袁喜東， 鄧念東， 王 克， 宋一民， 周 陽

(1.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，西安 710021； 2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054； 3.陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710068)

0 引言

榆神礦區(qū)是我國特大型煤炭資源產(chǎn)地之一，年產(chǎn)煤總量噸數(shù)過億[1]。該區(qū)煤炭資源豐富，煤層埋藏條件、開采條件及煤質(zhì)較好[2-3]。榆神礦區(qū)位于鄂爾多斯高原東南側(cè)，毛烏素沙漠與陜北黃土高原接壤地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，因此,水資源對維持該區(qū)生態(tài)環(huán)境和加快工農(nóng)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要[4-6]。然而，煤炭開采會對水資源造成一定影響,成為榆神礦區(qū)環(huán)境破壞的重要因素之一[7]。榆神礦區(qū)主采煤層上覆巖層中大多賦存著影響區(qū)域地表生態(tài)安全的關(guān)鍵含水層，大規(guī)模的地下煤炭開采會造成巖移破壞,影響區(qū)域關(guān)鍵含水層的穩(wěn)定性[8-10]。由于含水層覆蓋在含煤地層上部，煤炭開采時(shí),若導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入含水層，必然使含水層中的水漏入礦坑，含水層水位下降，導(dǎo)致地表植被死亡，加劇沙漠化發(fā)展，威脅區(qū)域生態(tài)環(huán)境[11-13]。考慮到近年來榆林地區(qū)煤炭開發(fā)與水資源保護(hù)的矛盾日益突出，為切實(shí)轉(zhuǎn)變陜西省煤炭發(fā)展方式，應(yīng)充分研究并掌握區(qū)域水環(huán)境情況，及早做好水資源保護(hù)工作[14-16]。因此，“保水采煤”的理念已成為陜北煤炭資源開發(fā)的指導(dǎo)思想和原則，科學(xué)準(zhǔn)確地預(yù)估開采主采煤層產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度及發(fā)育規(guī)律是實(shí)現(xiàn)“保水采煤”戰(zhàn)略思想的關(guān)鍵[17]。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，預(yù)測不同首采煤層與含(隔)水層組合類型的煤巖體中采煤巷道頂板圍巖的導(dǎo)水裂隙帶高度，通過不同首采煤層與含(隔)水層組合類型的煤巖體對應(yīng)的裂采比，確定區(qū)域?qū)严稁Ц叨?，并與其首采煤層上覆巖層厚度對比，進(jìn)行榆神礦區(qū)采煤失水危險(xiǎn)性分析，最后得出采煤失水危險(xiǎn)性分區(qū),這對實(shí)現(xiàn)該礦區(qū)煤炭資源安全開采、“保水采煤”及地面生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的理論與實(shí)際意義[18-21]。

1 首采煤層與含(隔)水層組合類型

以榆神礦區(qū)均勻分布的500多個(gè)鉆孔資料為依據(jù)，以 “區(qū)內(nèi)相似，區(qū)際相異”及 “保水采煤”為原則，進(jìn)行首采煤層及其上覆巖層組合類型分區(qū)。將煤層與含(隔)水層空間組合煤巖體劃分為砂土基型(I)、砂基型(II)、基巖型(III)、土基型(IV)和燒變巖型(V)5種類型(圖1)。

圖1 首采煤層與含(隔)水層空間組合類型分布

砂土基型(I)： 首采煤層之上由砂層、土層及基巖組成,主要分布在礦區(qū)中部。I類組合中，地下水主要賦存于砂層含水層中，砂層含水層賦存于黏土隔水層之上，對保護(hù)砂層含水層最為有利。

砂基型(II)： 首采煤層上覆巖層由砂層和基巖組成，主要分布在礦區(qū)西南部，富水性強(qiáng)的松散含水層直接覆蓋在煤系巖層之上。II類組合煤巖體中，砂層含水層直接賦存于基巖之上，砂層含水層是否會遭到破壞，取決于煤層開采產(chǎn)生的冒落帶和裂隙帶是否發(fā)育至含水層。

基巖型(III)： 出露于地表基巖區(qū)，含水甚微，無保水意義，屬于無水采煤區(qū)，主要分布在礦區(qū)南部及榆溪河支谷中，基巖型在礦區(qū)分布較少。

