煤层倾角对上覆岩层导水裂隙带的影响

庞杰文，李鹏伟，郝永江，谢建林，梁 磊

（太原科技大学 环境与安全学院，山西 太原 030024）

0 引 言

导水裂隙发育是矿井突水事故发生的一个重要原因，研究导水裂隙带的发育规律是矿井水害防治的一个重要课题[1-2]。目前，许多学者对影响导水裂隙带发育的因素进行了研究，取得了较为丰硕的成果[3-4]。许家林等[5]认为覆岩关键层的位置对导水裂隙带高度有影响，主关键层与开采煤层的距离存在一个临界值，大于临界值可按照“三下”规程中的计算公式预测导水裂隙带高度，小于临界值不可按照“三下”规程预测导水裂隙带高度；李洋[6]对煤层厚度与裂隙带高度进行了线性回归，得出了适用于潘谢矿区的导水裂隙带高度预测公式；王创业、薛瑞雄等[7]运用UDEC 数值模拟软件建立不同采高的二维地质模型，结合关键层分析了不同采高下导水裂隙带的发育规律；朱伟、滕永海、唐志新[8]通过地面施工勘探钻孔，采用水文观测、注水试验等综合手段，对采空区顶板岩层裂隙分布进行了探测研究，分析了不同开采工艺对导水裂隙带发育高度的影响；刘洋[9]研究了水帘洞矿综放开采条件下，工作面不同采宽与导水裂隙带发育高度之间的关系；杜时贵、翁新海[10]通过弹塑性岩石材料的非线性有限元模拟，利用应力重分布图对中、缓倾角煤层采空区覆岩“三带”高度进行了判别。

然而仅用应力重分布图对导水裂隙带进行分析，只能说明岩石的张拉破坏，而裂隙带的形成不仅与岩石的张拉破坏有关。为此，本文以四明山矿工程地质条件为背景，运用UDEC 数值模拟软件分别建立了0、15°、30°、60°煤层倾角条件下的煤层开挖模型，通过分析不同煤层倾角条件下上覆岩层的离层和塑性破坏情况，确定煤层倾角对上覆岩层导水裂隙带的影响规律。研究成果可为制定矿井水害防治对策提供重要理论依据。

1 工程地质条件

四明山煤矿首采煤层为9 号煤层，煤层厚1.40～1.78 m，平均厚1.6 m，埋深约为755 m。煤层层位较稳定，煤层结构简单，煤层走向为NE23°，倾向为NW60°。煤层倾角1°～15°。煤层顶底板岩性见表1。9 号煤层直接充水含水层为其顶板K5 灰岩含水层，煤层局部顶板裂隙发育，回采推进中，会出现顶板裂隙淋水。预测9号煤工作面正常涌水量30 m3/h，最大涌水量60 m3/h。随着工作面的推进，采空区上覆岩层垮落，形成裂隙，含水层的水将通过裂隙导入工作面。为此研究其上覆岩层导水裂隙带的分布特征十分有必要。同时，由于9 号煤的煤层倾角在1°～15°变化，煤层倾角的变化会对上覆岩层裂隙带的分布形态有所影响，因此，研究煤层倾角对上覆岩层导水裂隙带的分布特征可为9 号煤工作面的防治水工作提供依据。

表1 9 号煤顶底板岩性柱状Table 1 No.9 coal roof and floor lithologic column

2 模拟方案

选取0、15°、30°、60°倾斜角度分别代表近水平煤层、缓倾斜煤层、倾斜煤层和急倾斜煤层。通过分析4 种倾斜角度下上覆岩层导水裂隙带的分布特征，研究煤层倾角对上覆岩层导水裂隙带的影响。

根据四明山煤矿地质地层岩性特征，运用UDEC 软件建立数值模型，模型尺寸为400 m×800 m，划分岩层11 组。模型各岩层物理力学参数见表2，各岩层节理力学参数见表3。模型左右边界为固定边界，上部边界为自由边界，下部边界为固定边界。模型重力加速度设置为9.8 m/s2，初始应力条件设置水平应力和垂直应力，侧压系数为1.2。垂直应力梯度为2.5×105Pa/m，水平应力梯度为3×105Pa/m。同时，在9 号煤层上部布置12 条位移监测线，每条监测线布置40 个监测点，各监测点间隔10 m。第1 条监测线布置在煤层上方1 m位置处，然后每隔10 m 布置1 条监测线，共布置12 条位移监测线。模拟计算分为两步，第一步在初始应力条件下，模型运算至平衡状态，模拟岩层开挖前的状态；第二步，煤层开挖240 m，继续运算，运算至平衡状态。

