某煤层开采导水裂隙带发育高度数值模拟研究

杨 荣，高 春，刘 超

(陕西腾晖矿业有限公司,陕西 榆林 719000)

0 引言

随着地下煤炭资源的采出,地下形成采空区,采空区上方覆岩因下部采空而失去平衡,从而形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带,统称“三带”。其中垮落带和裂隙带合称冒裂带,又称为导水裂隙带。若采动覆岩中的隔水层受到破坏,将致使其上含水层在水位和流向上产生改变,从而造成井下突水或淹井灾害事故,甚至导致地下水疏干,井泉干涸。

针对上述问题,范立民[1]对榆神矿区水资源保护性开采进行研究,并提出保水开采的科学观点,综合理论分析和相似模拟实验等方法,构建了我国保水开采基本框架,深度揭示了保水采煤的目标和科学内涵[2-10]。保水采煤科学内涵的提出,为生态脆弱矿区水体下科学高效采煤提供了理论依据和指导,对矿区资源开采和生态环境可持续发展战略实施具有较大的实践意义[11-13]。同时国外学者针对煤岩开采扰动条件下覆岩含水层变化特征问题进行了一系列研究,总结了煤炭开采对当地水资源的影响[14-15]。综上所述,以上探测研究工作都是基于煤层上部有足够厚度的稳定基岩条件下进行的,对于煤层覆岩结构类型为砂(层)土(层)基(岩)的类型中,基岩厚度小而土层厚度较大,且土层上部覆盖有较厚含水层或地表水系较发育的地质条件下,保水采煤研究工作开展较少。

本文以榆神矿区某煤矿为研究对象,针对砂(层)土(层)基(岩)煤层覆岩结构的关键隔水层变形破坏特征进行研究,对矿井安全生产和保水采煤有着至关重要的决定性意义。

1 研究区概况

该煤矿井田面积11.24 km2,探明资源储量1.583 7亿t,设计可采储量9 477万t,矿井采用斜井开拓方式。井田内3号煤全区可采,层位稳定,结构简单,平均厚度6 m。采煤工作面采用走向长壁综采放顶煤采煤法,全部垮落法管理顶板。

2 矿井地质及水文地质概况

2.1 矿井地质

该煤矿井田地表全部被新生界松散沉积物覆盖,主要有第四系全新统风积沙、冲洪积层,上更新统萨拉乌苏组,中更新统离石组,新近系上新统静乐组等。钻孔揭露的地层还有:侏罗系中统直罗组、延安组,下统富县组,基岩地层之间为整合接触关系。地质构造简单,未发现较大断裂、褶皱及岩浆活动痕迹,局部发育宽缓的波状起伏。总构造形态为一向西缓倾的单斜层,倾角小于1°。

2.2 水文地质概况

该煤矿上覆有河流,除降水期外,该河流大部分时间水流量较小。该煤层上覆存在全新统冲洪积层孔隙潜水、第四系上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水、第四系中更新统黄土孔隙裂隙潜水、侏罗系碎屑岩风化岩基岩裂隙承压水和碎屑岩类裂隙承压水。根据导水裂隙带发育高度预计结果,直罗组风化岩含水层为矿井的直接充水水源。

3 导水裂隙带发育高度研究

3.1 理论研究

综合分析各经验公式的试用条件,唐山院计算公式相对来说用以计算双山煤矿综放开采的导水裂隙带高度较为合理,预测公式为:

Hli=20M+10(中硬岩层)。

经计算,双山煤矿未来区域开采导水裂隙带发育平均高度130 m。

3.2 数值模拟研究

3.2.1 模型建立和计算参数的选取

采用FLAC3D数值模拟软件对该煤矿综采机械化开采围岩运移特征进行研究。由于本煤层倾角较小,为近水平煤层,计算模型设为水平模型,选取工作面的走向方向(煤壁方向)为X轴,工作面的倾向方向为Y轴,沿煤壁竖直向上方向为Z轴方向。X轴方向切眼距模型右侧边界100 m,停采线距模型左侧边界100 m;Y轴方向工作面采宽左(前侧)、右(后侧)两边各设置100 m边界,以消除边界效应影响。模拟模型开挖480 m,根据该煤矿某工作面概化模型,共铺设11层地层,如表1所示。

表1 模型采用岩石力学参数

根据计算力学模型建立该煤矿某工作面三维数值计算模型,计算模型整体尺寸为:长×宽×高=680 m×440 m×214.57 m,工作面推进方向沿x轴反方向。

采用理想弹塑性本构模型——摩尔-库仑屈服准则描述岩体强度特征:

其中,σ1,σ3分别为最大和最小主应力;c,φ分别为黏结力和摩擦角。模型采用大应变变形模式,模型底部限制垂直移动,模型前后和侧面限制水平移动。

3.2.2 模型边界条件及计算方案

整个数值模拟计算过程及边界条件如图1所示。

1)模型的左右边界和底部边界设置了单约束边界,即左右边界和底部边界的位移为0。

2)推进工作面,按回采工艺和相似材料分析结果,计算模拟工作面总回采距离480 m,工作面每次推进24 m,直到推进到480 m。

3.2.3 采动影响下塑性区变化特征

该煤矿数值模拟煤层上覆地层受采动影响引起扰动破坏及导水裂隙带发育高度,以开采煤层顶板岩体受开采扰动引起的塑性区破坏为判识准则。

图2为该煤矿307工作面当开采高度为9.57 m时,在不同开挖长度下,工作面走向中心位置覆岩塑性区发育演化云图,即以工作面走向(Y=220 m)为中心的走向剖面图,从右到左为工作面走向推进方向,如图2所示随着工作面的推进,煤层顶板覆岩破坏多次突变:随着地下开采工作面的推移,处于自然状态下的覆岩岩体受到开采扰动后破坏,采空区顶板覆岩层应力重新分布后岩层顶板发生冒落和断裂,形成冒落带和导水裂缝带。

当工作面推进48 m时(见图3),在Y=220 m(工作面推进方向的中心剖面-走向中心断面)的剖面上,工作面直接顶板在采空区范围内以剪切破坏为主,此时煤层顶板上方冒落区破坏带形成对称的“马鞍状”,导水裂缝带最大发育高度超过32 m。

当工作面推进至96 m时(见图4),工作面顶板全部垮落,在采空区内岩体破坏形式以剪切破坏为主,仅工作面煤层顶板中间区域存在拉张破坏。覆岩内部竖向裂缝(塑性区域)较上一阶段明显向上发育,上覆岩层的塑性区发育尺寸和速率明显更大,发育高度增加,近切眼处导水裂缝带最高。采空区两侧煤壁上方剪切破坏强度持续增强,导水裂缝带仍处于持续扩张阶段,采空区上覆岩体破坏形式继续保持“马鞍状”。

当工作面推进至144 m时(见图5),采空区上方覆岩层破坏范围进一步扩大,仍以剪切破坏为主,上覆岩体破坏形式继续保持“马鞍状”,但近切眼煤柱上方的塑性区域的垂向发育速度明显降低,工作面回采方向上覆岩层塑性区域垂向发育速度明显增加,并且形成对称“马鞍状”破坏形态。此时采空区上覆破坏岩体(塑性发育区域)出现了明显的周期性破坏形态,导水裂缝带最大高度达到距离煤层顶板86.5 m处,工作面处于充分采动。

当工作面推进至336 m时(见图6),采动覆岩破坏区域(塑性区)破坏强度明显增加,煤层顶板中部上覆岩层塑性区域向地表方向发育,破坏区域高度较之前有缓速增加。表明顶板覆岩破坏基本充分,此时导水裂缝带发育最大为煤层顶板超过136.5 m,位于红土层顶界附近。此处约为充分采动和超充分采动的临界区,此时随工作面继续开采,采空区上覆岩体破坏形式以横向(沿工作面推进方向)发育为主,导水裂隙带发育高度达到最大,约136.5 m,突破了上覆岩层红土层。

4 结论

1)随着工作面持续推进,开采空间两侧的裂隙发育高度不断增大,336 m处约为充分采动和超充分采动的临界区,此时随工作面继续开采,采空区上覆岩体破坏,形式呈“马鞍状”。

2)对煤层顶板覆岩移动来说,当工作面推进至48 m,地表开始出现变形;当工作面推进至336 m,工作面上覆岩层破坏范围和程度达到最大值,地表下沉盆地位于靠近采煤工作面切眼一侧,地表下沉盆地中心最大下沉点下沉位移为2.39 m,下沉系数约为0.25。

3)工作面推进到70 m～170 m之间,覆岩裂隙发育最快,随后裂隙缓慢向上发展,贯穿基岩发育至土层底部后不再向上发展,逐渐趋于稳定,覆岩破坏区整体呈拱箱型,裂隙最大发育高度约为96.5 m。

4)通过与理论计算的结果对比分析发现,数值模拟结果与理论计算基本一致,最终确定该煤矿导水裂隙带发育高度为136.5 m,导水裂隙带顶界发育在新近系上新统静乐组土层顶界附近。