准东大井矿区巨厚煤层开采覆岩裂隙分布特征

曾 强，李根生，赵龙辉，高 坡

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.新疆大学干旱生态环境研究所，新疆 乌鲁木齐 830046；3.绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046)

新疆准东矿区东西长约200 km，面积达15 334 km2，矿区煤炭资源丰富，煤层厚达90 m，属尚处于开发初期的千亿吨级整装煤田。该矿区煤层赋存平缓，厚度大，开采强度及面积大，煤炭开采对区域覆岩含水层地下水分布、运移具有重要影响。同时，该区域地表-地下水水力联系密切，覆岩地下水运移、分布改变影响着地表潜水的分布，进而影响矿区植被分布，并对矿区邻近绿洲生态环境产生深远影响[1-3]。覆岩裂隙演化与分布规律是该矿区煤炭开采地下水影响研究的核心内容。对于采场覆岩应力分布特征，钱鸣高等[4]将采场覆岩应力按工作面走向方向依次划分为稳压区-增压区-极限平衡区-减压区-稳压区；REZAEI M等[5]基于应力能量平衡建立了长壁采煤分析模型，研究了采煤引起的应力重分布特征；王文学等[6]研究分析了采空区覆岩中裂隙岩体应力恢复的时空特征；谢和平等[7]揭示了不同开采条件覆岩运动行为和应力集中系数。对于采场覆岩裂隙演化，范立民等[8]研究了浅埋煤层高强度开采区地裂缝发育特征；来兴平等[9-10]运用相似模拟试验方法，分析了三软煤岩地质条件下覆岩裂隙发育特征；黄庆享[11-12]研究了浅埋煤层隔水岩组裂隙发育规律；姚邦华等[13]采用数值模拟方法分析了重复采动下覆岩裂隙发育规律；李树刚等[14]采用物理相似模拟实验及理论分析，研究了单层开采和重复采动条件下裂隙分布与演化规律；ZHANG R等[15]研究了不同开采方式覆岩裂隙空间分布特征；WANG W X等[16]研究了采动覆岩应力扰动对裂隙岩体渗透性的影响；对于地下煤层开采而言，不同开采方式(单层采高)覆岩应力集中系数及应力场分布不同，从而对覆岩扰动程度不同，进而对采场覆岩裂隙分布产生不同影响，最终对采场覆岩渗流场时空分布产生不同影响。

本文针对准东巨厚煤层典型赋存特征，研究不同开采方式覆岩裂隙时空分布特征，以期为准东巨厚煤层开采覆岩含水层水体渗流特征、地下水位响应特征研究提供一定基础。

1 研究区概况

准东矿区位于准噶尔盆地东部、克拉麦里山南麓，气候干旱，生态环境脆弱，大井矿区位于其中北部。矿井主采B1煤层平均厚56 m，地层倾角较缓，仅1～3°，属于构造简单地区。煤层顶板多为细砂岩、泥岩、粗砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，底板多为炭质泥岩、含碳泥岩及细砂岩，矿井煤岩典型柱状见图1。

图1 典型钻孔柱状图

2 覆岩裂隙演化特征与关键层识别

2.1 覆岩裂隙演化特征

煤层开采自采空区中部到采场前方矿压显现规律：减压区、极限平衡区、弹性区、增压区、稳压区。采场覆岩移动划分为“横三区、纵三带”，即煤壁支撑区、离层区、重新压实区，垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。根据采场矿压和覆岩移动特征[4]，采场覆岩裂隙演化特征见图2。