土基型(IV)： 首采煤層上覆巖層由土層和基巖構(gòu)成，主要分布在礦區(qū)北部考考烏素溝以北、烏蘭木倫河以西、大保當(dāng)?shù)貐^(qū)禿尾河沿岸及礦區(qū)南部。土基型在全區(qū)均有分布，IV類組合不含水或含水甚微，基本無保水意義。

燒變巖型(V)： 燒變巖區(qū)主要分布在礦區(qū)東南部禿尾河西側(cè)，由2-2煤層與3-1煤層自燃形成，分布面積占全區(qū)的2.52%。燒變巖區(qū)主要接受薩拉烏蘇組含水層的補(bǔ)給，是重點(diǎn)保水的區(qū)域之一，預(yù)留防水煤柱是保水開采的主要方式。

2 首采煤層上覆巖層開采裂隙高度數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

以榆神礦區(qū)首采煤層及其上覆巖層為地質(zhì)原型，根據(jù)開采參數(shù)和上覆巖層特征建立三維數(shù)值模型。本次模擬共有5種模型，均沿煤層走向開采，各個(gè)模型X方向(煤層走向)長1 000 m，X方向模型兩端各留寬200 m的煤柱；Y方向長350 m，Y方向模型兩端各留寬50 m煤柱；Z方向各個(gè)模型高度不同，工作面長度為600 m，寬度為250 m，工作面推進(jìn)600 m。根據(jù)煤層開采上覆巖層特征，當(dāng)工作面推進(jìn)距離和工作面長度相當(dāng)時(shí)，裂隙帶發(fā)展高度最大，故本研究在工作面推進(jìn)600 m時(shí)，分析上覆巖層的運(yùn)動規(guī)律。模型一以鉆孔JT4為原型，Z方向長297 m，采厚5.5 m，根據(jù)礦區(qū)煤層上覆松散含水層與隔水層及上覆基巖的空間分布及其形態(tài)組合特征進(jìn)行分類，將JT4鉆孔煤層與含(隔)水層的空間組合類型劃分為砂土基型； 模型二以鉆孔B2為原型，Z方向長319 m，采厚4.5 m，屬于土基型； 模型三以鉆孔Y4為原型，Z方向長309 m，采厚5.2 m，屬于砂基型； 模型四以鉆孔GT2為原型，Z方向長265 m，采厚4.3 m，屬于基巖型； 模型五以鉆孔Y1為原型，Z方向長306.5 m，采厚3.5 m，屬于砂土基型。以模型一為例，展示三維地質(zhì)模型(圖2)和數(shù)值計(jì)算模型走向剖面(圖3)。

圖2 模型一的三維地質(zhì)模型

圖3 模型一的數(shù)值計(jì)算模型走向剖面圖

2.2 邊界條件

在模型前、后和左、右邊界，采用零位移邊界條件[12]，具體處理如下:

(1)模型左、右邊界(X方向)為單約束邊界，即u=0，v≠0，w≠0(u為X方向位移，v為Y方向位移，w為Z方向位移)。

(2)下部邊界取u=v= 0，為全約束邊界。

2.3 本構(gòu)模型的選擇

選擇本構(gòu)模型是數(shù)值模擬的關(guān)鍵，所選擇的本構(gòu)模型應(yīng)與工程材料力學(xué)特性具有較高的契合度，這樣才能得到合理的模擬結(jié)果。另考慮榆神礦區(qū)煤巖體力學(xué)特性，本次FLAC3D數(shù)值模擬采用摩爾-庫倫塑性模型。

2.4 模擬巖層參數(shù)

參照礦區(qū)地質(zhì)條件，采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則判斷巖體破壞程度。該準(zhǔn)則假定破壞面是平面，且不考慮材料的塑性流動(剪脹)。上覆巖層及煤層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 上覆巖層及煤層物理力學(xué)參數(shù)[22]

2.5 模擬過程

模擬開采方案采用走向長壁式采煤方法，采用全部垮落法管理頂板。首先運(yùn)行模擬至穩(wěn)定狀態(tài)再開采煤層，推進(jìn)方向是每次開挖步長10 m，計(jì)算循環(huán)至巖層穩(wěn)定，將結(jié)果保存，再開挖下一步繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)，依次向下進(jìn)行，直到工作面推進(jìn)至600 m，計(jì)算過程結(jié)束。

