综放开采覆岩破坏特征与导水断裂带高度模拟研究

2022-01-15刘卓然赵高博

矿业安全与环保 2021年6期

刘卓然，赵高博

(1.天地科技股份有限公司，北京 100020；2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000；3.辽宁工程技术大学，辽宁阜新 125105)

煤炭开采后必然会引起上覆岩层的破坏、应力场与裂隙场的变化，形成导水断裂带(包括垮落带与断裂带)[1-2]。而综放开采诱发的覆岩破坏更加剧烈，其覆岩移动规律特殊性明显，研究综放开采覆岩破坏特征与导水断裂带高度对水体下采煤、瓦斯治理的保护层开采等的影响均具有重要意义[3-6]。

目前，钱鸣高院士与宋振骐院士分别提出的“砌体梁”结构模型[7]与“传递岩梁”结构模型[8]，为国内外学者研究采动覆岩破坏特征提供了重要的思路。另外，许家林等[9-10]基于“关键层”理论，研究了不同覆岩结构类型下的覆岩破坏特征与关键层失稳机制；郭文兵等[11-12]提出了覆岩破坏充分采动程度的概念、定义及理论判别方法，对研究导水断裂带发育最大高度具有重要意义；王金安等[13]通过数值模拟方法研究表明，浅埋坚硬覆岩开采条件下采场上方存在“复合压力拱”结构；高延法[14]、黄万朋[15]等研究了覆岩裂缝与岩层拉伸变形的关系，提出了一种考虑覆岩组合结构与岩层拉伸变形的覆岩破坏高度预计方法；张宏伟等[16]采用物理探测、数值模拟与微震监测等综合方法，研究了覆岩破坏高度；黄欢等[17]运用偏最小二乘回归法，计算了导水断裂带高度；郭小铭等[18]采用现场实测方法，研究了强冲击矿压矿井综放开采覆岩破坏高度。

上述学者对综放开采覆岩破坏特征或导水断裂带高度都从单方面进行了较为充分的研究，但仅有少数学者从两方面进行综合研究。笔者基于盛泰煤矿15201综放工作面地质条件，采用理论分析与数值模拟方法，研究综放开采覆岩破坏特征与导水断裂带最大发育高度，以期为我国类似地质条件矿区的岩层移动规律研究提供参考。

1 盛泰煤矿15201综放工作面概况

盛泰煤矿15201综放工作面走向长2 610 m，倾向长200 m，煤层平均厚度为4 m，工作面开采深度约为210 m。直接顶灰岩厚度为6.0～10.2 m，岩性坚硬，基本顶矿压显现强烈。底板为泥岩、细砂岩，厚度为1.4～10.2 m，属于松软类底板。煤层顶底板特征如表1所示。

表1 煤层顶底板特征情况

分析矿井水文地质柱状图与采掘过程中实际揭露地质情况，可知15201综放工作面共有4个含水层会对工作面产生影响，分别为距离煤层底板12.8、26.7、43.7、84.0 m的石灰岩层，岩溶裂隙发育，富水性强。其中煤层底板上方12.8 m的石灰岩层水为该工作面的直接充水水源，经常出现顶板淋水。因此，在工作面回采前，应对上覆岩溶裂隙水进行疏放，在工作面回采时注意顶板淋水，加强涌水量观测、加强排水。

2 盛泰煤矿采动覆岩破坏特征模拟

为研究盛泰煤矿15201综放工作面开采的覆岩破坏特征，通过3DEC离散元数值模拟软件，对开采过程中上覆岩层破断分布形态特征与竖直位移进行模拟分析。15201综放工作面上覆岩层134.0 m范围内的覆岩柱状图如图1所示。

图1 15201综放工作面覆岩柱状图

2.1 数值模型建立

3DEC是一款基于离散单元法为基本理论，描述离散介质力学行为的计算分析程序[19]。根据盛泰煤矿15201综放工作面及上覆岩层实际地质条件，建立数值计算模型，模型尺寸为320 m×1 m×171 m，模型底部为固定边界，4个侧面设定为水平移动边界。3DEC数值模型的块体本构模型选用莫尔-库仑模型，节理本构模型选为库仑滑移模型。

