近距离煤层群综放开采覆岩导水裂隙发育规律

2022-08-19王红胜张胜伟郭卫彬肖双双

西安科技大学学报 2022年4期

王红胜，张胜伟，李斌，李磊，郭卫彬，肖双双

(1．西安科技大学能源学院，陕西西安 710054；2．西安科技大学冲击地压防控研究所，陕西西安 710054)

0 引言

随着工作面的推进，覆岩结构受到破坏。覆岩的变形破坏会形成垮落带和裂隙带，这是良好的导水通道，容易造成矿井涌水量增加，甚至造成矿井突水等严重水灾。相较于单一煤层采动覆岩破坏及导水裂隙发育规律，近距离煤层群重复采动覆岩破坏及导水裂隙演化更为繁复。

众多学者对工作面覆岩破断特征及导水裂隙带发育规律展开了研究，其中文献[1-3]分析模拟了隔水层覆岩破断规律、导水裂隙发育的过程，文献[4]运用FLAC3D数值模拟分析了海底矿山岩体稳定性并给出矿山合理岩柱宽度。文献[5]针对孟巴矿开采地质条件，提出了上保下疏开采模式，定义了协调减损开采科学涵义。文献[6-8]采用物理模拟和数值模拟，对覆岩破断规律及裂隙演化机理展开了研究。文献[9]通过物理实验得出了不同基岩厚度采场实现保水开采的合理推进距。文献[10]采用物理相似材料模拟及RFPA数值模拟方法，研究采后导水裂隙发育规律并提出限高协调开采理论。文献[11-20]对导水裂隙带发育规律展开了研究，针对导水裂隙带发育高度提出了多种预测方法。文献[21]通过理论分析，物理模拟等方法，对重复采动条件下的覆岩采动裂隙进行分析，得到裂隙动态循环变化过程及一次梯形，二次M型裂隙分布形态。文献[22]运用理论分析，推导出了椭抛带沿走向及倾向分布的理论模型。近距离煤层群二次采动条件下，覆岩变形破断呈现典型“垮落带叠加”形态，所得岩层拉伸率计算公式为导高计算提供理论验证[23-25]。综上所述，多煤层重复采动覆岩破坏及导水裂隙发育规律与单煤层开采相比研究较少，应对煤层群重复采动覆岩破断及裂隙发育规律开展深入研究。

燕家河煤矿可采煤层共3层，分别为5-1，5-2和8煤层。洛河组与直罗组中的含水岩组为该矿的直接充水含水层，该含水岩组具有产状厚，含水量大，容易渗透的特点，对矿井煤层的安全开采造成严重威胁。因此，笔者针对燕家河煤矿工程地质条件，开展了近距离煤层群上行开采及下行开采覆岩运移破坏、导水裂隙带发育规律研究，为确定煤层群合理开采顺序提供技术指导。

1 工程概况

8105综放面北部为8106采空区，南部为8104采空区，西部为8煤4条下山，东部为村庄保护煤柱，如图1所示。

图1 8105综放工作面位置Fig.1 Location of 8105 fully mechanized caving face

8105综放面煤层厚度为5.44～6.36 m，平均为5.90 m，煤层倾角为4°，工作面长200 m，走向长1 360 m。顶板主要成份为炭质泥岩、砂质泥岩及砂岩；铝土泥岩、铝粉砂岩为底板主要成份，部分含碳质泥岩伪底。工作面直接充水含水层为直罗组、洛河组含水岩组，煤层群与含水层位置关系如图2所示。工作面采用综合机械化放顶煤采煤方法，采用全部垮落法管理顶板。

图2 煤层群与含水层位置关系Fig.2 Location relationship between coal seam group and aquifer

2 综放开采覆岩运移及导水裂隙带发育特征

2.1 模型设计

基于8105工作面附近的X4钻孔柱状图，采用2.0 m×1.5 m×0.2 m(长×高×宽)平面应力模型试验台模拟工作面回采，模型几何相似比α1=200，容重相似比αγ=1.67，时间相似比αt=14.14，强度相似比为αR=334。通过物理配重对模型覆岩进行加载。5-1煤层采高为3 m，5-2煤层采高为2 m，8煤层采高为7 m。模拟上行开采，开挖顺序为8煤，5-1煤，5-2煤，开挖步距均为15 m，共开挖16次，开挖总长度为240 m。

2.2 实验过程及分析

2.2.1 8煤回采

当工作面推至20 m时，由于覆岩压力压力，直接顶开始出现离层，离层裂隙随顶板暴露面积增加迅速发育；当工作面推至37.5 m时，直接顶离层明显发育，并伴随有大面积垮落。当推至59 m时，基本顶破断，工作面初次来压，裂隙发育高度超过5-1煤顶板，形成离层区域。当推至79 m时，工作面第1次周期来压，覆岩采动裂隙持续发育，采动裂隙明显增高，采动边界张拉裂隙发育加快，裂隙高度为37.5 m。

