穆鵬飛

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 西安研究院有限公司， 西安 710054； 2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710177)

0 引 言

堡子煤礦位于沁水煤田南部，礦井太原組9號(hào)煤層開采，將面臨的頂?shù)装宀煌渌吹乃ν{，而地下含水層水進(jìn)入礦井的主要導(dǎo)水通道為煤層開采后形成的頂?shù)装宀蓜?dòng)裂隙，目前針對(duì)煤層開采頂?shù)装鍘r體破裂規(guī)律研究的主要方法有采煤工作面實(shí)測(cè)法、數(shù)值模擬法、經(jīng)驗(yàn)公式法等[1]。筆者研究采用FLAC3D數(shù)值模擬和沖洗液消耗量、鉆孔窺視、壓水試驗(yàn)等多種工作面實(shí)測(cè)方法，分析采煤工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶和底板破壞帶的發(fā)育規(guī)律及高度[2-4]，結(jié)合礦井采煤工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)條件和聯(lián)合放水試驗(yàn)結(jié)果，提出煤層開采礦井主要的充水水害類型，以及安全開采防治水措施，為地質(zhì)條件相似礦井提供防治水安全技術(shù)借鑒。

1 地質(zhì)概況

礦井太原組9號(hào)煤層平均厚度為3.4 m，埋藏深度200～400 m，底板標(biāo)高+740～+950 m，煤層直接頂板為(K2)石灰?guī)r，底板為泥巖。礦井采煤方法為一次采全高綜采采煤，頂板管理方式為全部垮落法管理。

9號(hào)煤層頂板上覆主要含水層為太原組薄層K2灰?guī)r含水層和山西組2號(hào)煤層采空區(qū)積水，底板下伏主要含水層為奧陶系峰峰組灰?guī)r含水層，根據(jù)水文觀測(cè)，井田奧灰水位標(biāo)高在+922～+967 m，奧陶系灰?guī)r地層雖位于9號(hào)煤層之下，但是奧灰含水層水位標(biāo)高高于9號(hào)煤層底板標(biāo)高，因此，9號(hào)煤層全區(qū)屬于奧灰水承壓開采煤層[5]，煤層底板最大承受奧灰水壓2.27 MPa。

2 頂?shù)装迤茐囊?guī)律數(shù)值模擬

隨著采煤工作面逐步推進(jìn)，開采空間不斷增大，處于自然狀態(tài)下的覆巖巖體受到開采擾動(dòng)后破壞，采空區(qū)頂?shù)装鍛?yīng)力重新分布，巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，并發(fā)生垮落和斷裂，工作面頂板以上形成垮落帶和裂隙帶，而工作面底板形成破壞帶，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行采煤工作面頂?shù)装鍘r體受采動(dòng)破壞的數(shù)值模擬，建立的三維數(shù)值模型，主要采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞，模擬采煤工作面分步依次開采達(dá)到平衡后的塑性破壞區(qū)發(fā)育規(guī)律[6]。

2.1 數(shù)值模型的建立

建立9號(hào)煤層采煤工作面三維數(shù)值模型，對(duì)巖石物理性質(zhì)相近或較薄地層進(jìn)行有效復(fù)合，合并為單一性質(zhì)巖層。各地層巖體力學(xué)參數(shù)參考巖石物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果共分成29層，見表1[7]，其中，ρ為煤巖層密度，c為黏聚力，θ為摩擦角，σ為抗拉強(qiáng)度，μ為泊松比。

表1 煤巖層力學(xué)參數(shù)

2.2 初始條件和邊界條件

確定數(shù)值模型的初始條件和邊界條件是數(shù)值模擬的一個(gè)關(guān)鍵。首先需要確定模型的范圍，結(jié)合9號(hào)煤層102工作面實(shí)際地質(zhì)情況，建立的計(jì)算模型走向長(zhǎng)度270 m，傾向長(zhǎng)度150 m，高度114 m，煤層厚度3.4 m，地質(zhì)模型如圖1所示。在模型中，x軸、y軸和z軸的下底界面設(shè)置為位移邊界，頂界面設(shè)置為應(yīng)力邊界，其中頂面受上覆巖層地應(yīng)力，按各地層至地表的巖體自重施加垂直方向上的荷載。

