榆阳矿区覆岩导水裂缝带发育高度研究*
2016-09-07赵兵朝王守印刘晋波贺铜章鱼智让
赵兵朝，王守印，刘晋波，贺铜章，鱼智让，刘 浪,张 杰
(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；3.陕西银河煤业开发有限公司，陕西 榆林 719099)
榆阳矿区覆岩导水裂缝带发育高度研究*
赵兵朝1，2，王守印1，2，刘晋波3，贺铜章3，鱼智让3，刘浪1，2,张杰1，2
(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；3.陕西银河煤业开发有限公司，陕西 榆林 719099)
为了准确地预计榆阳矿区覆岩导水裂缝带的发育高度，从而达到该区域保水开采的目的，以榆阳矿区煤层赋存条件较为典型的薛庙滩煤矿开采为背景，理论分析了主关键层位置、基载比、基采比等开采参数对覆岩导水裂缝带发育高度的影响，并采用相似材料模拟实验模拟了薛庙滩煤矿开采时上覆岩层的移动变形规律。研究结果表明：覆岩导水裂缝带发育高度与主关键层在“三带”中的位置有着密切的关系，主关键层位置可通过基载比和基采比进行判断，结合岩层断裂与其自身拉伸变形的关系，可以确定出覆岩导水裂缝带的发育高度；计算出薛庙滩煤矿煤层开采后导水裂缝带发育高度为167.21 m，即发育至地表。研究成果为进一步研究榆阳矿区“保水开采”奠定了理论基础。
导水裂缝带；关键层；拉伸变形；基载比；基采比
2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China；
3.YingheCoalIndustryCo.Ltd.，Yulin719099，China)
0 引 言
陕北榆阳矿区位于毛乌素沙漠南缘，地下煤层储量丰富，地表生态环境脆弱，且该区域煤层埋藏较浅，具有基岩薄、松散层厚、开采高度大等特点。陕北浅埋煤层的开采实践表明，在大采高条件下，浅部煤层开采极易使覆岩导水裂缝突破隔水关键层，从而波及含水层甚至地表，导致水位下降，加剧生态环境的恶化进程[1]。因此，实现“保水开采”对于保护榆阳矿区脆弱的生态环境已刻不容缓，而“保水开采”的关键技术是避免采空区覆岩导水裂缝带与含水层相贯通，其中控制和预测覆岩导水裂缝带的高度是这一技术的重中之重[2-3]。
目前覆岩导水裂缝带发育高度的研究成果很多，具有代表性的有：高延法[4]提出了中间层的概念，并采用两段圆弧拟合岩层下沉盆地的边缘曲线，研究了覆岩导水裂缝带内裂隙岩层导水性与覆岩岩层层向拉伸变形的关系；许家林[5]在深入研究覆岩关键层对导水裂隙发育高度影响规律的基础上，提出了通过覆岩关键层位置来预计导水裂缝带高度的方法；弓培林[6]应用关键层理论研究了采场覆岩结构特征及移动规律，认为大采高的垮落带及裂隙带高度与覆岩关键层的分布特征密切相关；康建荣[7]根据覆岩的破坏机理，在考虑覆岩岩性、厚度和埋深等因素的基础上，建立覆岩岩层断裂时临界开采长度的计算模型；范志胜[8]利用变形分析方法根据工作面推进过程中引起的上覆岩层水平拉伸变形的大小，结合该岩层的力学性质来判断其是否导水，从而确定导水裂缝带的高度；文中作者[4]提出了导水裂缝带广义损伤因子的概念，研究了导水裂缝带高度与广义损伤因子的关系等。可见，导水裂缝带发育高度与关键层位置、覆岩岩性、开采厚度、基岩厚度和载荷层厚度等开采参数有着密切的关系。
文中以榆阳矿区煤层赋存条件较为典型的薛庙滩煤矿为工程实例，通过理论分析与相似材料模拟实验对其覆岩导水裂缝带发育高度进行研究，为薛庙滩煤矿水体下安全开采提供了理论依据，对进一步研究榆阳矿区“保水开采”奠定了理论基础。
1 覆岩断裂与岩层拉伸变形量的关系
覆岩变形破坏与覆岩岩性、开采厚度、基岩厚度和载荷层厚度等开采参数有着密切的关系。由文献[4]、[9]可知，采场上覆岩层中的任一岩层随着工作面的推进而发生弯曲下沉，相对于岩层原始状态，此时该岩层的中间层会发生层向拉伸变形，当层向拉伸变形量大于其临界拉伸变形量时该岩层就成为导水裂缝带岩层，结合覆岩下沉函数的分布形态，认为覆岩下沉曲线的内外边缘曲线可采用两段椭圆曲线进行拟合，如图1所示。因此，可通过计算岩层的层向拉伸变形量来判别其是否断裂成为导水裂缝带岩层，岩层弯曲变形后的总拉伸变形量为
(1)
式中L0为岩层弯曲变形前的直线段长度，m； L1为岩层弯曲变形后的曲线段弧长，m.
