神南矿区浅埋近距离煤层开采覆岩导水断裂带发育高度研究

2023-08-04谢党虎王建文李民峰郭书全王二云马宗宇杜超杰

煤矿安全 2023年7期

谢党虎，王建文，李民峰，郭书全，王二云，马宗宇，杜超杰

（1.陕西涌鑫矿业有限责任公司，陕西榆林 719407；2.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西榆林 719300；3.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083）

我国神南矿区煤炭储量丰富，煤层埋深浅、煤层间距较小[1]。近距离煤层重复采动覆岩导水断裂带与浅部含水层连通，极易造成工作面突水溃沙现象。因此，导水断裂带高度是神南矿区“科学采矿”的重要依据[2-4]，国内外学者对于采动覆岩断裂带高于进行了大量研究。许家林等[5]基于工程实测和理论研究提出了通过覆岩关键层位置来预计导水断裂带高度的新方法，弥补了将顶板岩性均化预测导水断裂带高度的不足；黄庆享等[6-8]通过现场实测和物理模拟提出了浅埋煤层覆岩破坏“拱梁”结构模型和“双关键层”结构模型；GUO Wenbing 等[9]提出了1种基于覆岩失效转移过程的导水断裂带高度预测的新理论；许峰等[10]采用现场实测以及数值模拟手段，对神东矿区多层煤层重复采动导水断裂带的发育高度进行了实测与计算，表明42 上煤开采后导水断裂带最大发育高度达到顶板以上160 m，沟通了延安组和直罗组含水层，但未沟通白垩系志丹群含水层；康国彪等[11]研究了神东矿区大采高工作面覆岩导水断裂带发育高度及其影响因素；杨达明等[12]研究了厚松散层软弱覆岩下综放开采导水断裂带发育高度，厚煤层软弱覆岩厚松散层条件下综放开采的导水断裂带高度与采厚比为6.87～7.02；左建平等[13]、SUN Yunjiang 等[14-15]提出了浅埋煤层开采覆岩裂隙场呈类双曲线形态分布特征。上述研究未考虑厚黄土层覆岩条件下近距离煤层重复采动导水断裂带发育规律。为此，采用相似模拟、数值模拟和现场钻孔实测方法研究神南矿区柠条塔矿厚黄土和红土层条件下近距离1-2煤和2-2煤开采覆岩导水断裂带发育规律，为该矿区浅部近距离煤层开采顶板突水溃沙防控提供科学依据。

1 工程背景

柠条塔煤矿位于陕北矿区，1-2煤和2-2煤为近距离煤层，间距约为40 m。1-2煤层厚度由北向南递减，南翼1-2煤不采；北翼先采1-2煤后采2-2煤。目前北翼正在开采2-2煤层，埋深约170 m，平均厚度约为4.9 m。矿区内有2 个主要含水层：①第四系松散孔隙潜水含水层分布于考乌素沟以南地区，含水层岩性多为粉细砂及细砂，含水层厚0～25.04 m，一般厚10.00 m 左右，水位埋深2.80～16.20 m，矿化度为0.18～0.257 g/L，为HCO-Ca 及HCO-Ca·Mg 型水；②侏罗系风化基岩承压水含水层分布较普遍，受到不同程度的风化，岩石结构杂乱，松软易碎，孔隙度增大，岩石透水性增强，节理裂隙显现，含水层厚度10.00～33.76 m，一般20.00～30.00 m，渗透系数为0.056 59～0.111 m/d，矿化度为212～228 mg/L，水化学类型为HCO3-Ca·Mg 或HCO3-Ca·Na 型。在2 个含水层中间存在保德组红土隔水层。

由于神南矿区煤层埋藏浅、煤层厚，1-2煤和2-2煤重复开采上覆岩层断裂带发育到含水层，可能造成工作面突水溃沙事故。因此，有必要对神南矿区浅埋近距离煤层重复采动覆岩断裂带发育高度进行研究，指导煤矿安全开采和生态保护。

2 覆岩导水断裂带发育规律理论分析

目前对于硬岩层破断已经进行了大量研究，当硬岩层弯曲下表面产生的最大拉应力σtmax达到抗拉强度，则硬岩层会断裂，产生竖向的导水裂隙，可根据下式来判断：

式中：Iz为岩层的惯性矩，Iz=bh3/12；［σt］为岩层的抗拉强度；M 为岩层的弯矩，M=ql2/8；b 为岩梁的宽度；h 为岩梁的厚度；l 为岩层断裂的极限跨距；q为岩层上的载荷。

