差为3.4m，在工作面开采影响下，上覆岩层导水裂隙带发育会呈现工作面中部低而两侧高的趋势，其中Ⅰ-2号孔倾角为56.9°，最大裂隙发育高度为44.4m，Ⅰ-3号孔倾角为45°，最大裂隙发育高度为41m，结合工作面综合柱状图分析可知，44.4m导水裂隙带高度所对应岩层为33.77m厚的细砂岩、粉砂岩、泥灰岩交替互层及其与上覆30.38m的石灰岩交界面。

3 覆岩导水裂隙带发育相似模拟实验

以该矿11607工作面地质条件为原型，根据几何比例1：200建立二维相似模拟实验台，实验台长3m、宽0.3m、高0.9m，实验台长度方向为工作面推进方向，模型长度的3m代表煤层走向方向600m，相似模拟材料选择河砂、云母、石膏、碳酸钙等，根据不同的材料配比来模拟不同的岩层，各岩层间的分层材料选择云母片，材料配比见表1。

表1 材料配比

将模型铺设完成后，将模型养护7天后，拆板进行风干，同时设置位移观测点，从煤层顶板开始按10mm×10mm的形式设置横向和纵向观测线，从顶板向上布置A～E共计6层，在横向及纵向线交点处设置十字观测点，通过全站仪配合拍照的方式对开采过程中测点位移的变化进行观测，铺设好的模型如图2所示。

图2 相似模拟实验模型

开切眼位置位于模型左边界90cm处，此后向着右边界开始推进，每次开挖10cm（代表工作面向前推进20m），从工作面开切眼开始，工作面的推进导致上覆顶板出现离层现象，覆岩并未发生垮落；当工作面推进到80m时，随着顶板悬露距离的增加，上覆岩层间的离层现象也愈发明显，直接顶开始发生垮落，工作面两侧的破断裂隙发育高度也不断增加，此时，覆岩冒落带高度为8m左右，如下图（a）所示；当工作面推进到120m时，直接顶垮落长度进一步增加，上覆岩层裂隙向上位岩层继续扩展；当工作面推进到140m时，直接顶在工作面全长大面积垮落，引发上覆老顶岩层内产生贯穿裂隙，并继续向上发展，上覆岩层发生破坏的高度增加到22m，如下图（b）所示；当工作面继续推进到180m时，老顶的破断导致其上部岩层发生破断，覆岩导水裂隙带发育高度增加到32m，如下图（c）所示；当推进距离达到220m时，上覆岩层破坏范围在工作面推进方向及顶板竖直方向均发生明显地增加；当最后推进到240m时，上覆岩层导水裂隙带高度基本不再向上发展，最终破坏高度约为43m左右，如下图（d）所示。

图3 覆岩垮落过程

由图3对覆岩垮落过程的分析可知，工作面的开采会导致上覆岩层发生垮落变形，且推进距离越长，上覆岩层破坏范围越大，但增大到一定程度后，此变形逐渐趋于缓和，最终在发生变形的上覆岩层顶端形成一条离层线，在工作面推进过程中，上覆岩层周期性破断，最终在切眼和工作面推进位置处形成一条规则的垮落线，在工作面推进240m位置处，上覆岩层破坏高度稳定达到43m，如图4所示。

通过在工作面推进过程中，对观测点位移变化的持续观察和记录，得出如图5所示的上覆岩层破坏高度与工作面推进距离之间的关系，在工作面推进初期，覆岩破坏高度基本呈一条水平直线，覆岩破坏范围较小，当工作面推进到120m时，上覆岩层破坏高度出现快速增长，当推进距离达到180m时，破坏高度增长速度放缓，直至推进到240m时，达到43m。究其原因，主要是受到上覆岩层周期性破断变形而影响，总体呈现一条阶梯状曲线。相似模拟实验结果（43m）与现场实测结果（44.4m）得到了很好的吻合，表明在进行模型参数选取时，与工作面实际工程地质条件性质接近，因而此参数选取合适，分析有效。

图4 覆岩最终垮落

图5 工作面推进距离与覆岩破坏高度关系

4 覆岩导水裂隙带发育数值模拟研究

数值模拟模型同样基于该矿工程地质条件而建立，X方向代表工作面推进方向，Y方向代表工作面斜长方向，Z方向代表地层竖直方向，所建立的模型尺寸为：924m×140m×113m，将X方向和Y方向的边界位移固定，Z方向固定底部边界位移，本构模型选用莫尔库伦模型，在模型参数选取时，将岩石力学实验所测得的煤岩块参数转换为岩体的参数，同时结合现场观测结果和相似模拟实验结果，对数值计算方案参数进行调整。数值模拟计算模型如图6所示。

图6 数值模拟计算模型

模型建立完成后，首先生成自重应力场，将产生的速度及位移清零后，随后进行模型的开挖，采取分布开挖的方式，每次开挖长度为20m，最后一次开挖长度为26m，共计开挖26次，总开挖距离为524m，对开挖过程中上覆岩层发生塑性变形破坏范围进行观测，得出其导水裂隙带发育高度变化规律，并与现场实测结果和相似模拟实验结果进行对比验证。

上覆岩层塑性区破坏范围与导水裂隙带发育具有很好地一致性，在开采动压影响下，上覆岩层塑性区主要表现为剪切和拉伸破坏，图中蓝色区域表示未发生破坏范围，其余颜色表示回采导致的上覆岩层破坏范围，在工作面推进不同距离时，其塑性区发育范围表现不同特征。由塑性区变化特征可知，上部覆岩受影响较小，未发明显的变形破坏，整体性良好，工作面的开采导致岩层内部产生拉剪破坏，首先发生剪切破坏，进一步在竖直方向上产生拉伸裂隙区，当岩层间抗拉强度超过其极限抗拉强度时，岩层间发生拉伸裂隙离层区，裂隙的产生导致岩层渗透性及导水性发生改变，各种裂隙贯通后最终导致上覆岩层导水裂隙带的形成，下部岩层发生冒落。

选取几个典型工作面推进过程中塑性区分布图7，当工作面推进距离较小时，上覆岩层裂隙区发育不是很明显，当工作面推进到80m时，上覆岩层裂隙发育逐渐明显增加，且呈现两侧高中间低的马鞍形，塑性区发育高度达到27m，如图7（a）所示；当工作面推进到200m时，在老顶的周期破断影响下，覆岩裂隙带高度增加到42m，如图7（b）所示；直至推进到524m时，覆岩导水裂隙带高度也不再向上发展，基本保持在此高度，如图7（c）所示。

图7 覆岩导水裂隙带发育高度随工作面推进距离的关系

5 结 论

通过仰孔分段注水测漏的方法对工作面上覆岩层导水裂隙带高度进行了实测，可知其裂隙带最大发育高度为44.4m。由相似模拟和数值模拟可知，随着工作面向前推进，工作面上覆岩层发生破断变形，围岩塑性区开始发育，裂隙增多，当工作面推进到一定距离时，覆岩导水裂隙带不在向上发展，逐渐趋于稳定，模拟结果与现场实测得到了相互验证。该项研究对山区内覆岩导水裂隙带发育规律研究起到一定参考借鉴意义。