图3 8煤采动覆岩运移特征Fig.3 Migration characteristics of overburden during 8 coal mining

当工作面推至240 m时，8煤开挖完成，覆岩垮落压实后，采动裂隙高度为98.4 m，模型上部张拉裂隙呈逐渐闭合趋势。上覆5-1煤层，5-2煤层顶板呈现均匀整体下沉。

2.2.2 5-1煤回采

5-1煤覆岩采动导水裂隙发育特征如图4所示。随着工作面推进，导水裂隙二次发育，此时开切眼侧导水裂隙最为发育。当5-1煤层工作面推至240 m时，采动边界处的覆岩采动导水裂隙发育最为明显，永久导水裂隙在采动边界处形成，中部离层裂隙及张拉裂隙由发育状态呈现为闭合状态，采动裂隙发育至118.6 m。

图4 5-1煤覆岩采动导水裂隙发育特征Fig.4 Development characteristics of water-flowing fractures in mining of 5-1 coal overburden

2.2.3 5-2煤回采

5-2煤覆岩采动导水裂隙发育特征如图5所示。5-2煤采动覆岩裂隙发育呈现区域特征，当工作面推至240 m时，5-2煤层回采结束，导水裂隙发育程度达到最大。与5-1煤覆岩采动裂隙相比，此时采动边界处张拉裂隙、离层裂隙明显增高。采空区中部离层裂隙及张拉裂隙呈压实状态。采动边界处裂隙发育沟通上部采动裂隙形成导水裂隙，此时导水裂隙高度为129.0 m。随着工作面推进，煤层顶板垮落，采动导水裂隙发育宽度逐渐增加，当工作面推至停采线，导水裂隙高度发育最大且到达直罗组含水层顶部，直罗组水不断流失。

图5 5-2 煤覆岩采动导水裂隙发育特征Fig.5 Development characteristics of water-flowing fractures in mining of 5-2 coal overburden

3 煤层群开采导水裂隙发育规律分析

3.1 数值模型设计

根据燕家河煤矿X4钻孔柱状图，采用非线性数值计算软件UDEC模拟采动覆岩导水裂隙发育规律，将覆盖层简化为施加在数值模型上边界的均布荷载，固定模型下边界的垂直位移及左右边界的水平位移。建立走向模型，模型尺寸为400 m×280 m，模型如图6所示，开挖长度为240 m，确定Mohr-Coulumb模型为围岩本构关系。

图6 UDEC模型示意Fig.6 Sketch of the UDEC model

3.2 上行开采导水裂隙发育规律分析

3.2.1 8煤回采

依次开挖8煤、5-1煤、5-2煤，8煤开挖240 m，采动导水裂隙发育特征如图7所示。

图7 8煤采后导水裂隙发育特征Fig.7 Development characteristics of water-flowing fractures after 8 coal mining

由图7可得，8煤采后，受顶板垮落的层续性影响，覆岩采动导水裂隙也呈现出层续性发育，采动裂隙在工作面上方及采空区一侧开切眼上方分布密集。工作面上部横向裂隙离层区作为主要发育裂隙，工作面下部纵向裂隙作为主要发育裂隙，二者在中部未连接，导水裂隙发育高度为93.6 m。顶板在靠近开切眼侧煤体的支护作用下，未呈现出下沉趋势。此处采动裂隙分布密集，作用于岩层的拉伸剪切破坏致使岩层发生明显破坏。

3.2.2 5-1煤回采

图8为5-1煤开挖240 m时的导水裂隙发育特征，由图可知，推至240 m时，与8煤回采结束时93.6 m的裂隙发育高度相比，有较为明显的升高。受拉剪作用影响，工作面两侧采动裂隙发育高度及宽度均有明显增加，此时采动裂隙发育到直罗组含水层内且处于直罗组含水层底部。

图8 5-1煤采后导水裂隙发育特征Fig.8 Development characteristics of water-flowing fractures after 5-1 coal mining

3.2.3 5-2煤回采

图9为5-2煤开挖240 m时导水裂隙发育特征，导水裂隙呈现出了从无到发育，再依次闭合的周期性的变化历程。工作面前方5～20 m范围内，导水裂隙发育明显。工作面中部冒落岩石随着工作面推进趋于压实，导水裂隙在工作面后方60 m区域逐步闭合。

图9 5-2煤采后导水裂隙发育特征Fig.9 Development characteristics of water-flowing fractures after 5-2 coal mining

