徐 起,朱 偉,滕永海 ，唐志新

(1.山東高速信聯(lián)支付有限公司，山東 濟(jì)南 250000;2.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司唐山分公司，河北 唐山 063012)

1 問題的提出

潞安礦區(qū)位于山西省東南部長治地區(qū)，礦區(qū)面積約1 182.5 km2，年生產(chǎn)能力約5 000萬t。礦區(qū)內(nèi)地勢較平坦，河流縱橫，地面水體有漳河、絳河、漳澤水庫、常隆水庫等，壓煤量達(dá)1.81億t。開采煤層主要為下二迭系山西組3#煤層，煤層厚度6 m左右,煤層傾角3～10°，一般采用綜采放頂煤一次采全厚開采工藝，全部陷落法管理頂板。

綜采放頂煤一次性采全高，開采強(qiáng)度大，造成覆巖破壞嚴(yán)重，導(dǎo)水裂縫帶非常發(fā)育，地表沉陷變形異常劇烈，地表裂縫破壞顯著，對地面建(構(gòu))筑物、水體及環(huán)境的影響非常嚴(yán)重。

關(guān)于綜采放頂煤條件下水體下采煤與環(huán)境保護(hù)技術(shù)的研究，國外研究較少，國內(nèi)如兗州、淮南、鐵法等礦區(qū)開展了一些研究工作，但這些礦區(qū)的地質(zhì)采礦條件與潞安礦區(qū)截然不同。潞安礦區(qū)覆巖比較堅(jiān)硬，開采深度較小，地表松散層為濕陷性黃土層。在這種條件下，國內(nèi)外還沒有成功的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒[1-3]。

2 地表沉陷規(guī)律研究

隨著綜采放頂煤技術(shù)的廣泛應(yīng)用，潞安礦區(qū)先后在五陽、王莊、司馬、常村、高河、郭莊、夏店等煤礦建立了專門的地表巖移觀測站，針對不同地質(zhì)采礦條件下的巖移規(guī)律進(jìn)行了長期的觀測與研究，取得了大量寶貴的觀測成果[4-6]。

實(shí)測資料表明，綜采放頂煤條件下地表的移動變形值非常大。如司馬煤礦1101工作面，地表最大下沉值達(dá)5 714 mm，最大傾斜值達(dá)77.5 mm/m，最大水平移動值達(dá)1 589 mm，最大正曲率達(dá)1.23×10-3/m，最大負(fù)曲率達(dá)1.74×10-3/m，最大水平拉伸變形值達(dá)28.8 mm/m，最大水平壓縮變形值達(dá)36.1 mm/m，地表下沉盆地非常陡峭，地表裂縫比較發(fā)育。

根據(jù)實(shí)測資料，分別求取了潞安礦區(qū)各觀測站的地表下沉系數(shù)，水平移動系數(shù)和概率積分預(yù)計(jì)方法特定參數(shù)。在綜采放頂煤條件下，潞安礦區(qū)平均地表下沉系數(shù)為0.83，水平移動系數(shù)為0.28，主要影響角正切為2.67，拐點(diǎn)偏移距為0.11，開采影響傳播角系數(shù)為0.6。與一般開采方法相比，綜采放頂煤條件下地表下沉系數(shù)、主要影響角正切明顯偏大。

3 覆巖破壞規(guī)律研究

3.1 覆巖破壞實(shí)測研究

潞安礦區(qū)結(jié)合地表水體下采煤，分別在五陽煤礦、王莊煤礦、郭莊煤礦、高河煤礦開展了綜采放頂煤條件下覆巖破壞規(guī)律與導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律的觀測研究[7-10]。表1列出了潞安礦區(qū)分層綜采初分層和放頂煤開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度實(shí)測資料，開采煤層均為二迭系下統(tǒng)山西組3#厚煤層。

表1 潞安礦區(qū)部分井田導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測資料

綜合分析潞安礦區(qū)覆巖破壞實(shí)測資料發(fā)現(xiàn)，分層綜采初分層裂高采厚比和綜放一次采全高裂高采厚比具有統(tǒng)一性，本區(qū)域地層條件下裂高采厚比集中在19.1～23.4，反映了本礦區(qū)綜放開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律。圖1繪出了潞安礦區(qū)在開采3#厚煤層不同開采工藝條件下導(dǎo)水裂縫帶高度和煤層采厚關(guān)系圖。

不難看出，厚煤層綜采放頂煤條件下導(dǎo)水裂縫帶具有如下發(fā)育規(guī)律：

(1)綜采放頂煤條件下導(dǎo)水裂縫帶的高度最為發(fā)育，要比普采條件下、分層綜采條件下大得多[11-12]。

圖1 同一煤層不同開采工藝導(dǎo)水裂縫帶高度與煤層采厚關(guān)系

普采、分層綜采、綜采放頂煤條件下的導(dǎo)水裂縫帶最大高度分別為49.6 m、83.9 m 、114.67 m。在相同的條件下，綜采放頂煤導(dǎo)水裂縫帶最大高度是分層綜采條件下的1.37倍，是普采條件下的2.31倍。

(2)綜放一次采全高導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度基本與煤層一次采放厚度成正比，與分層開采初次采動條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律是相似的。綜放一次采全高裂采比為19.1～20.2，分層綜采初分層裂采比為20.3～23.4，分層普采首分層裂采比為21.6，三者具有較好的統(tǒng)一性。

