多水源煤矿采动覆岩导水裂缝带发育规律的研究

薛一生

（晋能控股煤业集团地煤鑫泰建井公司，山西 大同 037003）

0 引言

我国具有大量煤矿，在地下煤层开采的过程中，由于地下水的聚集，前期开采造成的采空区容易形成较多的富水采空区[1]，对临近煤层的开采造成影响。由于煤矿采动作用对覆岩的影响，使得矿井的导水裂隙带逐渐发育，若与前期的采空区联系，则会造成煤矿受到多水源的影响[2]，增加了煤矿防治水的困难，不利于煤矿的安全开采。针对煤矿开采过程中采动覆岩的导水特性进行分析[3]，即对矿井的导水裂隙带的发育规律进行研究，从而可以解决矿井开采中多水源的安全问题[4]，同时可以为相同条件的矿井开采防治水提供参考，从而保证煤矿的安全开采，避免造成水质灾害。

1 煤矿采动导水裂隙带发育理论分析

在进行煤矿井下开采的过程中，采空区的覆岩受到采动作用及其他多种因素的共同作用产生变形破坏，一般可将采动覆岩的变化划分为三带[5]，即弯曲下沉带、裂缝带及垮落带，三者自上而下排布，形成采空区覆岩的分布。在采动覆岩的变形过程中，伴随着新裂隙的产生，与矿井原有的裂隙相互挤压，形成不同的裂隙带分布形态，如图1 所示，覆岩的破坏可以分为离层裂隙区、方向裂隙区、网络裂隙区及垮落裂隙区[6]。

图1 上覆岩层裂隙的分布状态

在煤矿开采过程中，随着工作面的不断推进，采空区直接顶失去支撑形成悬空的岩体，随着悬空岩体的体积增加，受到的覆岩载荷作用及重力增加，从而发生破坏垮落，形成堆积在采空区的垮落带[7]。导水裂隙带指在覆岩中发育的垂直裂隙的岩层，位于垮落带的上方，是采空区中水系在垂直方向运动的主要通道，对煤矿的开采安全造成了一定威胁。在覆岩的变形分布中，导水裂隙带主要包括离层裂隙区、方向裂隙区及网络裂隙区[8]。弯曲下沉带位于覆岩上方与地表接触的岩层，呈现出一定的弯曲状态，没有大的裂隙出现，在煤矿开采过程中，对该层分布的裂隙可不予考虑。导水裂隙带在煤矿开采过程中的发育高度及形态特征与工作面的压力、覆岩的特性及结构具有密切的关系[9]，采用仿真模拟的方式对导水裂隙带的发育规律进行研究。

2 煤矿采动导水裂隙带发育模拟分析

2.1 覆岩导水裂隙带分析模型的建立

依据某煤矿的工作面赋存条件对煤矿采动覆岩导水裂隙带的发育进行模拟分析，采用UDEC 软件对覆岩的垮落效果进行模拟[10]，首先建立数值分析的模型。依据煤层的赋存条件设定模型的X 方向为工作面的长度方向，Y 方向为工作面的推进方向，Z 方向为垂直于工作面的垂直方向，设定模型的大小为250 m×400 m×210 m，其中工作面前后各留50 m 的煤柱，工作面走向开挖150 m。

在模型中设定前后、左右两侧及底部的接触为固定边界，顶部为自由边界，上覆岩层对模型的上边界作用为均布载荷的形式，工作面煤层的埋深为265 m，受到上方的均布载荷作用为2 MPa，模型的材料破坏采用莫尔-库伦准则进行分析[11]。在进行分析过程中，沿着工作面的推进方向对不同推进长度上的覆岩的导水裂隙带的发育状态及位移进行分析。

2.2 覆岩导水裂隙带形态及位移的模拟分析

在煤矿开采过程中，随着工作面的推进，依据覆岩的变形状态可以自下而上划分为四个区域，分别为拉张破坏区、拉张裂隙区、塑性破坏区及弹性区、未破坏区，依据覆岩裂隙的分布，可将拉张破坏区划分为垮落带，将拉张裂隙区划分为裂隙带，将塑性破坏区及弹性区、未破坏区划分为弯曲下沉带[12]，由此对采动覆岩的变化形态进行分析。

在对工作面进行开挖时，经过开切眼推进，在推进距离较小时，开采作业对上覆岩层的采动作用较小，当工作面推进到45 m 时，工作面的顶板垮落，此时上覆岩层的位移变化较小，当工作面推进到70 m时，采空区上方的垮落岩层的裂隙开始发育，如图2所示。从图2 中可以看出，此时工作面老顶上方垮落的岩层的位移最大达到100 cm。

图2 工作面推进70 m 时上覆岩层的位移分布状态

当工作面继续推进时，覆岩产生的位移变化范围逐渐增加，其变形的程度也随之增加，当工作面推进到125 m 时，上覆岩层的变化如图3 所示。从图3 中可以看出，随着采空区的冒落，导水裂隙带呈明显的向上发育的状态，随着覆岩变形量的增加，导水裂隙带发育至煤层顶面55 m 处，且垮落带的边界呈倒V字形分布的状态。

图3 工作面推进125 m 时上覆岩层的位移分布状态

随着工作面的持续推进，采空区的范围扩大，则垮落的岩层不断压紧，采空区上覆岩层产生的下沉量增加，当推进到175 m 时，上覆岩层的位移形态分布如图4 所示。从图4 中可以看出，此时模型上边界的最大下沉量达到250 cm，再继续进行推进时，上覆岩层的最大下沉量不再增加，这说明此时岩层的最大下沉量趋于稳定的状态，仅在水平方向上随工作面的推进移动；在工作面的上方覆岩的移动量相对采空区中部的下沉量要小，且在后续推进的过程中，产生的变化较小，说明工作面推进到175 m 时上覆岩层的导水裂隙带的发育达到最大水平，在后续的推进过程中，导水裂隙带不再向上发育而维持稳定的状态，这与上覆岩层的岩性有密切的关系，说明上覆岩层的材质为坚硬岩层，此时导水裂隙带发育到最大高度后，随着时间的增加会保持稳定而不再增加，这有利于对煤矿进行防治水分析，保证煤矿开采的水质安全。

图4 工作面推进175 m 时上覆岩层的位移分布状态

3 结论

1）煤矿开采过程中，采空区上覆岩层在采动作用及其他因素的作用下发生位移变形及破坏，形成导水裂隙带，对煤矿的水质安全造成威胁。

2）上覆岩层的变形可以划分为弯曲下沉带、裂缝带及垮落带。导水裂隙带主要分布在裂缝带，主要包括离层裂隙区、方向裂隙区及网络裂隙区。

3）采用UDEC 软件对导水裂隙带的发育规律进行分析，建立上覆岩层的变形分析模型，随着工作面的推进对岩层的变形位移进行模拟。结果表明，随着工作面的推进，上覆岩层的变形破坏不断增加，当工作面推进到125 m 时，导水裂隙带呈明显的向上发育的状态，当工作面推进到175 m 时，导水裂隙带的发育达到最大值，当继续推进时，导水裂隙带的最大高度不再增加。此研究结果有利于煤矿的防治水分析，保证煤矿的开采安全。