由图2可知，在采场覆岩应力的控制下，工作面前方覆岩随工作面推进由稳压区依次演化为弹性区、弹塑性过渡区、塑性区、破坏区、离层区、闭合区。采场应力分布控制各区域内覆岩裂隙演化：稳压区内裂隙主要受原岩应力控制，裂隙主要为原岩裂隙；弹性区内随应力集中系数不断增加，原岩裂隙逐渐闭合，岩石体积不断减小；弹塑性过渡区内岩层开始产生新的微裂隙，岩石体积不断增加；塑性区内覆岩应力快速增加且逐渐达到岩层极限强度，导致岩层新生裂隙迅速发育，岩层体积及变形速度快速增加；破坏区内应力集中系数达到岩层极限强度，岩层破断，产生纵向破断裂隙，岩石体积迅速增加，此时空隙率达最大；离层区内由于覆岩老顶极限强度大于下部岩层极限强度，且覆岩老顶垮距与下部岩层垮距相差较大，造成老顶下部离层裂隙的不断发育；闭合区内随采场继续推进，当应力达到老顶极限垮距时，老顶开始破断，随工作面推进不断向上发育至各关键层。

图2 采场覆岩裂隙演化特征

2.2 覆岩关键层识别

根据钻孔柱状及岩石物理力学参数，对覆岩关键层(硬岩)进行判别[4]。上覆岩层物理力学性质情况见表1。

2.2.1 硬岩的识别

第i层岩层对第1层的载荷，计算公式见式(1)。

(1)

式中：qi为第i层所受载荷，kPa；Ei为第i层弹性模量，MPa；γi为第i层体积力，MN/m3；hi为第i层层厚，m。

若(qi)1≥(qi+1)1,即第i层为硬岩，经计算得出覆岩中共含4层硬岩，结果见表2。

表1 上覆岩层物理力学性质

2.2.2 极限破断距计算

美国国立卫生研究院项目管理程序透明，全流程管理内容集中成文，及时更新《美国国立卫生研究院资助政策声明》。美国国立卫生研究院管理信息是公开的，例如战略规划、顾问委员会会议纪要、绩效报告、项目立项及进展情况等均在网络公布，部分会议向公众开放。而美国国立卫生研究院各研究所不仅公布有关项目管理人员名单、联系方式，而且在指南意向性建议、公布指南、申请、管理等阶段均可直接沟通联系。但是有些信息仅为公开，例如科学评审小组专家名单在网站公开，并重点备注说明申请人及其单位在评审前后均不得联系专家，一旦发现将以违反科研诚信处理。

根据上文判定结果及研究区煤岩赋存特征，采用固支梁弯矩计算法对覆岩极限破断距逐层计算，计算公式见式(2)。

(2)

式中：Li为第i层的极限破断距，m；hi为第i层层厚，m；qi为第i层所受载荷，kPa；Ri为第i层抗拉强度，MPa。计算结果见表2。

2.2.3 判断关键层

对硬岩破断距进行比较，其计算公式见式(3)。

Li≤Li+1

(3)

破断距最大，则为主关键层。各关键层计算结果见表2。

表2 关键层及破断距

3 数值模拟

3.1 覆岩力学模型

根据钻孔柱状图、各关键层位置、破断距和煤岩层物理力学参数(表3)，构建数值模型(图3)。模型包含地表至B1煤层底板，走向长度为1 000 m，高630 m，B1煤层埋深587 m，厚度56 m，左右两侧各留200 m边界保护煤柱。采用摩尔-库伦强度准则，固定左右和底部边界，上部为自由边界，侧向方向施加1.89e7 Pa的初始压应力。沿煤层走向自左向右依次开挖，分别模拟大采高分层分层(采7 m×8层)开采和放顶煤分层分层(采14 m×4层)开采，开挖步距10 m，走向推进600 m。