(3)綜采放頂煤條件下，導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育形態(tài)仍呈馬鞍形。在回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷的內(nèi)側(cè)，往往是垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶最為發(fā)育的地方。

3.2 數(shù)值模擬分析研究

運(yùn)用巖層破斷過程分析系統(tǒng)RFPA來進(jìn)行數(shù)值模擬。其基本思想是：(1)通過考慮細(xì)觀單元力學(xué)參數(shù)(彈性模量、強(qiáng)度)的非均質(zhì)性，模擬巖石宏觀變形、破壞的非線性行為；(2)通過考慮材料破壞后單元的參數(shù)弱化(剛度退化)，模擬材料的非連續(xù)和不可逆行為。其優(yōu)點(diǎn)可以直觀模擬巖層隨工作面推進(jìn)垮落破斷全過程。

為了簡化模型，建模時(shí)將厚度較薄性質(zhì)相近的巖層組合在一起，巖層之間預(yù)設(shè)層理，系統(tǒng)設(shè)定基元為均質(zhì)、各向同性線彈脆性體，每一巖層為非均質(zhì)的，其力學(xué)參數(shù)(彈性模量、抗壓強(qiáng)度)服從韋伯分布。潞安礦區(qū)綜采放頂煤一次采全高工作面上覆巖層運(yùn)動破壞規(guī)律的模擬如圖2所示。

由數(shù)值模擬結(jié)果可見，覆巖導(dǎo)水裂縫帶是隨著工作面從切眼向前推進(jìn)不斷向上位巖層發(fā)展，隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，裂縫帶高度發(fā)育到某一巖層層位，便趨于穩(wěn)定，其關(guān)系如圖3所示。當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)時(shí)，上位頂板呈現(xiàn)出周期運(yùn)動的特征。直接頂和老頂?shù)钠茢鄼C(jī)理均為采動產(chǎn)生拉應(yīng)力作用下的拉破壞形式。

經(jīng)過對潞安礦區(qū)3#厚煤層綜放一次采全高頂板覆巖破壞動態(tài)發(fā)育過程模擬得出，綜放一次采全高6 m條件下頂板導(dǎo)水裂縫帶最終發(fā)育高度約為120 m。

3.3 綜放開采導(dǎo)水裂縫帶最大高度

圖4為潞安礦區(qū)厚煤層分層綜采初分層以及綜放開采條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度現(xiàn)場實(shí)測與煤層開采厚度的零散點(diǎn)分布關(guān)系圖。

綜合潞安礦區(qū)覆巖破壞實(shí)測資料，同時(shí)參考理論分析與數(shù)值模擬研究成果，采用回歸方法，求取了潞安礦區(qū)綜采放頂煤條件下導(dǎo)水裂縫帶最大高度計(jì)算公式，見式1。

圖2 綜放覆巖破壞動態(tài)發(fā)育過程模擬

圖3 綜放導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度與工作面推進(jìn)距離關(guān)系

圖4 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度與煤層開采厚度關(guān)系

Hli=20M+10

(1)

式中,M為煤層有效采厚，m。

上述基于現(xiàn)場實(shí)測的厚煤層綜放開采導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式已在潞安礦區(qū)高河煤礦、王莊煤礦、五陽煤礦、郭莊煤礦等十多個(gè)地表水體下采煤工程實(shí)踐中得到驗(yàn)證和應(yīng)用，保障了工作面地表水體下安全生產(chǎn)。

4 水體下采煤工程實(shí)踐

近10年來，先后在潞安礦區(qū)五陽煤礦、王莊煤礦、高河煤礦、郭莊煤礦等開展了地表水體下厚煤層綜放開采技術(shù)研究及工程實(shí)踐，部分采動后河床如圖5、圖6所示。其中，五陽煤礦在濁漳河西源下開采了7802、7806、7808、7800、7522等工作面，開采煤層厚度5.5～6.80 m，煤層傾角6～8°，最小開采深度245 m，部分區(qū)域河床基巖裸露；王莊煤礦在絳河及漳澤水庫下開采了8110、7105等工作面；高河煤礦在濁漳河南源下開采了E1302、E1305、E1303等工作面；郭莊煤礦在絳河下開采了2309、3305等工作面。各工作面均實(shí)現(xiàn)了安全開采，地面水資源和生態(tài)環(huán)境得到了有效保護(hù)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

圖5 五陽煤礦濁漳河西源水體下采煤

圖6 郭莊煤礦絳河水體下采煤

5 結(jié) 論

(1)系統(tǒng)研究了濕陷性黃土層綜采放頂煤條件下地表沉陷規(guī)律，求取了各巖移參數(shù)。厚煤層綜采放頂煤條件下地表移動劇烈，地表下沉盆地陡峭，移動變形集中，地表下沉系數(shù)偏大，主要影響角正切偏大，地表裂縫比較發(fā)育。

(2)深入研究了厚煤層綜采放頂煤條件下覆巖破壞規(guī)律與導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測資料，結(jié)合理論分析，求取了厚煤層中至堅(jiān)硬覆巖綜采放頂煤條件下導(dǎo)水裂縫帶最大高度的計(jì)算公式。

(3)系統(tǒng)開展了水體下綜采放頂煤開采技術(shù)研究，并在潞安礦區(qū)五陽煤礦、王莊煤礦、高河煤礦、郭莊煤礦等進(jìn)行了大面積的水體下采煤工程實(shí)踐，有效保護(hù)了礦區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。