盛奉天，段玉清

(中國礦業(yè)大學(北京) 能源與礦業(yè)學院，北京 100083)

我國是世界上煤礦水害最為嚴重的國家之一，許多煤田都存在水體下采煤的問題[1]。礦井水害嚴重制約著我國煤炭安全生產(chǎn)，煤礦涌水及突水不僅嚴重影響井巷開拓和工作面回采，甚至會造成重大的人身傷亡和經(jīng)濟損失，同時還會破壞地下水資源、誘發(fā)地表生態(tài)地質(zhì)環(huán)境災變[2]。據(jù)初步統(tǒng)計，我國600余處國有重點煤礦受水威脅的礦井占47.5%，受水威脅的煤炭儲量達到250億t，其中受頂板水體威脅的煤炭儲量近百億噸，經(jīng)濟損失超過350多億元人民幣[3-6]。導水裂隙帶高度是溝通頂板含水層與采空區(qū)的涌水通道，因此研究導水裂隙帶高度對頂板水害防治具有重要意義[7]。

彬長礦區(qū)各礦井一直深受頂板巨厚砂巖含水層的影響，我國眾多學者對該礦區(qū)頂板涌水進行了大量研究，如靳德武[8]等研究了彬長礦區(qū)部分礦井導水裂隙帶高度，得出了導水裂隙帶高度與工作面斜長、采深和采厚的關系；昝軍才[9]等研究了小莊礦4號煤層高強度開采的導水裂隙帶高度和裂采比；武謀達[10]等研究了大佛寺煤礦開采過程中受洛河組含水層影響，總結了頂板涌水的規(guī)律；李超峰[11]等研究了彬長礦區(qū)巨厚洛河組含水層的垂向差異性，根據(jù)洛河組巖性、富水性、水質(zhì)、水溫等因素將洛河組分為上下兩段；藺成森[12]等綜合分析了彬長礦區(qū)煤層開采頂板涌水特征，提出了該礦區(qū)防治水技術的成套體系；段紅民[13]等預計了彬長礦區(qū)最大導水裂縫帶高度，確定了適合彬長礦區(qū)煤層開采的方法和工藝等。雖然眾多學者對彬長礦區(qū)進行了大量研究，但還沒有形成統(tǒng)一的適用于該礦區(qū)的導水裂隙帶高度經(jīng)驗公式。筆者主要通過對彬長礦區(qū)各礦井導水裂隙帶高度實測數(shù)據(jù)的分析，總結出適用于該礦區(qū)的導水裂隙帶高度經(jīng)驗公式，并以雅店礦ZF1403工作面為背景依托應用該公式進行導水裂隙帶高度的研究，可為類似條件礦井導水裂隙帶發(fā)育高度提供借鑒。

1 彬長礦區(qū)概況

彬長礦區(qū)位于我國14 個大型煤炭基地之一的黃隴煤田，礦區(qū)東西長46km，南北寬36.5km，面積978km2，煤炭資源地質(zhì)儲量8978.83Mt，可采儲量5362.09Mt，礦區(qū)內(nèi)大多數(shù)礦井采用綜采放頂煤開采延安組第一段中上部4號煤層，全部垮落法管理頂板。4號煤層厚度為0.15～43.87m，平均達到10.65m，煤層頂板多以砂巖為主，砂質(zhì)泥巖次之，屬于中硬頂板。煤層上方存在多個含水層，通過水文地質(zhì)勘察得知其中洛河組巨厚砂巖含水層富水性較強，其余含水層富水性較弱，4號煤層與洛河組巨厚砂巖含水層平均間距164m，水文地質(zhì)情況如圖1所示。礦區(qū)內(nèi)各礦井工作面回采過程中頂板涌水量大，嚴重影響了礦井的正常安全生產(chǎn)，礦區(qū)內(nèi)部分礦井頂板涌水統(tǒng)計情況見表1[13-19]。

圖1 彬長礦區(qū)水文地質(zhì)綜合圖

表1 彬長礦區(qū)部分礦井頂板涌水情況

2 導水裂隙帶發(fā)育高度理論計算

2.1 經(jīng)驗公式計算及適用性分析

許延春教授在收集了大量綜放開采導水裂隙帶高度數(shù)據(jù)的基礎上，通過數(shù)理統(tǒng)計分析得出了中硬及軟弱覆巖條件下適用于綜放開采的導水裂隙帶高度經(jīng)驗公式。目前對于導水裂隙帶高度的預計，在礦井沒有實測數(shù)據(jù)的情況下，多以經(jīng)驗公式計算為主，其計算值可作為礦井導水裂隙帶高度的參考。由于彬長礦區(qū)大多數(shù)礦井采用綜放開采4號煤層，頂板多以砂巖為主，屬于中硬類型，因此，采用中硬覆巖條件下綜放開采導水裂隙帶高度經(jīng)驗公式進行計算，經(jīng)驗公式見式(1)[20]，并將所求的導水裂隙帶高度與實測值進行對比，結果見表2[8，14，21，22]。