为去除数值模型的边界效应，边界煤柱的宽度为50 m。模拟工作面上覆岩层范围为130 m，因15201综放工作面开采深度约为210 m，所以在模型上方施加未模拟的80 m岩层载荷，约为2 MPa；模拟工作面底板厚度为37 m，工作面采高为4 m，模拟工作面走向推进220 m，每步开挖20 m，共开挖11步。不同覆岩岩性及节理模拟力学参数如表2所示，3DEC数值模型及初始竖直应力云图如图2所示。

表2 不同覆岩岩性及节理模拟力学参数

图2 3DEC数值模型及初始竖直应力云图

2.2 采动覆岩破坏特征模拟结果分析

根据15201综放工作面实际采矿地质条件，当采高为4 m时，模型每次推进20 m，共推进11次，提取每次模型竖直位移分布云图，如图3所示。上覆岩层失稳后，裂隙沿纵向贯穿覆岩岩层，视为该岩层破断，归入导水断裂带。在3DEC离散元数值模拟软件中可模拟采动覆岩的破断，从而可直观地判断裂隙是否贯穿某一覆岩岩层，进而可得导水断裂带最大高度。

图3 砌体梁结构的形成与失稳过程

由图3可知，当工作面推进至40 m时(见图 3(b))，直接顶(石灰岩)垮落至采空区底板，导水断裂带高度为16 m；随着工作面的继续推进(见图3(c)、3(d))，上覆岩层失稳破断至采空区，且导水断裂带发育高度逐渐增加；当工作面推进至100 m 时(见图3(e))，上覆岩层(基本顶)破断后形成砌体梁结构，此时覆岩破坏发育高度为22 m；当工作面继续推进至120 m时(见图3(f))，砌体梁结构失稳，垮落至采空区，导水断裂带高度发育至36 m。

为对上述数值模拟部分得出的直接顶(石灰岩)垮落、基本顶破断后的砌体梁结构与失稳现象进行深入讨论，可进一步通过理论分析建立2个采动覆岩破坏理论力学模型：直接顶板破坏力学模型与砌体梁失稳力学模型，分别如图4、图5所示。

图4 直接顶板破坏力学模型

图5 基本顶砌体梁力学模型

图4中：Gi为第i层岩层自重，kN；Lki max为第i层岩层的极限跨距，m，当该岩层最大正应力大于抗拉强度极限时岩层发生破坏；hi为第i层岩层的厚度，m；qi为岩层所受的载荷集度，kN/m；Fs为剪切力，kN；M为力矩，kN·m；G′i为第i层岩层悬臂部分的自重，kN；Lsi max为第i层岩层的极限悬伸跨距，m，当第i层岩层悬臂部分的最大正应力大于其抗拉强度时，该岩层将破断；q′i为岩层悬臂部分所受的载荷集度，kN/m。

极限跨距、极限悬伸跨距可表示为：

(1)

(2)

式中：RT为第i层岩层的抗拉强度，MPa；ki为岩层自重载荷集度，kN/m。

图5中：q″i为作用于失稳岩块上的载荷集度，kN/m；Fh为使岩块保持平衡的水平推力，kN；L′si max为失稳岩块可保持平衡的长度，m。

根据三铰拱平衡原理可得：

(3)

依据建立的直接顶板破坏力学模型与基本顶砌体梁力学模型，从理论角度揭示了采动直接顶与基本顶失稳机制。由于式(1)～(3)中的部分理论参数难以定值，文中未对其定量计算，而是定性分析了直接顶失稳、基本顶砌体梁失稳的影响因素。

由式(1)和式(2)可知，直接顶板失稳与岩层岩性、厚度、所受载荷集度、岩层悬臂部分所受的载荷集度等因素有关。

由式(3)可知，基本顶砌体梁结构的失稳与作用于岩层的岩性、岩块厚度、失稳岩块上的载荷集度、岩块间的水平推力等因素有关。

随着综放工作面继续推进，覆岩破坏发育过程如图6所示。

图6 覆岩裂隙闭合过程

由图6(a)～6(b)可知，当工作面推进至140、160 m时，导水断裂带高度分别发育至42、45 m;由图6(c)可知，当工作面继续推进(如推进至180 m)，上覆岩层破坏的裂隙被压密而闭合，导水断裂带高度不再向上发育且达到该地质采矿条件下的最大值，覆岩达到充分破坏。因此在15201综放工作面采矿地质条件下，当采高为4 m时，导水断裂带最大发育高度为45 m。