3.2 结果分析

为研究巨厚煤层大采高分层开采覆岩裂隙演化规律，对大采高首分层开采裂隙演化和后续分层开采覆岩裂隙分布开展了模拟和研究，得出了采动覆岩裂隙分布规律，见图4和图5。

表3 煤岩层物理力学参数

图3 覆岩力学模型

由图4可知，覆岩裂隙随工作面的推进自开切眼不断向前发育，裂隙分布范围也不断扩大，裂隙主要沿岩层破断线分布，切眼侧覆岩裂隙发育高度及宽度均大于工作面侧覆岩发育高度及宽度，采空区中部覆岩裂隙随工作面的推进逐渐闭合，覆岩裂隙呈现周期演化。开挖50 m时覆岩裂隙上部已发育至老顶，切眼侧裂隙宽度最大；开挖120 m时覆岩裂隙已发育至各亚关键层，此时老顶已完全破断；开挖240 m时覆岩裂隙已发育至主关键层，此时主关键层下方离层裂隙范围达最大，覆岩裂隙沿岩层破断角呈“八”字形分布，采空区中部覆岩裂隙已闭合，各亚关键层已破断；开挖280 m时由于覆岩主关键层快速下沉，其下方的离层裂隙已闭合，切眼侧覆岩裂隙仅出现高度减小，工作面覆岩裂隙出现周期演化，采空区覆岩裂隙闭合区范围不断增大，此时主关键层上覆岩层快速下沉；开挖550 m时由于主关键层结构破坏，使得覆岩裂隙分布范围有所降低，工作面侧覆岩裂隙尤其是沿岩层破断角附近的裂隙大量闭合，切眼侧覆岩裂隙发育高度进一步降低，主关键层下方离层裂隙主要分布于工作面侧覆岩中，覆岩离层裂隙随着工作面的推进不断向前发育且呈现周期性演化，采空区中部覆岩裂隙闭合范围进一步扩大。

由图5可知，覆岩裂隙发育高度、隙宽及范围随分层开采数目的增加而不断增加，覆岩裂隙主要分布在采空区两侧，且切眼侧覆岩裂隙发育宽度大于停采线侧，覆岩裂隙发育宽度及范围自煤层至地表不断减小，主关键层控制覆岩裂隙发育高度，采空区中部覆岩裂隙已闭合。采完第二分层时覆岩裂隙最大发育高度约200 m，主关键层附近裂隙主要为离层裂隙且停采线侧覆岩离层裂隙发育宽度大于切眼侧，切眼侧覆岩裂隙贯通性较停采线侧好；采完第四分层时覆岩裂隙发育高度仍至主关键层，覆岩裂隙发育宽度及发育范围增加，裂隙沿破断线不断向外侧扩展；采完第六分层由于主关键层结构破断，导致覆岩裂隙发育高度增加，关键层上部裂隙沿岩层破断角呈“八”字形分布，纵向裂隙快速发育，离层裂隙趋于闭合；采完第八分层覆岩裂隙发育高度快速增加且裂隙已发育至地表附近，主关键层离层裂隙已完全闭合，主关键层之上裂隙沿岩层破断角呈内外双“八”字形分布，外侧裂隙发育高度大于内侧裂隙发育高度，内侧裂隙贯通性优于外侧裂隙贯通性，两条“八”字形裂隙是采场与覆岩含水层导水的关键通道。