表2 彬長礦區(qū)部分礦井導水裂隙帶高度實測與經(jīng)驗公式及回歸公式計算對比

式中，Hli為導水裂隙帶高度，m；M為采厚，m。

由表2可以看出，導水裂隙帶經(jīng)驗公式在彬長礦區(qū)各工作面的計算中存在失真問題，計算結果與實測數(shù)據(jù)相比普遍偏小，相差值大多在40～80m之間，部分可達90～120m，顯然經(jīng)驗公式的計算參考值已不適用于彬長礦區(qū)，主要原因分析如下：彬長礦區(qū)主采4號煤層，其賦存具有煤層厚、埋深大、開采強度高的特點，高強度開采導致覆巖破壞程度遠高于普通地質(zhì)條件下綜放開采覆巖破壞程度；綜放開采導水裂隙帶經(jīng)驗公式是在收集了大量綜放開采導水裂隙帶高度實測數(shù)據(jù)的基礎上采用一元線性回歸統(tǒng)計而來的，統(tǒng)計數(shù)據(jù)中彬長礦區(qū)的實測數(shù)據(jù)較少，因此對此地區(qū)的覆巖破壞高度預測不具有代表性；經(jīng)相關研究發(fā)現(xiàn)，導水裂隙帶發(fā)育高度與煤層采厚、埋深、工作面寬度、覆巖類型等多種因素有關，經(jīng)驗公式只考慮了不同覆巖條件下煤層采厚這一因素，而未考慮其他影響因素。由表1中的采厚與導水裂隙帶高度實測值擬合的關系曲線如圖2所示，可以看出R2=0.73，擬合效果較差，因此只考慮采厚對導水裂隙帶高度的影響是不全面的。

圖2 采厚與導水裂隙帶高度擬合關系曲線

2.2 彬長礦區(qū)導水裂隙帶高度回歸公式

基于表2中實測數(shù)據(jù)，在考慮工作面寬度、煤層埋深、采厚三種因素條件下，使用origin軟件多元線性回歸得出彬長礦區(qū)導水裂隙帶高度與上述三因素之間的關系，見式(2)。

Hli=0.3373W+0.0775D+13.9523M-66.7430，R2=0.87

(2)

式中，W為工作面寬度，m；D為煤層埋深，m。

將各工作面參數(shù)代入式(2)，得出對應的導水裂隙帶回歸公式預計值，見表2。對比實測值求得誤差，并利用貝塞爾公式(3)求得標準偏差：

求得S=11.31，進而得到彬長礦區(qū)中硬覆巖綜放開采條件下導水裂隙帶發(fā)育高度回歸公式：

Hli=0.3373W+0.0775D+13.9523M-

66.7430±11.31

(4)

將表2中各組工作面按導水裂隙帶高度實測值由低到高依次編號為1～17，使用回歸公式計算得出表中各礦導水裂隙帶高度值，與實測值、經(jīng)驗公式計算值進行對比，結果如圖3所示。由圖3可以看出，實測值曲線位于回歸公式計算值上下限范圍內(nèi)，回歸公式計算值與實測值接近，回歸效果良好，因此回歸公式可用于彬長礦區(qū)中硬覆巖條件下礦井導水裂隙帶高度的計算。

圖3 導水裂隙帶高度計算對比

3 回歸公式應用

3.1 工程概況

以彬長礦區(qū)雅店礦ZF1403工作面為工程背景，應用回歸公式對導水裂隙帶高度進行研究。雅店礦ZF1403工作面走向長度1600.7m，傾向長度200m，采用綜采放頂煤開采延安組第一段中上部4號煤層，覆巖類型為中硬，全部垮落法管理頂板。4號煤層平均埋藏深度約為700m，傾角0°～7°，煤層厚度變化較小，平均厚度13.5m，局部含夾矸兩層，夾矸厚度為0.20～0.66m。工作面上方存在多個含水層，水文地質(zhì)綜合柱狀圖如圖4 所示，通過水文地質(zhì)勘察得知其中洛河組巨厚砂巖含水層富水性強，其余含水層富水性較弱，工作面回采過程中頂板涌水量大，嚴重影響了礦井的正常安全生產(chǎn)，由水質(zhì)化驗可知頂板涌水主要來源為洛河組含水層。2020年2月—8月工作面月平均涌水量統(tǒng)計結果如圖5所示，由圖5可見，工作面涌水量較大，因此探明導水裂隙帶發(fā)育高度可以為水害防治措施的制定提供理論依據(jù)。將雅店礦ZF1403工作面各參數(shù)分別代入經(jīng)驗公式(1)和回歸公式(4)計算可得：導水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗公式計算結果為118.44～141.42m，回歸公式計算結果為232.01～254.63m。

圖4 水文地質(zhì)綜合柱狀圖

圖5 工作面月平均涌水量統(tǒng)計

3.2 數(shù)值模擬分析

3.2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)雅店礦ZF1403綜放工作面2-3鉆孔柱狀圖建立FLAC3D數(shù)值模型，模擬隨工作面推進上覆巖層的破壞高度及塑性區(qū)發(fā)育特征。洛河組巨厚砂巖含水層為340m，為提高計算機運算速度模型只建200m，模型頂部至地表未建巖層共320m，在上表面施加8.0MPa的等效載荷代替，模型四周及底部邊界固定，頂部為自由邊界，X方向為工作面走向，Y方向為工作面傾向，為消除邊界影響X、Y方向兩邊各預留200m煤柱，開挖步距為40m，共開挖400m，最終確定模型尺寸為800m×600m×400m(長×寬×高)，巖體本構關系采用Mohr-Coulomb準則，數(shù)值模型如圖6所示，巖層參數(shù)見表3。