由图1可知，椭圆曲线的短半轴la/2为岩层最大下沉值的一半，即la/2=w(z)/2；椭圆曲线的长半轴lb/2等于岩层的影响半径r(z)，为便于计算，可近似认为岩层影响半径r(z)与地表主要影响半径r相等。根据三角函数关系及椭圆的几何性质，可得出L0，L1的计算公式如下
(2)
图1 岩层弯曲下沉几何模型Fig.1 Geometrical model of rock stratum’s bending and subsidence
将式(2)代入式(1)，得出岩层弯曲变形后的总拉伸变形量为
(3)
当岩层的拉伸变形量大于其临界拉伸变形量，即ε>[ε]时，可判定该岩层断裂成为导水裂缝带岩层。
2 主关键层与导水裂缝带发育高度的关系
2.1主关键层在“三带”中的位置
关键层判定首先需计算出岩梁所承受的载荷，然后进行关键层刚度(变形)判别，同时还必须满足关键层的强度条件，最后确定出覆岩中主关键层与亚关键层的位置[10]。
主关键层对采场上覆岩层活动起主要的控制作用，且对导水裂缝具有较大的抑制作用，因而其在“三带”中的位置对于研究导水裂缝带发育高度具有重要的意义。由文献[11-12]可知，主关键层在覆岩中的位置与基载比(简称JZ)和基采比(简称JC)有如下关系
当JZ<0.8，JC<10～15且开采高度较大时，主关键层位于“冒落带”，覆岩表现为“三带合一”现象；当JZ<0.8，10～15
2.2确定导水裂缝带发育高度
通过基载比JZ和基采比JC判断出主关键层位于“三带”中的位置，进而确定导水裂缝带的高度(如图2所示)，具体分析如下
1) 主关键层位于冒落带时，煤层采出后，主关键层将垮落下沉充填采空区，失去了对上覆岩层的控制作用，使之发生同步破断下沉，导水裂缝迅速向上发育直至地表，即导水裂缝带最大高度为煤层的埋深；
2) 主关键层位于裂隙带时，导水裂缝带最大高度不小于主关键层到煤层顶板的距离，需依据式(3)依次判断主关键层及其上覆各岩层是否断裂，直至判别出断裂岩层，则该岩层到煤层顶板的距离即为导水裂缝带的最大高度；
3)主关键层位于弯曲下沉带时，导水裂缝带最大高度不大于主关键层到煤层顶板的距离，然后依据式(3)依次判别主关键层及其下部各岩层是否断裂，直至判别出断裂岩层，则该岩层到煤层顶板的距离即为导水裂缝带的最大高度。
图2 确定导水裂缝带最大高度流程图Fig.2 Flow chart of determining the height of water flowing fractured zone
3 工程实例分析
3.1矿井概况
榆阳矿区薛庙滩煤矿可采煤层为3#煤层，为近水平煤层，平均埋深约167.21m，其中地表松散层厚度39.8m，基岩厚度127.41m，开采高度为6.3m，属榆阳矿区较为典型的煤层赋存条件，因此以其为工程实例，计算煤层开采后覆岩导水裂缝带的发育高度。
薛庙滩煤矿3#煤层顶板以细粒及粉粒砂岩为主，中粒及粗砂岩次之，岩石较为坚硬，裂隙不发育；底板以粉砂岩及细砂岩为主，泥岩、粉砂质泥岩次之。按关键层判定条件计算可知，煤层上覆第17层岩层为主关键层。煤层上覆各岩层厚度及力学参数见表1.