圖1 地質(zhì)模型Fig. 1 Geological model

2.3 應(yīng)力平衡與模擬開挖

在模擬中各單元賦予的參數(shù)，需要進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)、單元的應(yīng)力平衡，在地質(zhì)模型平衡后，進(jìn)行開挖，設(shè)置開挖距離為270 m，從煤層開切眼處推采，每次開挖10 m，共計(jì)開挖27步，使采空區(qū)覆巖可達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)，模擬102工作面開采后煤層頂?shù)装宓乃苄云茐膮^(qū)變化規(guī)律情況，其中原巖應(yīng)力為靜應(yīng)力場(chǎng)，巖層為連續(xù)介質(zhì)，模擬過(guò)程中不考慮塑性流動(dòng)[8-9]。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.4.1 頂?shù)装迤茐?/p>

9號(hào)煤層102工作面在不同開挖長(zhǎng)度下頂?shù)装迦S塑性區(qū)破壞變形演化規(guī)律見圖2，模型中x方向代表工作面走向長(zhǎng)度，即工作面推進(jìn)方向；y方向代表工作面傾斜長(zhǎng)度，即工作面寬度；z方向代表模型高度，即工作面頂?shù)装甯矌r厚度[10]。模擬過(guò)程的推采進(jìn)度以采煤工作面周期來(lái)壓步距設(shè)置。

當(dāng)工作面推進(jìn)距離L=30 m時(shí)，如圖2a，工作面直接頂?shù)装逶诓煽諈^(qū)內(nèi)主要以拉破壞為主，采空區(qū)兩側(cè)煤壁頂?shù)装逡约羟衅茐臑橹鳎瑢?dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度h為13.66 m，垮落帶高度為3.84 m，垮落帶破壞覆巖層位為K2石灰?guī)r；工作面底板受拉變形破壞，破壞層位為泥巖層，底板破壞帶深度h1為6.00 m，采空區(qū)兩側(cè)煤壁底板發(fā)生剪破壞[11]。

當(dāng)工作面推采至60 m時(shí)，如圖2b所示，工作面直接頂板隨推采持續(xù)垮落，與推進(jìn)30 m時(shí)的情況相比，采空區(qū)兩側(cè)煤壁上方剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槔羝茐?，?dǎo)水裂隙帶高度增高至37.38 m，垮落帶高度達(dá)到10.20 m，破壞形態(tài)初顯“馬鞍狀”；底板隨推采發(fā)生拉破壞，破壞深度增大到7.60 m，采空區(qū)底板形成了中心拉破壞、兩側(cè)剪破壞形式，破壞形態(tài)初顯“倒馬鞍狀”。

圖2 工作面頂?shù)装迤茐淖冃畏植家?guī)律Fig. 2 Failure and deformation distribution of stope roof and floor of working face

當(dāng)工作面推采至90 m時(shí)，如圖2c所示，工作面采空區(qū)上方覆巖破壞范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，不同范圍破壞形式變化不大，采空區(qū)直接頂板出現(xiàn)拉破壞和剪切破壞的復(fù)合破壞形式，采空區(qū)覆巖較高的地層內(nèi)拉破壞繼續(xù)延伸擴(kuò)大，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度逐步增至58.25 m，垮落帶高度增至13.30 m，工作面采空區(qū)頂板出現(xiàn)靠近兩側(cè)巷道區(qū)域破壞裂隙高于采空區(qū)中部，破壞形態(tài)形似“馬鞍狀”[12]；而工作面采空區(qū)底板隨著裂隙向下延伸，破壞深度逐步延伸至中粒砂巖層位，破壞深度增至8.89 m，采空區(qū)底板出現(xiàn)靠近兩側(cè)巷道區(qū)域破壞深度大于采空區(qū)中部，破壞形態(tài)形似“倒馬鞍狀”。

當(dāng)工作面推采至120 m時(shí)，如圖2d所示，工作面采空區(qū)頂板拉破壞形成的垮落帶發(fā)育高度增至16.80 m后基本維持不變，導(dǎo)水裂隙帶高度增至61.40 m，延伸至泥巖層層位后基本穩(wěn)定，破壞裂隙在采空區(qū)中部低于采空區(qū)兩側(cè)，說(shuō)明導(dǎo)水裂隙帶最大高度主要發(fā)育在“馬鞍”兩端頂部，符合采空區(qū)頂板基巖層實(shí)際破壞發(fā)育規(guī)律；工作面采空區(qū)由于頂板的垮落，巖體基本上充填滿采空區(qū)，采空區(qū)底板壓力逐漸恢復(fù)，采動(dòng)破壞深度不再向深部延伸，保持在10.50 m的鋁土質(zhì)泥巖層層位。

