吳群英，郭重威，翟鴻良，王建文，張銘杰，遲寶鎖，王二云，郭書全

(1.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083;3.陜西涌鑫礦業(yè)有限責任公司，陜西 榆林 719407;4.陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300)

0 引 言

陜北-神南礦區(qū)煤炭儲量豐富，但水資源總體短缺，生態(tài)環(huán)境脆弱。煤炭開采在上覆巖層產(chǎn)生的裂隙場連通含水層，導(dǎo)致地下水位下降，并且大量礦井水外排到地表，造成生態(tài)破壞。針對此，顧大釗[1]提出了“導(dǎo)-儲-用”為核心的地下水保護利用理念，提出了煤礦地下水庫儲水和再利用技術(shù)，解決了陜北礦區(qū)水資源短缺和生態(tài)破壞問題。而采動覆巖裂隙率空間分布是地下水庫儲量設(shè)計的重要參數(shù)。目前，國內(nèi)外學(xué)者在采動覆巖裂隙場方面已經(jīng)進行了大量研究。錢鳴高等[2]對上覆巖層采動裂隙分布特征進行了研究，揭示了長壁工作面覆巖采動裂隙的兩階段發(fā)展規(guī)律與“O”形圈分布特征。王志強等[3]分析了采場覆巖“三帶”的影響因素：包括開采厚度、覆巖殘余碎脹系數(shù)、工作面開采范圍、關(guān)鍵層與煤層之間的距離以及關(guān)鍵層特征，在此基礎(chǔ)上，提出了基于關(guān)鍵層穩(wěn)定及斷裂后運動特點的采場覆巖“三帶”劃分的新方法及其適用條件。張春雷[4]模擬研究了煤層群開采裂隙分布規(guī)律，得到了煤層群雙重卸壓開采與單一煤層開采不同的覆巖裂隙分布和演化規(guī)律。王志國等[5]研究了深部開采上覆巖層采動裂隙演化規(guī)律，得出隨開采寬度增加，采動巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)呈現(xiàn)總體增大趨勢。李振華等[6]研究了厚松散層薄基巖條件下開采覆巖破壞規(guī)律，得出采動所形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)可以較好地表征巖體的結(jié)構(gòu)特征的結(jié)論。焦振華[7]分析了保護層開采過程中覆巖裂隙場和應(yīng)力場演化規(guī)律，模擬試驗表明下保護層開采覆巖裂隙演化與卸壓程度相關(guān)。杜旭[8]分析了多煤層群賦存條件下上覆巖層“豎三帶”高度的6個主要影響因素：上覆巖層性質(zhì)、采厚、煤層傾角、工作面走向長度、工作面日推進速度、采煤方法。聶留洋[9]采用鉆孔攝像儀對“三帶”進行觀測，用理論分析和數(shù)值模擬的方法綜合分析得出巨厚砂巖頂板“三帶”的高度分布特征。李全生等[10]結(jié)合神東礦區(qū)煤礦地下水庫工程實踐，使用理論分析和現(xiàn)場實踐的方法，開展了地下水庫適應(yīng)性評價方法研究，得出地下水庫儲水的高效循環(huán)使用是保證該技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。于慶磊等[11]研究了覆巖“三帶”的分布規(guī)律及“三帶”中導(dǎo)水裂隙分布特征。于水[12]分析了上覆巖層的破壞過程并建立各種力學(xué)模型，根據(jù)上覆巖層的受力情況，總結(jié)了綜放工作面覆巖結(jié)構(gòu)及其破壞特點。胡寶峰[13]采用多元線性回歸分析了影響導(dǎo)水裂隙帶高度的各因素之間量的關(guān)系，給出相應(yīng)的計算公式。顧大釗等[14]通過分析陜北地區(qū)煤炭開采現(xiàn)狀，研究了煤炭開采水資源保護利用的技術(shù)首次提出采空區(qū)儲用礦井水的技術(shù)構(gòu)想，構(gòu)建了煤礦地下水庫技術(shù)體系。曹志國[15]用數(shù)值模擬對煤礦地下水庫不同人工壩體結(jié)構(gòu)抗震性能進行研究，得出人工壩體的薄弱部位是其與煤巖體的接觸部位等結(jié)論。楊俊哲[16]提出了煤礦井上井下立體生態(tài)環(huán)境概念。劉曉麗等[17]提出了煤礦分布式地下水庫的儲水形式和庫容-水位曲線確定方法。姜琳婧等[18]針對庫容計算方法效率低和準確度低的問題,提出了基于CAD的煤礦地下水庫庫容快速精準計算方法。張凱等[19]基于對大柳塔煤礦地下水庫原位進出水樣水質(zhì)分析，揭示了煤礦地下水庫水-巖相互作用機理，得出了煤礦地下水庫水體中離子的變化規(guī)律，闡明其自凈化機理。龐義輝等[20]針對西部近水平煤層煤礦地下水庫有效儲水空間難以確定的問題,提出了地下水庫有效儲水空間的計算方法。鞠金峰等[21]建立了地下水庫儲水容量、極限庫容與合理庫容的計算方法。上述主要分析單一煤層開采裂隙場分布規(guī)律，而對重復(fù)采動裂隙場空間分布的定量描述較少。