表2 煤岩物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of coal rock

表3 煤岩节理力学参数Table 3 Mechanical parameters of coal rock joints

3 模拟结果分析

3.1 顶板离层分析

图1 为9 号煤上方1～121 m 各岩层的位移监测曲线。各上覆岩层垂向位移差值越大，代表上覆岩层沉降越不一致，离层现象越明显。通过对比1号监测线与12 号监测线的位移差值，即可划分出煤层顶板离层明显区域。

由图1 可以看出，当煤层倾角为0 时，由煤层向上采空区各岩层沉降量逐渐变小，采空区上覆岩层离层现象基本均匀一致，与采空区边界两端相比，采空区中心区域顶板离层现象更为明显；当煤层倾角为15°时，由煤层向上采空区各岩层沉降量逐渐变小，采空区顶板离层现象明显不对称，采空区中心区域靠近右侧边界区域即沿倾向较高的位置，其顶板离层明显的范围更大；当煤层倾角为30°时，1 号监测线位移呈现不规律波动，此不规律波动是煤层直接顶垮落引起的，在分析采空区顶板离层时不将其考虑在内，通过分析2～12 号监测线的位移变化可知，煤层倾角为30°时，由煤层向上采空区各岩层沉降量逐渐变小，顶板离层明显区域集中分布在靠近右侧边界，即沿倾向较高的位置；当煤层倾角为60°时，采空区煤层上覆岩层沉降位移不再是越接近煤层，岩层沉降量越大，而是越远离煤层，岩层沉降量越大，直到接近采空区右侧边界时，采空区煤层上覆岩层越接近煤层，岩层沉降量越大，这种现象的出现与岩层倾角有关，岩层倾角为60°时，由于自重应力的影响，右侧边界岩层垂向位移更为明显，离层现象更为明显。由此可知，煤层倾角使得采空区右侧边界（倾向高处）附近顶板离层现象更为明显。

图1 煤层顶板位移监测曲线Fig.1 Coal seam roof displacement monitoring curve

3.2 塑性破坏区分析

图2 为9 号煤开采后上覆岩层的塑性破坏区分布图。由图2 可知，煤层倾角分别为0、15°、30°、60°时，煤层开挖后其上覆岩层塑性破坏区域呈“马鞍状”，靠近采空区边界，其上覆岩层破坏区域扩展高度较高，中心区域塑性破坏区域扩展 高度较低。

图2 塑性破坏区分布图Fig.2 Distribution of plastic failure zone

当煤层倾角为0 时，采空区左右两侧边界附近塑性破坏区高度基本一致；当煤层倾角为15°、30°、60°时，采空区右侧边界附近塑性破坏区高度明显大于左侧边界。而导水裂隙带的高度往往是指煤层开挖后上覆岩层裂隙贯通的高度，因此分析采空区右侧边界附近塑性破坏区高度意义更大。煤层倾角为15°、30°、60°时，采空区右侧边界附近塑性破坏区高度分别为35.5、47.6、75.9 m。由此可知，煤层倾角使得上覆岩层塑性破坏区呈现非对称特征，而且煤层倾角越大，上覆岩层塑性破坏区扩展高度越高。

3.3 煤层倾角对上覆岩层导水裂隙带的影响分析

煤层开挖后，上覆岩层沉降、弯曲、破断，形成横向裂隙和纵向裂隙，横向裂隙主要是由于顶板的离层引起的，纵向裂隙是岩石破坏引起的，纵向裂隙和横向裂隙的贯通，决定着导水裂隙带的高度。通过对图1 进行分析可知，煤层倾角越大，上覆岩层顶板离层明显区域越偏向倾向高处（即右侧边界附近）。由此可以推断，煤层倾角越大，横向裂隙发育严重区域越靠近倾向高处（即右侧边界附近）。通过对图2 进行分析可知，煤层倾角越大，上覆岩层塑性破坏区扩展高度越高。而岩石的破坏是纵向裂隙发育的主要因素。横向裂隙和纵向裂隙带贯通决定了导水裂隙带的高度，因此可以得出，在倾斜岩层中，导水裂隙带最发育的区域靠近倾向高处，且煤层倾角越大，导水裂隙带最发育的区域越靠近采空区右侧边界倾向高处，导水裂隙带高度越大。

4 结 论

（1）煤层倾角越大，顶板离层现象最明显区域越靠近采空区右侧边界（倾向高处）。

（2）在倾斜岩层中，煤层开挖后其上覆岩层塑性破坏区呈现非对称特征，采空区右侧边界附近（倾向高处）塑性破坏区高度明显大于左侧边界。而且煤层倾角越大，上覆岩层塑性破坏区扩展高度越高。

（3）在倾斜岩层中，导水裂隙带最发育的区域靠近倾向高处，且煤层倾角越大，导水裂隙带最发育的区域越靠近采空区右侧边界倾向高处，导水裂隙带高度也越大。