圖6 數(shù)值計算模型

表3 巖層力學參數(shù)

3.2.2 模擬結果分析

隨著工作面的回采，上覆頂板巖層出現(xiàn)不同類型的破壞，自下而上可分為拉張破壞區(qū)、剪切破壞區(qū)和彈性區(qū)。數(shù)值模擬中一般將拉張破壞區(qū)視為垮落帶范圍，將剪切破壞區(qū)視為裂隙帶范圍，兩者之和視為導水裂隙帶高度范圍。不同開挖步距下頂板破壞塑性區(qū)如圖7所示，當工作面推進40m時，采空區(qū)上方中部巖層的主要破壞類型為拉張破壞，而開切眼及煤壁前方頂板巖層出現(xiàn)剪切破壞，破壞范圍整體呈現(xiàn)出兩邊高中間低的“馬鞍型”形態(tài)，如圖7(a)所示；當工作面推進120m時，高度繼續(xù)向上發(fā)育，高度為122.9m，如圖7(b)所示；當工作面推進240m時，頂板巖層破壞形態(tài)仍未發(fā)生明顯變化，覆巖破壞高度進一步增大，達到243.5m，如圖7(c)所示；工作面推進400m時，相比工作面推進240m時剪切破壞區(qū)范圍明顯增大，而覆巖破壞高度不再增加，如圖7(d)所示。因此，可認為工作面推進至240m時，已達到該開采條件下的充分采動，導水裂隙帶高度不再發(fā)生變化，最終高度確定為243.5m。

圖7 不同開挖步距下頂板塑性區(qū)

根據(jù)數(shù)值模擬結果得到導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律如圖8所示。其變化可分為以下3個階段：緩增階段，工作面自開切眼推進后，直接頂巖層達到其極限跨距開始垮落，覆巖破壞開始緩慢向上發(fā)育；突增階段，隨著工作面推進距離增加，采空區(qū)范圍不斷增大，破壞范圍已波及到上覆各堅硬巖層，厚而堅硬的巖層破斷失去了自承載作用，導致覆巖破壞高度急劇增大；穩(wěn)定階段：當工作面推進至240m時，覆巖破壞高度達到最大，隨著工作面繼續(xù)推進，破壞高度不再發(fā)生變化。

圖8 導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律

3.3 現(xiàn)場實測

ZF1417工作面位于ZF1403工作面南部約500m處，現(xiàn)場施工過程中，采用井下施工鉆孔探測的方法實測了ZF1417工作面4號煤層開采導水裂隙帶發(fā)育高度，通過ZF1417工作面3個鉆孔進行注水漏失量觀測，得到了3個鉆孔液漏失量的變化規(guī)律，確定了導水裂隙帶高度，由于ZF1417工作面與ZF1403工作面位置較近，工作面布置方式、采煤方法、工作面寬度及煤層埋深均相同，因此ZF1417工作面導水裂隙帶實測值可作為ZF1403工作面導水裂隙帶高度的參考值，實測數(shù)據(jù)見表4[23]。由于ZF1403工作面煤層厚度變化較小，煤厚11.8～15.4m，平均為13.5m，1號鉆孔煤層厚度偏小，采厚作為影響導水裂隙帶發(fā)育高度的重要因素之一，因此，1號鉆孔實測數(shù)據(jù)不具有參考價值，由2號、3號兩鉆孔實測數(shù)據(jù)可知，當采厚為12.6m和13.5m時導水裂隙帶發(fā)育高度分別為214.2m和270.0m，平均為242.1m。

表4 導水裂隙帶高度實測數(shù)據(jù)

將傳統(tǒng)經(jīng)驗公式、回歸公式、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測4種方法得到的導水裂隙帶發(fā)育高度結果進行綜合對比，結果見表5。由表5可以看出，數(shù)值模擬和實測值結果接近，兩者均位于回歸公式計算值范圍內(nèi)，而傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算結果與實測值相差較大，誤差大于100m，進一步說明了經(jīng)驗公式在彬長礦區(qū)的不適用性，而回歸公式應用效果良好，可作為彬長礦區(qū)導水裂隙帶高度的參考。

表5 導水裂隙帶高度綜合對比表 m

4 結 論

1)通過收集彬長礦區(qū)17 組工作面導水裂隙帶高度實測數(shù)據(jù)，得到經(jīng)驗公式計算結果在彬長礦區(qū)應用存在失真的問題，并通過回歸分析得出了適用于彬長礦區(qū)中硬覆巖條件下的導水裂隙帶高度公式。

2)基于彬長礦區(qū)雅店礦地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測得到的導水裂隙帶高度與回歸公式計算結果基本吻合，回歸公式應用效果良好。