基于此，筆者建立了采動覆巖裂隙率空間分布的計算方法，采用相似模擬試驗研究了檸條塔礦1-2煤和2-2煤重復(fù)采動后上覆巖層的裂隙率在垂直和水平方向的空間分布情況，得出了重復(fù)采動覆巖裂隙率空間定量表征。

1 工程概況

檸條塔煤礦、張家峁煤礦、紅柳林煤礦隸屬神南礦區(qū)，位于陜西省神木縣境內(nèi)，神南礦區(qū)總面積約363.4 km2，煤炭總資源量約55億t。其中檸條塔煤礦面積為136.1 km2、張家峁煤礦面積為83.96 km2(其中張家峁南區(qū)面積52.66 km2，張家峁北部整合區(qū)面積31.30 km2)，紅柳林煤礦面積為143.34 km2。在檸條塔煤礦內(nèi)有水庫1座，為廟溝上游巴兔明溝高家梁村水庫，處于井田最北邊，蓄水量2.592萬m3，1978年修建，壩長100 m、壩高20 m，現(xiàn)有效庫容為0.75萬m3，回水長度約300 m，水面距壩頂約5 m，現(xiàn)該水庫僅作淤地壩使用。

2 采動覆巖裂隙場演化相似模擬

2.1 相似模型及監(jiān)測方案設(shè)計

對檸條塔煤礦北翼東區(qū)1-2和2-2兩層煤開采區(qū)域進行物理模擬研究。根據(jù)檸條塔煤礦煤層群開采的實際情況，并結(jié)合北翼東區(qū)煤層埋深變化大、地表溝壑發(fā)育等條件。根據(jù)現(xiàn)有條件及研究問題的特點，選用的試驗?zāi)Ｐ统叽鐬?.0 m(長)×0.2 m(寬)×2.5 m(高)。

2)相似材料的選擇與配比。相似材料主要有河沙、石膏、大白粉、粉煤灰，鋪設(shè)時均勻地撒上云母粉作為分層弱面。根據(jù)相似條件，確定相似配比方案見表1。

表1 模擬試驗相似材料配比方案

3)監(jiān)測方案設(shè)計。在模型表面布置7條位移監(jiān)測線，分別距離2-2煤底板15 cm(監(jiān)測線A)、27 cm(監(jiān)測線B)、36 cm(監(jiān)測線C)、53 cm(監(jiān)測線D)、71cm(監(jiān)測線E)、103 cm(監(jiān)測線F)、130 cm(監(jiān)測線G)。每條測線布置19個測點，測點間距15 cm。

4)模型共開采2層煤，采用下行開采方式，先開采上覆1-2煤層，從左向右開挖，每次開挖步距為1.0 cm。待1-2煤層開采覆巖穩(wěn)定后，再開采下伏2-2煤層，2-2煤層開切眼位于1-2煤層開切眼正下方，每次開挖步距為1.0 cm，開挖前，模型如圖1所示。

圖1 檸條塔礦1-2煤和2-2煤層開挖前的相似模型

2.2 重復(fù)采動覆巖裂隙場模擬結(jié)果分析

2.2.1 采動覆巖裂隙場計算方法

采動覆巖裂隙率的空間分布是裂隙場的重要衡量參數(shù)。由于采動覆巖微裂隙難以直接測量，故采用采空區(qū)面積與各巖層下沉面積之差除以采空區(qū)的面積來表示。斷裂帶裂隙面積則使用其上方與下方下沉量差值來表達，彎曲下沉帶同理。

從橫向和縱向兩方面分析煤層開采后的裂隙率，橫向分為離層區(qū)與中間壓實區(qū)，縱向分為垮落帶、斷裂帶與彎曲下沉帶。根據(jù)相似試驗開采后巖層的分布狀態(tài)，可以判斷出離層區(qū)的長度為60 m，開采1-2煤層后，垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶的位置分別位于C、E、G監(jiān)測線；開采2-2煤層后，“三帶”則分別位于A、F、G監(jiān)測線。

根據(jù)裂隙率的定義，裂隙率與監(jiān)測線變形間存在如下近似關(guān)系:

F=(SC-SX)/S

其中：F為裂隙率；SC為開采面積；SX為下沉面積；S為所測巖土總面積，S=HD，H為所測巖土高度，D為開采長度。

對于煤層開采后斷裂帶、彎曲下沉帶則有

式中，ΔS為下沉量的差值。

待1-2煤工作面開采結(jié)束，裂隙發(fā)育高度并未到達煤層基巖，如圖2a所示。2-2煤層開采覆巖穩(wěn)定后，觀察發(fā)現(xiàn)采空區(qū)中上部裂隙基本壓實閉合，如圖2b所示。