综上可知盛泰煤矿15201综放工作面覆岩破坏特征：当工作面推进至100 m时，基本顶破断后形成砌体梁结构；当工作面继续推进至120 m时，砌体梁结构失稳，导水断裂带高度一直增加；当推进至180 m时，上覆岩层破坏的裂隙被压密而闭合，导水断裂带高度不再向上发育，导水断裂带最大发育高度为45 m。

3 盛泰煤矿导水断裂带高度模拟

基于15201综放工作面实际地质条件，对不同开采条件下煤层开采导水断裂带高度进行研究。

3.1 不同采高对导水断裂带高度的影响

当综放工作面采高分别为3、4、5 m时，导水断裂带最大发育高度云图如图7所示。

图7 采高3、4、5 m时导水断裂带最大发育高度云图

根据模拟结果，绘制综放工作面采高为3、4、5 m时导水断裂带发育高度曲线，如图8所示。

图8 采高3、4、5 m时导水断裂带发育高度曲线

由图8可知，导水断裂带高度随着工作面推进距离的增加呈现阶梯状上升。当采高为3、4、5 m 时，导水断裂带最大高度分别为33、45、75 m。由此可知15201综放工作面导水断裂带高度随着采高的增加而增加。这是由于随着工作面采高的增加，工作面开采后引起的空间体积(工作面倾向长度×走向长度×采高)增加，上覆岩层破断垮落至采空区的离层空间(Δi,i+1)增加，其计算公式如下：

(4)

根据式(4)可知，采高越大，离层空间则越大，导致导水断裂带高度增加。

3.2 不同工作面倾向长度对导水断裂带高度的影响

当采高设置为4 m并固定不变时，工作面倾向开采长度分别为180、200、220 m，模型开挖结束后，提取导水断裂带最大发育高度时的竖直位移分布云图，如图9所示。

利用测井方法可以识别出海底浅水流的存在。浅水流的测井反应有低电阻率、高声波时差、低密度、高中子孔隙度和低自然伽马等特征。声波时差曲线能够反映声波在井壁附近地层传播速度，根据声波在不同地层的传播速度可以识别不同的地层岩性，进行地层对比，从而能够分析判断高压流砂的位置，用来确定岩层孔隙度。中子伽马测井主要是为了测量地层的含氢量，测量方法是用同位素中子源照射地层，接收辐射核反应产生的伽马射线并测量其强度。中子伽马射线强度值越小，则地层含氢量越大，从而地层中浅水流含量越大；反之中子伽马射线强度值越大，则地层含氢量越小，地层中浅水流含量越低。

(a)工作面倾向长度180 m

由图9可知，随着工作面倾向长度的增加(180、200、220 m)，导水断裂带高度也逐渐增加(38、38、42 m)，但增加的幅度不大，适当地控制工作面倾向长度对降低导水断裂带高度具有一定的意义。

3.3 不同煤层倾角对导水断裂带高度的影响

将采高设置为4m，当工作面倾向角度分别为0°、3.5°、7.0°时，模型开挖结束后，提取导水断裂带最大发育高度时的竖直位移分布云图，如图10 所示。

(a)煤层倾角0°

由图10可知，当煤层倾角为0°时，采空区左右两侧竖直位移云图基本相同，但随着煤层倾角的增大，失稳岩块向下山方向堆积，竖直位移云图呈现不对称现象；随着煤层倾角的增大(0°、3.5°、7.0°)，导水断裂带高度也持续增大(38、42、42 m)，但增加的幅度不大。对于煤层倾角较大的区域(尤其是上山方向)，应对涌水量进行重点监测并采取适当的防治水技术措施。

根据数值模拟结果，绘制不同采高、工作面倾向长度、煤层倾角对导水断裂带最大高度的影响曲线，如图11所示。

(a)不同采高

由图11可知，导水断裂带最大高度(Hmax)与采高(M)、工作面倾向长度(L)、煤层倾角(α)回归曲线的斜率分别为21、0.1、0.571，说明煤层采高、工作面倾向长度、煤层倾角与导水断裂带高度呈正相关关系，其中导水断裂带最大高度与采高回归曲线的斜率最大，说明采高对导水断裂带高度的影响最大。因此，在相同覆岩岩性、相同开采方法、相同顶板管理方法的条件下，采高为导水断裂带高度的主控因素。