當(dāng)工作面推采至190 m時(shí)，如圖2e所示，工作面采空區(qū)兩側(cè)靠近巷道區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大基本維持在61.40 m的泥巖層，底板破壞帶發(fā)育深度保持在10.50 m的鋁土質(zhì)泥巖層，采空區(qū)頂?shù)装迤茐男问讲辉侔l(fā)生明顯變化，有所不同的是，隨著工作面不斷推進(jìn)，在1～2個(gè)周期來(lái)壓后，采空區(qū)頂部導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度小于工作面推采初次來(lái)壓階段，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度在50.00 m上下的石灰?guī)r層，這主要是因?yàn)椴煽諈^(qū)覆巖層形成的壓力拱高度較小所致；底板破壞深度因頂板垮落壓實(shí)均無(wú)明顯變化，最大保持在10.50 m。

2.4.2 頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度

通過(guò)數(shù)值模擬過(guò)程中頂板塑性破壞區(qū)分布規(guī)律，工作面頂板垮落帶最大高度為16.80 m，導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育過(guò)程整體呈現(xiàn)出先遞增后穩(wěn)定的變化規(guī)律，與工作面推采距離呈線性關(guān)系，如圖3所示。

當(dāng)工作面推采距離由30 m增加到90 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度由13.66 m增加到58.25 m，該段為直線段變化，這與采空區(qū)頂板覆巖層尚未完全垮落充實(shí)有關(guān)；當(dāng)工作面推采距離由90 m增加到120 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度由58.25 m增至61.40 m，此時(shí)頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與覆巖層巖性有直接關(guān)系，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至泥巖層，高度基本穩(wěn)定在61.40 m，達(dá)到采高的18倍，破壞裂隙不再隨著工作面的推進(jìn)而發(fā)生明顯變化[13]。

圖3 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與推進(jìn)度關(guān)系曲線Fig. 3 Relation curve between development height and propulsive degree of water-conducting fracture zone

2.4.3 底板破壞帶發(fā)育深度

通過(guò)數(shù)值模擬過(guò)程中底板塑性破壞區(qū)分布規(guī)律，底板采動(dòng)破壞帶深度發(fā)育過(guò)程整體表現(xiàn)為先線性段遞增而后趨于平穩(wěn)，與工作面推采距離之間的關(guān)系如圖4所示，當(dāng)工作面推采距離小于120 m時(shí)，底板采動(dòng)破壞深度隨采面推進(jìn)呈線性關(guān)系；而當(dāng)工作面推采距離超過(guò)120 m時(shí)，底板采動(dòng)破壞深度不再隨采面推進(jìn)而變化，基本穩(wěn)定在10.50 m，此后繼續(xù)推進(jìn)基本保持在該層位[14]。

圖4 底板采動(dòng)破壞深度與推進(jìn)度關(guān)系曲線Fig. 4 Relation curve of mining failure depth and propulsion degree of bottom plate

3 頂?shù)装迤茐膶?shí)測(cè)結(jié)果

3.1 頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度測(cè)試

3.1.1 測(cè)試方法

3.1.2 測(cè)試結(jié)果

(1)沖洗液消耗量法測(cè)試結(jié)果

B1孔施工至9號(hào)煤層，孔深240.06 m，全鉆孔沖洗液漏失量較小，最小漏失量0.031 m3/h，最大漏失量0.424 m3/h，平均漏失量0.130 m3/h，屬于鉆進(jìn)過(guò)程中正常損耗，揭露地層完整，原生裂隙未見明顯發(fā)育。

B2孔在工作面推采過(guò)B1孔施工位置2個(gè)月后開始施工，施工位置沿工作面走向方向，偏移B1孔5 m左右，孔深224.00 m，全孔沖洗液漏失量變化分為3個(gè)階段。