表1 工作面上覆岩层物理力学参数
3.2导水裂缝带高度的确定
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，工作面基岩移动角取66°，松散层移动角取45°，主要影响角正切值tanβ取1.732，岩石综合残余碎胀系数Ks取1.05，主关键层层位的岩石极限拉伸变形量[ε]为2.9 mm/m，则导水裂缝带最大高度的确定方法如下
1) 计算基载比和基采比分别为JZ=3.2>0.8,JC=20.22<25，初步推断主关键层位于裂缝带上部，因而可判断覆岩导水裂缝带最大发育高度不小于第17层岩层(主关键层)距煤层顶板的垂直距离；
2)计算第17层岩层的下沉系数η(17)为
(4)
将η(17)代入式(3)得
(5)
3) 由于ε17=3.371mm/s>[ε]=2.9mm/m，故第17层岩层(主关键层)断裂。由于第17层岩层(主关键层)对第18层岩层至地表全部岩(土)层具有控制作用，且这些岩土层以风积沙和亚粘土层为主，抗拉强度小，故当第17层岩层(主关键层)断裂后，其上方的岩(土)层随之破断下沉，导水裂缝会直接贯通波及到地表。因此，在该工作面的地质、采矿条件下，覆岩导水裂缝带最大高度为167.21m，即为煤层埋深。
4 相似材料模拟分析
4.1实验设计
根据薛庙滩煤矿3#煤层的赋存条件、实验开采范围和模型支架的尺寸，实验选用了3 000(长)mm×1 500(高)mm×2 00(宽)mm的二维模型支架，选取模型几何相似常数为αi=150，容重相似常数为αr=1.56，则应力相似常数为ασ=αi×αγ=234，各岩层的物理力学参数及材料配比见表1.此次实验铺设总高度为115cm，铺设过程中严格按表1中的模型高度及材料配比进行铺装，每次铺装厚度为1cm，各层水平铺设，每层之间均匀铺洒云母粉做分层层理。
为了研究3#煤层开采过程中覆岩的破坏特征及移动变形规律，在铺装好的模型上布设了6条观测线A～F，自下而上分别位于第二层亚关键层底面、第三层亚关键层底面、主关键层底面、亚粘土层底面、亚粘土层中性面以及地表深10mm处。在距模型左边界50cm处掘出开切眼，由开切眼处向模型右侧模拟煤层开采，推进距离为200cm.在开挖过程中，当亚关键层、主关键层破断及工作面回采完毕时，均用PENTAXR-322NX型光学全站仪对A～F各条测线上的测点进行观测。
4.2实验现象与结果分析
模型开挖过程中，工作面上覆岩层的移动破坏具有如下规律：随着工作面的向前推进，直接顶开始破断失稳，充填采空区，由于关键层的弹性模量较大，强度较高，其不会随着下部岩层一起破断，因而出现离层。随着工作面的继续推进，关键层达到其极限跨距或其最大挠度小于下部离层时发生破断，而其控制的全部岩层会发生同步破断，导水裂缝会迅速向上发育。
图3 离层现象Fig.3 Bed separation
图4 挠曲下沉Fig.4 Flexural subsidence
图5 地表裂缝Fig.5 Ground crack
图6 覆岩垮落形态Fig.6 Overburden rock failure
当工作面推进至158 m时，主关键层下部出现了离层现象，如图3所示。随着工作面的继续推进，主关键层及其上覆岩层同步挠曲下沉，主关键层下部离层逐渐闭合，如图4所示。当工作面推进至250.5 m时，在工作面开切眼上方地表出现了1条上下贯通的地表裂缝，表明主关键层发生了破断，覆岩导水裂缝带发育至地表，如图5所示。当工作面推进至300 m时，模拟开挖完毕，待覆岩稳定后，测得工作面后方采空区内垮落带高度为28.5 m，在工作面开切眼与停采线上方地表附近出现数条地表裂缝并上下贯通，表明覆岩导水裂缝带发育至地表，即导水裂缝带最大发育高度为167.21 m，如图6所示。可见，物理相似模拟结果与理论分析结果相吻合。
5 结 论
1) 以基载比JZ和基采比JC为参数确定出主关键层在“三带”中的位置，并揭示了主关键层在“三带”中不同位置对导水裂缝带发育高度的影响；
2) 覆岩导水裂缝带发育高度与关键层位置、基载比、基采比等开采参数有着密切的关系，结合岩层断裂与其自身拉伸变形的关系，可以确定出覆岩导水裂缝带的发育高度，并通过工程实例验证了基于主关键层位置的计算导水裂缝带最大高度方法的可行性；
3) 以榆阳矿区薛庙滩煤矿为工程实例，计算出导水裂缝带最大高度为167.21 m，即发育至地表，与物理相似模拟结果相吻合。
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Height of water flowing fractured zone in Yuyang mining area
ZHAO Bing-chao1，2，WANG Shou-yin1，2，LIU Jin-bo3，HE Tong-zhang3，YU Zhi-rang3，LIU Lang1，2，ZHANG Jie1,2
(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China；
In order to predicting the height of water flowing fracture zone in Yuyang mine area accurately，and achieving the goal of water-preserved mining，this paper research with the background of Xuemiaotan mine which is the prototype of occurrence conditions in Yuyang mine area，and analyze the impact of key stratum position，and ratio of rock and loading，and ratio of rock and mining on the height of water flowing fracture zone，also use the similar material simulation test to simulate the the laws of ground surface movement and deformation in Xuemiaotan mine.The research result show there is close relationship in the height of water flowing fracture zone and the position of key strata in three zones，the position of key strata could been decided with the ratio of rock and loading and ratio of rock and mining，and combined the strata fracture with tensile deformation itself，the height of water flowing fracture zone is determined.The height of water flowing fracture zone is 167.21 m in Xuemiaotan mine，which extends to the earth’s surface.The research result lays the theoretical foundations for further researches of water-preserved mining in Yuyang mine area.
water flowing fracture zone；key stratum；tensile deformation；ratio of bedrock thickness and overburden thickness；ratio of bedrock thickness and mining height
10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0308
1672-9315(2016)03-0343-06
2015-11-19责任编辑：刘洁
国家自然科学基金(51504182)；陕西省重点科技创新团队计划(2013KCT-16)；陕西省重点实验室科学研究计划资助项目(13JS066);国家自然科学基金(51474173)
赵兵朝(1978-)，男，山西晋城人，博士，副教授，E-mail：zhaobc913@163.com
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