3.2.2 放顶煤分层开采覆岩裂隙分布

为研究巨厚煤层放顶煤分层开采覆岩裂隙演化规律，对放顶煤首分层开采裂隙演化和后续分层开采覆岩裂隙分布开展了模拟和研究，得出了采动覆岩裂隙分布规律，见图6和图7。

由图6可知，覆岩裂隙随工作面的推进自开切眼不断向前及向上发育，裂隙分布范围不断扩大，裂隙主要沿岩层破断线分布，切眼侧覆岩裂隙发育高度及宽度均大于工作面侧覆岩发育高度及宽度，采空区中部覆岩裂隙随工作面的继续推进逐渐闭合，覆岩裂隙呈现周期演化。开挖50 m时覆岩裂隙已发育至老顶，切眼侧裂隙高度及宽度最大；开挖120 m时覆岩裂隙已发育至各亚关键层，此时老顶已完全破断；开挖280 m时覆岩裂隙已发育至主关键层，此时主关键层下方离层裂隙宽度及长度达最大，裂隙与主关键层已贯通，采空区中部裂隙开始闭合，各亚关键层已破断；开挖360 m时由于覆岩主关键层快速下沉，其下方的离层裂隙已闭合，由于覆岩主关键层的存在覆岩裂隙垂向发育速度减慢，工作面侧覆岩裂隙出现三条贯通裂隙且呈现周期演化，采空区中部裂隙已闭合，覆岩裂隙沿岩层破断角呈现“八”字形分布；开挖550 m时工作面侧覆岩裂隙尤其是沿岩层破断角附近的裂隙大量闭合及贯通裂隙高度减小，且工作面侧覆岩裂隙分布范围减小，切眼侧覆岩裂隙始终贯通，工作面煤壁区域裂隙发育宽度达最大，主关键层下方离层裂隙主要分布于工作面侧覆岩中，离层裂隙随着工作面的推进不断向前发育且呈现周期性演化，采空区中部裂隙闭合范围进一步扩大。

图5 大采高分层开采覆岩裂隙分布

图6 放顶煤首分层开采覆岩裂隙分布

图7 放顶煤分层开采覆岩裂隙分布

由图7可知,覆岩裂隙发育高度、隙宽及范围随分层开采数目的增加而不断增加，覆岩裂隙主要分布在采空区两侧，切眼侧与停采线侧覆岩裂隙发育宽度与高度基本一致，覆岩裂隙发育宽度及范围自煤层至地表不断减小，主关键层为裂隙发育程度高低的分界线，采空区中部覆岩裂隙已闭合。采完第一分层时覆岩裂隙最大发育高度约200 m，主关键层附近裂隙主要为离层裂隙且停采线侧覆岩离层裂隙发育宽度大于切眼侧，切眼侧覆岩裂隙贯通性较停采线侧好；采完第二分层时覆岩裂隙发育高度仍至主关键层，覆岩裂隙发育宽度及发育范围增加，覆岩裂隙沿破断线不断向外侧扩展；采完第三分层由于覆岩主关键层结构破断，导致覆岩裂隙发育高度增加，纵向裂隙快速发育，离层裂隙趋于闭合；采完第四分层覆岩裂隙发育高度快速增加且裂隙已发育至地表附近，关键层上部裂隙沿岩层破断角呈“八”字形分布，主关键层之上覆岩裂隙贯通性较差，停采线侧覆岩裂隙贯通性优于切眼侧覆岩裂隙贯通性。采空区两侧覆岩“八”字形裂隙是否发育至覆岩含水层是采场涌水量的关键。

由大采高及放顶煤开采覆岩裂隙分布模拟结果比较可得：巨厚煤层首分层开采裂隙集中分布于主关键层之下，且放顶煤开采覆岩裂隙连续性及裂隙发育范围大于大采高开采；巨厚煤层首分层采用放顶煤开采主关键层下方离层闭合晚于大采高开采；巨厚煤层采用大采高分层开采覆岩裂隙发育高度大于放顶煤开采，且采用大采高分层开采覆岩裂隙连续性大于放顶煤开采。

4 结 论

1) 在采场应力的控制下，工作面前方覆岩随工作面不断推进由稳压区依次演化为弹性区、弹塑性过渡区、塑性区、破坏区、离层区、闭合区，各阶段覆岩裂隙由原岩裂隙区依次演化为原岩裂隙闭合区、微裂隙发育区、裂隙快速发育区、破断裂隙发育区、离层裂隙发育区、裂隙逐渐闭合区。

2) 覆岩主关键层是覆岩裂隙发育程度高低的分界线，其控制覆岩裂隙发育高度；覆岩裂隙随工作面的推进裂隙发育高度、隙宽及范围不断增加，且裂隙沿岩层破断线分布，随工作面的继续推进裂隙呈现周期演化。

3) 巨厚煤层开采覆岩裂隙主要分布在采空区两侧，且呈现“八”字形分布，其是覆岩含水层向采场渗流的关键通道。

4) 从保水采煤的角度出发，放顶煤分层开采对覆岩含水层扰动较大采高分层开采小。