2.6 模擬結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)以塑性區(qū)法分析導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育情況。塑性區(qū)法是將塑性變形區(qū)中的拉伸破壞和拉伸裂隙區(qū)作為判斷裂隙帶和冒落帶發(fā)育高度的依據(jù)，塑性區(qū)發(fā)育的最大高度值與裂隙帶高度的最大值是相當(dāng)?shù)?。通過FLAC3D軟件繪圖功能提取各開挖上覆巖層塑性區(qū)分布情況。

模型一砂土基型首采煤層開采過程中塑性區(qū)的形成與分布如圖4所示。

(a) 工作面推進(jìn)40 m

(b) 工作面推進(jìn)300 m

(c) 工作面推進(jìn)500 m

(d) 工作面推進(jìn)600 m

當(dāng)工作面推進(jìn)至40 m時(shí)，模型一采空區(qū)上方開始出現(xiàn)塑性區(qū)，僅煤層直接頂出現(xiàn)拉張破壞，破壞的巖層高度為17.6 m，隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，采空區(qū)兩端塑性區(qū)向上延伸，橫向延展； 當(dāng)工作面推進(jìn)至300 m時(shí)，以剪切破壞為主，破壞高度達(dá)115.1 m； 當(dāng)工作面推進(jìn)至500 m時(shí)，基巖上覆紅土層受到破壞，破壞高度達(dá)146.3 m，且采空區(qū)兩端塑性區(qū)發(fā)育高度不再發(fā)生變化； 當(dāng)工作面推進(jìn)至600 m時(shí)，破壞高度依然是146.3 m。

綜上所述，當(dāng)模擬開采至600 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到最大值146.3 m，是采厚5.5 m的26.6倍。其余4類模型分析過程同模型一，具體模擬結(jié)果見表2。

表2 各個(gè)模型模擬結(jié)果

2.7 鉆孔探測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比

鉆孔探測法是目前實(shí)測導(dǎo)水裂隙帶高度的常用方法，采用鉆孔簡易水文地質(zhì)觀測和注水試驗(yàn)探測導(dǎo)水裂隙臨界面的最高部位，從而確定導(dǎo)水裂隙帶的高度。當(dāng)鉆孔施工進(jìn)入導(dǎo)水裂隙帶時(shí)，孔內(nèi)水流必然會向采空區(qū)泄流，因此，根據(jù)鉆孔內(nèi)沖洗液漏失情況，可以判斷導(dǎo)水裂隙帶高度的最高位置。

根據(jù)鉆孔沖洗液消耗量觀測資料，發(fā)現(xiàn)金雞灘井田JT4號鉆孔(三帶孔)高度探測成果具有以下特征(圖5)。

(1)土層段孔沖洗液消耗量較穩(wěn)定，一般為0.107～0.256 L/s，平均為0.174 L/s； 風(fēng)化巖段鉆孔沖洗液消耗量略有增大，最大為0.35 L/s，平均為0.228 L/s。

(2)鉆探進(jìn)入正常巖層之后，沖洗液消耗量一般為0.129～0.363 L/s，平均為0.193 L/s； 孔深為139.80 m時(shí)，沖洗液消耗量突變增大至0.626 L/s，鉆孔水位也隨之大幅下隆。

(3)在145.20～152.16 m鉆進(jìn)時(shí)，沖洗液消耗量基本維持在0.386～0.840 L/s之間，平均為0.592 L/s，鉆孔水位呈緩慢下降趨勢。

(4)鉆探至153.80 m時(shí)，沖洗液完全漏失，循環(huán)終止，不返水，上鉆后鉆孔水位繼續(xù)呈緩慢下降趨勢，直至孔深176.31 m時(shí)，孔內(nèi)無水位。

圖5 金雞灘井田JT4號鉆孔(三帶孔)綜合成果圖(部分層段)

根據(jù)以上沖洗液消耗量及水位變化特征，判定JT4號鉆孔導(dǎo)水裂隙帶高度為139.80 m。利用鉆孔探測法測出金雞灘JT4號鉆孔(三帶孔)導(dǎo)水裂隙帶高度為139.80 m，約為采高5.5 m的25.4倍，即裂采比約為25.4。由表3可知，現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模擬計(jì)算得出的導(dǎo)水裂隙帶高度接近，說明利用數(shù)值模擬方法模擬榆神礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度是可靠的。