式中：i 为各岩层的编号；Ei为岩层弹性模量；ρi为岩层密度。

取单位岩梁宽度，可得岩梁发生断裂，产生竖向裂缝的临界跨距li，hard为：

在导水断裂带发展到一定高度后，软弱岩层（如泥岩、黄土层、红土层等）是抑制导水断裂带向上发展的关键。软岩一般抗变形能力较强，但强度较低，故采用应变来分析红土层和黄土层破坏情况。固支梁弯曲后下表面的最大拉应变εmax为：

变形可得到软岩弯曲产生最大水平拉伸应变的极限跨距li，soft：

顶部发生断裂岩层与煤层之间的距离Hf即为导水断裂带发育的高度，其与工作面推进距离之间存在如下关系：

式中：D 为工作面推进距离；φq、φh分别为岩层的前方、后方断裂角，根据相似材料模拟实验得知，覆岩前方破断角φq和后方破断角φh分别取56°和61°。

根据柠条塔矿各岩层力学参数和式（6）可得柠条塔煤矿北翼1-2煤和2-2煤开采后导水断裂带发育规律。柠条塔矿北翼1-2煤和2-2煤开采后覆岩导水断裂带发育规律如图1。

图1 柠条塔矿北翼1-2 煤和2-2 煤开采后覆岩导水断裂带发育规律Fig.1 Variation of water-conducting fracture zone height caused after 1-2 coal and 2-2 coal mining in Ningtiaota Coal Mine

由图1 可知：在1-2煤和2-2煤重复采动后基岩坚硬岩层均会发生破断而产生导水裂隙。根据式（6）计算可得导水断裂带发育高度约为136.9 m，即导水断裂带发育到2 号红土层内，但并没有导穿。由此可见，软岩层（红土层）对抑制导水断裂带的发展起着决定性作用。

3 覆岩破坏及断裂带发育规律物理模拟试验

3.1 相似模型参数及测点布置

1）相似参数确定。物理模拟试验模型尺寸为3.0 m×2.5 m×0.2 m，模型相似比为αl=1∶150；时间相似比为αt=1∶11；密度相似比为αρ=2∶3；强度、弹模、黏聚力相似比为αR=αE=αC=1∶225；内摩擦角相似比为αφ=1∶1；作用力相似比为αf=0.386×10-6。

2）相似材料的选择与配比。相似材料主要有河沙、石膏、大白粉、粉煤灰，模型在铺设时均匀地撒上云母粉作为分层弱面。根据相似条件，确定的模拟实验相似材料配比方案见表1。

表1 模拟实验相似材料配比方案Table 1 Similar material matching schemes of simulation experiment

3）监测方案。模型共布置7 条位移监测线，监测线分别距离2-2煤15 cm（监测线A，2-2煤顶板）、27 cm（监测线B，亚关键层）、36 cm（监测线C，1-2煤顶板）、53 cm（监测线D，主关键层）、71 cm（监测线E，红土层与基岩分界面）、103 cm（监测线F，红土层中间位置）、130 cm（监测线G，约地表）。其中，每条监测线布置19 个测点，测点间距为15 cm。模型自上而下先开采上部的1-2煤层，再开采下部的2-2煤层，两煤层开切眼垂直，每次均开挖1.0 cm。

3.2 煤层重复开采覆岩断裂带高度演变规律

3.2.1 1-2煤开采覆岩断裂带发育规律

1-2煤不同推进度覆岩破断规律如图2。

图2 1-2 煤不同推进度覆岩破断规律Fig.2 Variation of overburden breaking and fissures with advancing of 1-2 coal

由图2 可知：当工作面开采58.5 m 时，基本顶发生初次断裂；当工作面开采73.5 m 时，基本顶发生第1 次周期断裂，周期断裂步距约为15 m；当1-2煤开采330 m，达到充分采动时，覆岩断裂带高度约为50 m，尚未与上部的第四系松散孔隙潜水和侏罗系风化基岩承压水连通，故不会发生突水事故，也不会造成地下水位下降。

3.2.2 2-2煤开采覆岩断裂带发育规律

1-2 煤和2-2煤层开采后覆岩破断规律如图3。

图3 1-2 煤和2-2 煤层开采后覆岩破断规律Fig.3 Variation of overburden breaking and fissures after mining of 1-2 coal and 2-2 coal

由图3 可知：当工作面开采66 m 时，基本顶发生初次断裂；当工作面开采80 m 时，基本顶发生第1 次周期断裂，周期断裂步距约为14 m；当1-2煤开采330 m，达到充分采动时，覆岩断裂带高度约为135 m，与上部侏罗系风化基岩承压水连通，故需要采取措施防止突水，但并未与第四系松散孔隙潜水连通，故对浅部地下水位影响较小。

