隆德煤矿3-1煤覆岩垮落及孔隙率演化规律研究

白成杰

（神木县隆德矿业有限责任公司，陕西省 榆林市 719300）

0 引言

近年来，煤炭资源的开发力度不断增大，煤炭资源开发环境和煤层赋存条件也逐渐多样化、复杂化，复合水体下采煤是近年来煤矿开采过程面临的一项新的技术难题，一般是指煤层顶板以上存在着多种类型的水体，包括地表水体、含水层水、老采空区水等多种赋存形式[1-4]，且水体对下伏煤层的开采存在着安全威胁。复合水体下采煤作业面临着多种水害问题，需要针对不同的隐患水体进行专门的技术研究、制定必要的防治措施。上述问题的存在使得复合水体下采煤作业相比传统水下采煤具有安全风险增加、开发难度大、作业环境恶劣，开展复合水体下安全开采技术研究意义重大，研究成果不仅有助于上述问题的解决，指导矿井安全生产，还能丰富矿井防治水工作经验，提高矿井生产效益[4-7]。

1 矿井基本概况

隆德煤矿位于陕西省榆林市神木县西南部，行政区划隶属于榆林市神木县大保当镇管辖，是华电煤业集团有限公司控股的改扩建煤矿。地理坐标在北纬38°43′57″～38°49′42″，东经109°58′08″～110°04′24″之间，平均走向长度2.3～9.3 km，平均倾斜宽度4.0～8.6 km，井田面积44.51 km2。

隆德煤矿东部与黑龙沟煤矿相邻，南部与大保当井田相邻，西部与小保当井田和锦东煤矿相邻，北部为大保当普查区。井田范围与周边矿权设置关系见图1。

图1 井田范围及与周边矿权关系示意图

本区地处陕西“米”字型公路网内，榆神二级公路（S204省道）和西包铁路（神延段）并行沿井田东南边界外约4～5 km处通过，建设中的包西铁路二线沿煤矿以东约2 km处通过，在建中的210国道陕（西）（内）蒙段高速公路从井田西部外围南北经过，交通干线架基本形成。

2 3-1煤层覆岩破坏高度计算

2.1 覆岩破坏规律概述

煤层开采后，煤层及其围岩结构发生破坏，顶板岩层自下而上出现垮落带、裂缝带和弯曲下沉带。垮落带是指工作面回柱或移架后引起的煤层直接顶板向采空区垮落的岩层范围，该区的岩层以梁或板结构的脆性断裂为主，岩块之间的空隙多，连通性强，水、砂均可以通过。

垮落带以上为裂缝带，一般发生垂直或近于垂直层面的裂隙和沿层面的离层裂隙，是贮水和导水的通道。因垮落带和裂缝带均具有导水性，因此又合称导水裂隙带。导水裂隙带范围内的含水层成为工作面的直接充水水源。弯曲下沉带指的是自裂缝带顶界到地表的整个岩层，弯曲下沉带内的岩层也可能产生裂缝，但是裂缝微小，数量少，裂缝间的连通性弱，导水能力微弱。

因此，导水裂隙带范围内的含水层是影响采煤工作面安全的主要水害威胁，导水裂隙带发育高度是评价上部水体是否成为影响工作面安全开采的重要参数，其发育范围和程度直接决定着水体下采煤可行性和安全性，因此搞清导水裂隙带的发育规律和形态成为解放水体下压煤和保证矿井安全生产所不可缺少的重要内容。大量的覆岩破坏高度实测数据表明，覆岩类型、采厚、开采工艺和工作面斜长是影响覆岩破坏高度的主要因素。目前，确定覆岩破坏高度的方法主要包括现场实测法、经验公式法、类比分析法和数值模拟法等。

2.2 3-1煤层开采覆岩破坏高度计算

由于隆德煤矿3-1煤层与2-2煤间距较小，研究区3-1煤层将在2-2煤回采完毕后开采，因此3-1煤层属近距离煤层叠加开采，3-1煤层开采的覆岩破坏高度计算需考虑两层煤叠加开采的情况。