圖2 檸條塔礦開挖后的相似模型

1-2和2-2煤工作面回采結(jié)束各測線下沉曲線如圖3所示。

圖3 工作面回采結(jié)束各測線下沉曲線

2.2.2 采動覆巖裂隙場空間分布規(guī)律

根據(jù)相似試驗的下沉量測量數(shù)據(jù)與裂隙率計算公式計算得到第1層和第2層開采后水平和垂直裂隙率的分布曲線分別如圖4所示，離層區(qū)的數(shù)值為兩側(cè)離層區(qū)裂隙的平均值。

圖4 水平裂隙率變化

從圖4a可得，隨著監(jiān)測線與煤層距離的增加，裂隙率逐漸減小，總體裂隙率由1.87%逐漸下降至1.18%，覆巖裂隙場越往上越小，并且是非線性的；中間壓實區(qū)裂隙率遠小于離層區(qū)，中間壓實區(qū)最大裂隙率為1.21%，離層區(qū)最大裂隙率為2.19%，這是由于離層區(qū)存在較大離層裂隙，有利于地下水的儲存。離層區(qū)的儲水能力遠大于中間壓實區(qū)。

比較圖4a和圖4b可以看出，第2次開采后，離層區(qū)與中間壓實區(qū)的裂隙率都大幅度提升，離層區(qū)最大裂隙率由2.19%上升到16.1%，中間壓實區(qū)最大裂隙率由1.21%上升到6.54%，地下水庫的儲水能力也隨之大幅提升，并且第2次開采后，隨著覆巖遠離煤層，離層裂隙率的減小速度顯著降低，離煤層較近的覆巖的儲水能力遠大于離煤層較遠的覆巖。二次開采后，中間壓實區(qū)也具備了一定的儲水能力，但還是小于離層區(qū)。

從圖5a彎曲下沉帶曲線可以看出，隨著向離層區(qū)覆巖內(nèi)部延伸，離層裂隙率先增大后減小，在離層區(qū)覆巖出現(xiàn)2個裂隙率極大值點(凸峰)，而在中間壓實區(qū)裂隙率曲面呈“盆底”形凹陷，裂隙率的左右峰值分別為1.95%和2.13%，“盆底”裂隙率為0.38%，總體上覆巖四周邊界附近離層裂隙率大，遠離邊界的內(nèi)部區(qū)域離層裂隙率小；垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶“盆底”裂隙率分別為1.22%，0.77%，0.37%，隨著覆巖逐漸遠離煤層，裂隙率隨之減小。由圖5b中“三帶”的裂隙率可知，左側(cè)離層區(qū)裂隙率峰值隨著“三帶”覆巖位置的上升而逐漸向中心靠攏，右側(cè)也有同樣的現(xiàn)象，這是因為隨著覆巖遠離開采煤層，其下沉的區(qū)域正在逐漸減小，產(chǎn)生離層的位置就會逐漸向中間靠攏。

圖5 垂直裂隙率變化

比較圖5a和圖5b可以看出，重復(fù)采動后，裂隙率曲線同樣隨著覆巖逐漸向上，裂隙率減小和峰值位置向中間靠攏的特點，但二次開采后，裂隙率大幅增加，垮落帶，斷裂帶，彎曲下沉帶中間壓實區(qū)的裂隙率分別達到21%，3.1%，0.3%，最大峰值分別到達35.5%，6.34%，4.17%。

目前，神東礦區(qū)已經(jīng)成功建設(shè)煤礦地下水庫 35座，不僅提供了礦區(qū) 95%以上的工業(yè)用水[22]，而且實現(xiàn)了礦區(qū)不同季節(jié)水資源的儲存與調(diào)配，極大緩解了西部礦區(qū)煤炭開采與水資源保護的矛盾。檸條塔煤礦位于神南礦區(qū)，通過相似模擬試驗研究重復(fù)采動上覆巖層裂隙率的空間分布規(guī)律，這將為該區(qū)域下部煤層開采后所建地下水庫儲水能力的準確預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

3 結(jié) 論

1)采動覆巖裂隙率自下而上逐漸減小，1-2煤開采后裂隙率由1.87%逐漸下降為1.18%，2-2煤開采后，裂隙率由12.85%下降為4.11%；重復(fù)采動后上覆巖層的裂隙率顯著大于初次采動覆巖裂隙率。

2)中間壓實區(qū)裂隙率遠小于兩側(cè)離層區(qū)，1-2煤開采后，壓實區(qū)和離層區(qū)最大裂隙率分別為1.21%和2.19%，2-2煤開采后，壓實區(qū)和離層區(qū)最大裂隙率分別為16.1%和6.54%。水平方向裂隙率存在2個峰值，垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶的峰值位置逐漸向采空區(qū)中部移動。

3)煤層重復(fù)開采后，離層區(qū)裂隙率最大值由2.19% 上升到16.1%，中間壓實區(qū)最大裂隙率由1.21% 上升到6.54%，分別增長了約6.4倍和4.4倍，重復(fù)采動覆巖的裂隙率顯著增加，增強了儲水能力，故下部煤層開采后的采空區(qū)能儲存更多的礦井水。