1-2 煤和2-2煤开采后覆岩下沉曲线如图4，1-2煤和2-2煤重复开采覆岩断裂带发育高度变化规律如图5。

图4 1-2 煤和2-2 煤开采后覆岩下沉曲线Fig.4 Subsidence curves of overlying strata after 1-2 coal and 2-2 coal mining

图5 1-2 煤和2-2 煤重复开采覆岩断裂带发育高度变化规律Fig.5 Variation of fractured zone in overburden in repeated mining of 1-2 coal and 2-2 coal

由图4 结合图5 可知：1-2煤开采后，地表最大下沉量约为1.1 m，下沉系数约为0.55；1-2煤和2-2煤开采后，地表最大下沉量约为3.5 m，下沉系数约为0.51；1-2煤开采后导水断裂带发育高度约为56 m，2-2煤开采后导水断裂带发育高度约为140 m。当2-2煤开采100 m 以后，导水断裂带的高度突然陡增，主要是由于2-2煤顶板断裂带与1-2煤开采产生的断裂带导通。当两层煤推进超过150 m 后，断裂带高度保持稳定。

4 覆岩断裂带发育规律数值模拟

根据柠条塔矿地质资料，采用离散元UDEC 建立柠条塔矿1-2煤和2-2煤开采数值模型，模型侧压系数取1.0。考虑到边界效应，工作面开挖距离边界100 m，推进距离为300 m，此时已达到充分采动。

1-2 煤开采覆岩断裂带高度变化规律如图6，2-2煤开采覆岩断裂带高度变化规律如图7，1-2煤和2-2煤不同推进度覆岩断裂带高度变化规律如图8。

图6 1-2 煤开采覆岩断裂带高度变化规律Fig.6 Variation of overburden breaking and fissures during 1-2 coal mining

图7 2-2 煤开采覆岩断裂带高度变化规律Fig.7 Variation of overburden breaking and fissures during 2-2 coal mining

图8 1-2 煤和2-2 煤不同推进度覆岩断裂带高度变化规律Fig.8 Variation law of fractured zone height in overburden with different advancing degrees of 1-2 and 2-2 coal

由图6、图7、图8 可知：

1）当1-2煤工作面开采55 m 时，基本顶发生初次断裂；当工作面开采70 m 时，基本顶发生第1 次周期断裂，周期断裂步距约为15 m；当1-2煤开采300 m，达到充分采动时，覆岩断裂带发育高度如图6（c），覆岩断裂带高度约为50 m，没有与上部第四系松散孔隙潜水和侏罗系风化基岩承压水连通。当2-2煤工作面开采65 m 时，基本顶发生初次断裂；当工作面开采80 m 时，基本顶发生第1 次周期断裂，周期断裂步距约为15 m。

2）当2-2煤开采300 m，达到充分采动时，覆岩断裂带发育高度如图7（c），覆岩断裂带高度约为140 m，与上部侏罗系风化基岩承压水连通，故需要采取措施防止突水。

5 覆岩导水断裂带高度现场实测及突水防控

5.1 覆岩导水断裂带高度现场实测

为了验证断裂带高度模拟结果的正确性，利用钻孔窥视仪从地表钻孔观测覆岩中的采动裂隙。由1-2 煤和2-2煤重复采动后覆岩裂隙发育现场钻孔实测图可知：基岩都有明显的宏观裂隙，表明1-2煤和2-2煤重复采动断裂带高度大于基岩厚度（约100 m），并且从图6（c）中可以看出在地下75 m 位置存在显著的竖向宏观裂隙，在地下75 m 以浅的位置没有显著的竖向裂隙，由此可判断两层煤开采后覆岩导水断裂带的高度约为130 m，这与相似模拟结果（135 m）和数值模拟结果（140 m）非常接近。说明1-2 煤和2-2煤重复采动断裂带与上部侏罗系风化基岩承压水连通，故需要采取措施防止突水。

5.2 2-2 煤开采工作面突水溃沙防控措施

分析得知柠条塔矿2-2煤层开采后覆岩导水断裂带将会发育到风化基岩承压含水层，故现场采用超前工作面疏放承压水。根据现场经验和实施效果优化后的方案为超前工作面300 m 从回采巷道向顶板风化基岩打钻孔提前疏放该含水层的承压水。其中，钻孔向工作面内部倾斜约15°，钻孔间距约为50 m。现场实践表明，在采取提前疏放承压水措施后，2-2煤工作面开采过程中没有出现突水溃沙灾害。