按照《“三下”采煤规范》，如图2、图3所示，当2层煤采用叠加开采的方式，同时2层煤的最小垂距大于回采下层煤的垮落带高度时，上、下2层煤的导水裂隙带的最大高度可通过上、下层煤的厚度分别进行计算，其中标高的最大高度为上、下2层煤导水裂隙带的最大高度；当下层煤的垮落带完全进入上层煤范围或者接触到上层煤时，不同于上种情况，此时上层煤的导水裂隙带最大高度通过本层煤的厚度进行计算，而下层煤的导水裂隙带最大高度则应通过两层煤的综合开采厚度来计算，同样，取其中标高最高者作为上、下层煤的导水裂隙带最大高度。

图2 近距离煤层覆岩破坏高度示意图（h＞H垮下时）

图3 近距离煤层覆岩破坏高度示意图（h＜H垮下时）

由钻孔资料统计可知，研究区2-2煤厚为0～6.10 m，平均为3.75 m；3-1煤厚度分布均匀，平均煤厚为2.66 m，2层煤间距为29.61～41.92 m，平均为35.20 m，如图4、图5所示所示。根据《“三下”采煤规范》，当单层采厚1～3 m，累计采厚不大于15 m时，可应用规程给出的经验公式对覆岩破坏高度进行计算。坚硬类型覆岩的覆岩破坏高度计算可用下列经验公式计算：

垮落带：

导水裂隙带：

式中：Hm为垮落带最大高度，m；Hli为导水裂隙带最大高度，m；ΣM为累计采厚，m。

应用经验公式对研究区3-1煤单一煤层开采的覆岩破坏高度进行计算，3-1煤按照采高2.8 m计算。

根据观测结果，2-2煤层开采的覆岩破坏高度可按裂采比20、垮采比7进行计算。根据工作面开采情况分析，按照开采厚度4.1 m对研究区2-2煤的覆岩破坏高度进行计算。研究区1-1煤仅在井田西南部局部可采，可采范围内1-1煤厚为0.8～2.38 m，平均为1.72 m，与2-2煤间距为33.89～60.34 m，平均为51.65 m，1-1煤按照采高1.4 m计算。

图4 井田范围内2-2煤厚度等值线图

图5 井田范围内3-1煤厚度等值线图

研究区3-1煤单一煤层开采的垮落带高度为15.30 m，导水裂隙带高度为61.14 m，研究区2-2煤的垮落带高度为28.7 m，导水裂隙带高度为82 m，1-1煤的垮落带高度为9.89 m，导水裂隙带高度为46.94 m。2-2煤采动裂缝已穿过2-2煤层，但垮落带均小于2-2煤与1-1煤间距，并未进入2-2煤层。因此，根据《“三下”采煤规范》，在1-1煤开采地段，3-1煤开采的导水裂隙带最大高度可按1-1煤、2-2煤、3-1煤的厚度分别计算，取其中标高最高者作为3-1煤的导水裂隙带最大高度，据此，3-1煤层开采的覆岩破坏高度计算结果为61.14～149.11 m。

3 岩层垮落及孔隙率演化数值模拟研究

为了研究2-2工作面和3-1工作面回采后岩层垮落以及采空区孔隙率变化，采用PFC3D模拟了回采过程，对上覆岩层垮落以及采空区孔隙率演化规律进行了模拟并验证了上节计算的合理性和正确性。

3.1 PFC3D模型的建立

模型长120 m，宽60 m，高150 m，共计16层，所用模型通过半径扩展法建立生成，颗粒半径在平衡的过程中不断扩展，相互挤压，直至孔隙率为0.05，达到目标孔隙率，完成模型建立过程。在模型中，颗粒平均粒径为1.1，达到合理尺寸。自由边界为模型上部边界，前、后、左、右四侧边界固定不动，颗粒只沿垂直方向移动，该移动通过底部边界限制。

根据PFC3D软件的特点，模型测量圆长120 m，宽60 m，高100 m，粒径均为2.5。测量圆将会通过监测颗粒的移动对模型进行监测分析，从而监测工作面回采时覆岩变形情况以及孔隙率的变化规律。

模拟的3-1煤层为2.77 m、2-2煤层为4.69 m，模拟将采用分步开挖方式，首先对2-2工作面开采进行模拟，模拟2-2工作面回采时上覆岩层变形及孔隙率的变化规律，每次回采距离为50 m，并稳定1 500 000步。模拟完2-2工作面回采后，保留10 m两侧煤柱，以相同的模拟方式对3-1工作面回采继续进行模拟，最终模拟完毕后，稳定3 000 000步，对覆岩变形及孔隙率的变化规律进行监测分析。