表3 現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模擬結(jié)果對比

3 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測與采煤失水危險(xiǎn)性分區(qū)

3.1 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測

根據(jù)礦區(qū)5種類型煤層與含(隔)水層空間組合煤巖體煤層開采數(shù)值模擬得出的裂采比，計(jì)算整個(gè)礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度，并據(jù)此繪制礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度空間分布圖(圖6)。

圖6 榆神礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度空間分布

礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度主要在40～160 m內(nèi)，部分地區(qū)導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通基巖。榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)煤層較厚，大部分導(dǎo)水裂隙帶高度>120 m，區(qū)內(nèi)由北向南，導(dǎo)水裂隙帶高度逐漸增大； 二期規(guī)劃區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度為40～160 m，東部及南部的局部導(dǎo)水裂隙帶高度>200 m； 三期規(guī)劃區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度為40～160 m，東南部導(dǎo)水裂隙帶高度最大； 四期規(guī)劃區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度為40～160 m，西南部導(dǎo)水裂隙帶高度最大。

3.2 采煤失水危險(xiǎn)性分區(qū)

將礦區(qū)預(yù)測出的導(dǎo)水裂隙帶高度與對應(yīng)的首采煤層上覆巖層厚度進(jìn)行對比，得出榆神礦區(qū)采煤失水危險(xiǎn)性。若預(yù)測的導(dǎo)水裂隙帶高度小于首采煤層上覆巖層厚度，導(dǎo)水裂隙帶未突破首采煤層上覆巖層，則該區(qū)域?qū)儆诎踩珔^(qū)； 若預(yù)測的導(dǎo)水裂隙帶高度大于首采煤層上覆巖層厚度，導(dǎo)水裂隙帶突破首采煤層上覆巖層，則該區(qū)域?qū)儆谖ｋU(xiǎn)區(qū)。

礦區(qū)采煤失水危險(xiǎn)性分為安全區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)2類(圖7)，區(qū)域Ⅰ屬于安全區(qū)，即預(yù)測的導(dǎo)水裂隙帶高度小于首采煤層上覆巖層厚度，導(dǎo)水裂隙帶未突破首采煤層上覆巖層； 區(qū)域Ⅱ?qū)儆谖ｋU(xiǎn)區(qū)，即預(yù)測的導(dǎo)水裂隙帶高度大于首采煤層上覆巖層厚度，導(dǎo)水裂隙帶突破首采煤層上覆巖巖。礦區(qū)采煤失水危險(xiǎn)區(qū)主要分布于礦區(qū)東南部和東北部，其他區(qū)域?qū)儆诎踩珔^(qū)。為了防止采煤造成水缺失，在區(qū)域Ⅱ采煤時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低采厚，才能達(dá)到“保水采煤”的效果。

圖7 榆神礦區(qū)礦井采煤失水危險(xiǎn)性分區(qū)

4 結(jié)論

(1)不同首采煤層與含(隔)水層的空間組合類型，其煤巖體煤層開采中數(shù)值模擬出的裂采比相差較大。導(dǎo)水裂隙帶高度隨工作面推進(jìn)距離的增大而增加，當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到一定程度后，導(dǎo)水裂隙帶高度不再發(fā)生變化。

(2)榆神礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度主要分布在40～160 m內(nèi)，部分地區(qū)導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通基巖。一期規(guī)劃區(qū)煤層較厚，大部分導(dǎo)水裂隙帶高度>120 m，由北向南，導(dǎo)水裂隙帶高度逐漸變大； 二期規(guī)劃區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度為40～160 m，東部及南部局部導(dǎo)水裂隙帶高度>200 m； 三期規(guī)劃區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度為40～160 m，東南部導(dǎo)水裂隙帶高度最大； 四期規(guī)劃區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度為40～160 m，西南部導(dǎo)水裂隙帶高度最大。

(3)榆神礦區(qū)采煤失水危險(xiǎn)性分為安全區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)2類，危險(xiǎn)區(qū)主要分布于礦區(qū)南部和東部，其他區(qū)域?qū)儆诎踩珔^(qū)。在危險(xiǎn)區(qū)采煤時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低采厚，才能達(dá)到“保水采煤”的效果。

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