上行采后覆岩导水裂隙分布特征如图10所示。从图可得，采动裂隙宽度及高度与工作面推进尺寸呈现正相关性。工作面推进度从0 m到120 m再到240 m，采动导水裂隙发育高度依次118.4，125.2，129.2 m。采动裂隙推进0 m时进入直罗组含水层，推进120 m时增高6.8 m，推至240 m时增高10.8 m。当工作面推至240 m时，裂隙未穿透直罗组含水层。

图10 上行开采导水裂隙分布特征Fig.10 Distribution characteristics of water-flowing fractures in upward mining

3.3 下行开采导水裂隙发育规律分析

3.3.1 5-1煤回采

为了分析不同开采方式下导水裂隙的发育规律，依次对5-1，5-2及8煤层开展了数值模拟分析。5-1煤层采后裂隙发育规律如图11所示。

图11 5-1煤采后导水裂隙发育特征Fig.11 Development characteristics of water-flowing fractures after 5-1 coal mining

5-1煤推至240 m开挖结束，此时裂隙呈现密集分布，且密集分布于采场之后10～20 m区间。从采场后20 m开始，采空区中间区域采动裂隙呈现出闭合趋势，采场上部裂隙与下部裂隙未沟通，60.4 m为导水裂隙发育高度。

3.3.2 5-2煤回采

在5-1煤层采动覆岩压实的基础上，开挖5-2煤层。工作面开挖完成，覆岩采动导水裂隙发育特征如图12所示。

图12 5-2煤采后导水裂隙发育特征Fig.12 Development characteristics of water-flowing fractures after 5-2 coal mining

当5-2煤层推至240 m，中部裂隙压实闭合。导水裂隙呈现区域分布特征，工作面上方25～40 m及后方10.0～30.0 m为裂隙主要分布区域，裂隙发育高度为75.7 m。

3.3.3 8煤回采

5-2煤采动覆岩压实后，对8煤层进行数值模拟分析，覆岩采动导水裂隙发育特征如图13所示。

图13 8煤采后导水裂隙发育特征Fig.13 Development characteristics of water-flowing fractures after 8 coal mining

工作面中上部离层区呈集中分布，顶板的垮落以时空层续性向上发育。老顶呈规律性破断，受拉剪作用，采动裂隙呈张开趋势，且主要分布于工作面前方20～30 m，采动裂隙在横向与纵向尺寸均有明显增大。采动裂隙较5-2采后增高69.6 m，此时高度为145.3 m。

下行采后覆岩采动导水裂隙分布特征如图14所示。由图14可知，随着工作面的推进，覆岩采动导水裂隙呈马鞍状分布。5-1煤开采结束，裂隙发育未进入直罗组含水层，由于层间距及采厚影响，5-2煤采后，裂隙较5-1煤增高15.3 m，8煤采后，覆岩采动导水裂隙贯通直罗组含水层，未到达洛河组含水层。

图14 下行开采导水裂隙分布特征Fig.14 Distribution characteristics of water-flowing fractures in downward mining

3.4 综合分析

5-1，5-2，8煤下行开采过程中，下层煤重复采动会对裂隙带的发育产生叠加效应，裂隙发育明显高于上行开采。5-1煤覆岩受多次扰动，工作面两侧裂隙高于工作面中部，覆岩裂隙呈现出中部低两边高的分布特征，裂隙发育高度进一步增大。5-1，5-2煤层相距较近，5-2，8煤相距较远，8 煤开采中5-2煤工作面中部及两侧覆岩形态与上覆5-1煤层开采呈现相似的裂隙分布特征相较而言，8煤层开采扰动程度逐渐增大。

综上可知，上行开采结束，导水裂隙进入直罗组含水层顶部但未穿透直罗组含水层。下行开采结束，导水裂隙发育到直罗组含水层上方且距离洛河组含水层54.7 m。下行开采覆岩采动导水裂隙较上行开采更为发育。

4 涌水量实测分析

综合以上分析，确定采用上行开采顺序，即依次回采8105，5105，5205工作面。8105工作面回采期间，工作面涌水量随推进距离关系如图15所示。

图15 涌水量随工作面推进距离的变化Fig.15 Changes of water inflow with the advanced distance of working face

由图15可知，工作面推进初期，涌水量呈增长趋势，推至200 m时，工作面初次见方，顶板来压强烈，覆岩采动导水裂隙逐步向工作面上方发育，涌水量增大。推至400 m时，工作面二次见方，顶板充分垮落，覆岩破断，导水裂隙持续发育，涌水量达60 m3/h。推至600 m时，工作面三次见方，覆岩采动导水裂隙发育明显增高，测站一与测站二涌水量均达到最大值分别为77 m3/h与80 m3/h。随着工作面的推进，覆岩沉降趋于缓慢，中部压实，导水裂隙由密集分布状态随之变为逐渐闭合。推至1 000 m时，涌水量趋于稳定，且稳定于31～33 m3/h，保证了工作面安全推进。