3.2 回采期间覆岩垮落演化规律

图6是2-2工作面和3-1工作面分阶段开采模拟结果图。如图，垮落第一步后，2-2工作面已经开采的煤层上覆岩层已经开始垮落，2-2煤层下面的岩层基本不变；垮落第二步后，2-2工作面煤层的上覆岩层全部垮落，并保持稳定；垮落第三步后，3-1工作面煤层上覆岩层开始垮落；垮落第四步后，3-1工作面煤层的上覆岩层已经全部垮落并保持稳定。为了更直观地看出两煤层的上覆岩层垮落高度，分别从正面截取模拟图，如图7所示。

从工作面分阶段开采模拟垮落结果正面图可以看出，垮落第一步结束后，2-2工作面煤层上覆岩层的垮落高度约为74.98 m；垮落第二步结束后，2-2工作面煤层上覆岩层的垮落高度约为85.7 m；垮落第三步结束后，2-2工作面煤层上覆岩层的垮落高度基本没变，约85.7 m，3-1工作面煤层上覆岩层的垮落高度约为32.36 m；垮落第四步结束后，3-1工作面煤层上覆岩层的垮落高度维持开采前半段上覆岩层的垮落高度，约为35.67 m。

图6 工作面分阶段开采模拟结果图

图7 工作面分阶段开采模拟垮落结果正面图

根据模拟结果可以看出，模拟的垮落结果与上节煤层覆岩垮落带高度的结果相差不大，验证了覆岩破坏高度计算的正确性。

3.3 回采期间孔隙率演化规律

根据回采工作面后采空区情形，可以将采空区视作一个多孔介质空间，并对该多孔介质空间的相关参数进行分析和确定，最终在此基础上建立相应的方程组对其进行模拟和分析。因此模拟回采工作面也将利用测量圆对掘进过程中模型孔隙率的变化情况进行动态追踪，选取测量圆中第9、13、16、20列测量圆所测量得到的数据，并对其进行孔隙率空间重构，在不同的时间节点对整个模型进行孔隙率变化的动态监测，最后对所得数据进行分析处理，从而总结得到孔隙率变化规律，孔隙率结果如图8所示。

图8 工作面分阶段开采模拟孔隙率结果图

选取回采第一次、第二次、第三次以及第四次四个回采阶段，测量圆测得的孔隙率数据进行分析，工作面进行回采时，煤层覆岩将随工作面推进的距离而不断进行垮落与堆积，因此孔隙率将发生变化，通过图中第一步垮落可以得到，由于前半部分已经开采，孔隙率由0.1变为0.56，上覆岩层的孔隙率变为0.28，2-2工作面未开采部分的孔隙率保持不变；通过第二步垮落可以得到，由于2-2工作面全部采完，上覆岩层孔隙率整体变为0.28，煤层处，前半部分由于垮落堆积的影响，孔隙率变为0.2，新开采煤层处的孔隙率为0.56；通过第三步垮落可以得到，由于3-1煤层厚度不大，开采后两工作面之间的孔隙率变化不大，由0.1变为0.12；通过第四步垮落可以得到，当3-1工作面整体采完后，两工作面间的孔隙率由0.1变为0.44。

4 结论

1）3-1 煤层与2-2煤间距小，3-1煤层属近距离煤层叠加开采问题。3-1煤层覆岩破坏高度为2-2煤与3-1煤间距、2-2煤厚与2-2煤导水裂隙带高度三者之和。3-1煤开采的垮落带高度为13.02～15.82 m，导水裂隙带高度为57.57～135.91 m。

2）3-1 煤层开采的覆岩破坏高度计算结果为61.14～149.11 m，并根据模拟结果可以看出，模拟的垮落结果与煤层覆岩垮落带高度的结果相差不大，验证了覆岩破坏高度计算的正确性。

3）根据回采期间孔隙率规律模拟可以看出，煤层覆岩孔隙率随着工作面推进的距离而不断进行垮落与堆积发生变化。