第1階段：孔深0～49.69 m，鉆孔沖洗液漏失量相對(duì)較小，最大漏失量0.061 m3/h，與采前B1孔對(duì)比，鉆孔沖洗液漏失量未出現(xiàn)明顯變化，表明煤層開采對(duì)淺層基巖和黃土覆蓋層產(chǎn)生的擾動(dòng)影響較小。

第2階段：孔深49.69～175.71 m，鉆孔沖洗液漏失量有一定增大，但未出現(xiàn)大量消耗，表明此段巖層局部發(fā)育有微小裂隙，但連通性差。

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第3階段：孔深175.71～224.00 m，鉆孔沖洗液漏失量突然增大，直至鉆孔不返水，漏失量大于等于3.00 m3/h，與第二階段對(duì)比，漏失量已達(dá)到最大觀測(cè)值，如圖5所示。

圖5 鉆孔漏失量對(duì)比曲線Fig. 5 Contrast curve of drilling loss

(2)鉆孔窺視法測(cè)試結(jié)果

采前B1孔部分影像圖片如圖6所示。當(dāng)孔深64.16 m時(shí)，為完整基巖段，無(wú)節(jié)理裂隙發(fā)育，孔壁光滑完整，如圖6a所示；孔深147.18 m時(shí)，出現(xiàn)巖性變化，局部層理明顯，如圖6b所示；孔深178.08 m時(shí)，發(fā)育一條垂直裂隙，無(wú)明顯充填物，不含水，如圖6c所示。

圖6 B1鉆孔窺視影像Fig. 6 B1 Borehole peep image

采后B2孔不同孔深位置部分影像圖片如圖7所示。在孔深63.41 m時(shí)，為完整基巖段，孔壁較為光滑完整，如圖7a所示；孔深147.21 m時(shí)，出現(xiàn)巖性變化，發(fā)育一條垂直裂隙，孔壁較為光滑完整，如圖7b所示；孔深179.04 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)育多組垂直與斜交再生裂隙，孔壁局部破碎，如圖7c所示。

綜合鉆孔沖洗液消耗量法和孔中窺視法探測(cè)結(jié)果，9號(hào)煤層102工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度規(guī)律性明顯，裂采比為17.3～18.9，導(dǎo)水裂隙帶高度可達(dá)64.26 m，垮落帶最大為17.00 m。

圖7 B2鉆孔窺視影像Fig. 7 B2 Borehole peep image

3.2 底板破壞帶發(fā)育深度測(cè)試

3.2.1 測(cè)試方法

工作面底板采動(dòng)破壞帶發(fā)育深度測(cè)試方法，采用鉆孔孔內(nèi)雙栓塞分段式壓水試驗(yàn)法。對(duì)測(cè)試段進(jìn)行壓水試驗(yàn)，測(cè)定鉆孔各段的漏失流量，計(jì)算煤層底板巖體的破壞松動(dòng)情況及發(fā)育深度[15]。測(cè)試采用井下鉆探，先后于測(cè)試工作面施工2組孔，共6個(gè)底板探查孔，穿過(guò)工作面煤柱，終孔于102工作面內(nèi)側(cè)，垂向剖面如圖8所示，測(cè)試段控制在煤層底板以下5～15 m范圍。

圖8 測(cè)試鉆孔剖面布置Fig. 8 Test borehole profile layout

3.2.2 測(cè)試結(jié)果

Z1組測(cè)點(diǎn)，1孔測(cè)試段漏失量明顯變化層位，位于工作面底板下8.5～9.0 m，漏失量從0.1 L/min增加到8.9 L/min；2孔測(cè)試段漏失量明顯變化層位，位于工作面底板下9.0～9.5 m，漏失量最大為4.2 L/min；3孔測(cè)試段位于工作面底板下13.0～13.5 m，未出現(xiàn)漏失量明顯變化層位，如圖9所示。

Z2組測(cè)點(diǎn)，1孔測(cè)試段漏失量明顯變化層位，位于工作面底板下8.5～9.0 m，漏失量從0.1 L/min增加到8.2 L/min；2孔測(cè)試段漏失量明顯變化層位，位于工作面底板下9.0～9.5 m，漏失量最大為4.5 L/min；3孔測(cè)試段漏失量明顯變化層位，位于工作面底板下8.5～9.0 m，12.0～12.5 m，漏失量最大為3.0 L/min，如圖9所示。

圖9 孔內(nèi)壓水試驗(yàn)流量變化曲線 Fig. 9 Flow change curves of pressurized water test in hole

綜合Z1和Z2組測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果，漏失量變化主要在工作面推采過(guò)測(cè)點(diǎn)后的10 m范圍，底板破壞深度最大可達(dá)12.50 m，之后隨著工作面推采底板破壞帶發(fā)育深度處于穩(wěn)定，無(wú)明顯變化。

4 礦井水害類型分析及防治措施

4.1 水害類型

綜合采煤工作面頂板破壞規(guī)律數(shù)值模擬與多種實(shí)測(cè)方法結(jié)果對(duì)比，9號(hào)煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶最大高度64.26 m。煤層直接頂板為太原組K2灰?guī)r含水層，9號(hào)煤層頂板至2號(hào)煤層底板距離為52.78～72.02 m，平均距離為64.00 m，因此，9號(hào)煤層頂板主要水害類型為2號(hào)煤層采空區(qū)積水水害和太原組K2灰?guī)r水害。

9號(hào)煤層底板標(biāo)高+740～+950 m，奧灰水位標(biāo)高+922 m～+967 m，煤層開采最大承受奧灰水壓2.27 MPa，綜合采煤工作面底板破壞規(guī)律數(shù)值模擬與多種實(shí)測(cè)方法結(jié)果對(duì)比，9號(hào)煤層底板破壞帶最大發(fā)育深度12.50 m，而煤層底板至奧灰頂面距離為8.12～35.71 m，平均距離為19.12 m，煤層底板主要水害類型為奧陶系灰?guī)r水害。

4.2 水害防治措施

目前，多數(shù)礦區(qū)煤層頂板水害總體威脅較小，主要采取的是超前疏放措施。底板水害威脅較大，采取措施相對(duì)較多，比如疏水降壓、注漿加固或注漿改造等技術(shù)。針對(duì)疏水降壓措施，本研究進(jìn)行了多孔聯(lián)合放水試驗(yàn)，放水試驗(yàn)過(guò)程中B1、B3、B4觀測(cè)孔水位偶爾存在波動(dòng)，總體趨勢(shì)持續(xù)下降，如圖10所示。

圖10 觀測(cè)孔水位埋深變化曲線Fig. 10 Change curve of water level of observation hole

式中：H——水位降深，m；

Q——疏放涌水量，m3/min。

多孔聯(lián)合放水試驗(yàn)結(jié)果見表2，奧灰峰峰組觀測(cè)孔降深與疏放涌水量的比值大于3，說(shuō)明含水層接收補(bǔ)給一般，可以疏降。針對(duì)9號(hào)煤層底板奧灰水承壓開采問(wèn)題，可以采取疏水降壓措施，降低奧陶系峰峰組含水層水位標(biāo)高至工作面煤層底板標(biāo)高，減小煤層底板隔水層帶壓開采奧灰突水系數(shù)[17]，從而解決9號(hào)煤層底板水害安全隱患問(wèn)題。

表2 觀測(cè)孔降深與疏放涌水量的比值統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

(1)礦井9號(hào)煤層開采頂?shù)装迤茐囊?guī)律數(shù)值模擬與工作面試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比，結(jié)果基本一致，煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度可達(dá)到64.26 m，為采高的18.9倍，破壞形態(tài)似“馬鞍狀”；底板采動(dòng)破壞深度可達(dá)到12.50 m，破壞形態(tài)似“倒馬鞍狀”。結(jié)合9號(hào)煤層頂?shù)装搴畬?體)的層位關(guān)系、煤層底板標(biāo)高、奧灰水位標(biāo)高，煤層開采后礦井領(lǐng)板主要水害為2號(hào)煤層采空區(qū)積水水害、太原組薄層(K2)灰?guī)r水水害，底板水害為奧陶系峰峰組灰?guī)r水水害。

(2)通過(guò)多孔聯(lián)合放水試驗(yàn)，觀測(cè)孔水位降深與疏放涌水量的比值大于3，說(shuō)明針對(duì)9號(hào)煤層底板奧灰水害威脅可以采取疏水降壓措施，降低奧灰水位標(biāo)高，減小煤層底板水害威脅，實(shí)現(xiàn)礦井安全開采，研究結(jié)果可以為地質(zhì)、水文地質(zhì)條件類似礦井防治水工作提供技術(shù)指導(dǎo)。