白成杰

（神木縣隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西省 榆林市 719300）

0 引言

近年來，煤炭資源的開發(fā)力度不斷增大，煤炭資源開發(fā)環(huán)境和煤層賦存條件也逐漸多樣化、復(fù)雜化，復(fù)合水體下采煤是近年來煤礦開采過程面臨的一項(xiàng)新的技術(shù)難題，一般是指煤層頂板以上存在著多種類型的水體，包括地表水體、含水層水、老采空區(qū)水等多種賦存形式[1-4]，且水體對(duì)下伏煤層的開采存在著安全威脅。復(fù)合水體下采煤作業(yè)面臨著多種水害問題，需要針對(duì)不同的隱患水體進(jìn)行專門的技術(shù)研究、制定必要的防治措施。上述問題的存在使得復(fù)合水體下采煤作業(yè)相比傳統(tǒng)水下采煤具有安全風(fēng)險(xiǎn)增加、開發(fā)難度大、作業(yè)環(huán)境惡劣，開展復(fù)合水體下安全開采技術(shù)研究意義重大，研究成果不僅有助于上述問題的解決，指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)，還能豐富礦井防治水工作經(jīng)驗(yàn)，提高礦井生產(chǎn)效益[4-7]。

1 礦井基本概況

隆德煤礦位于陜西省榆林市神木縣西南部，行政區(qū)劃隸屬于榆林市神木縣大保當(dāng)鎮(zhèn)管轄，是華電煤業(yè)集團(tuán)有限公司控股的改擴(kuò)建煤礦。地理坐標(biāo)在北緯38°43′57″～38°49′42″，東經(jīng)109°58′08″～110°04′24″之間，平均走向長度2.3～9.3 km，平均傾斜寬度4.0～8.6 km，井田面積44.51 km2。

隆德煤礦東部與黑龍溝煤礦相鄰，南部與大保當(dāng)井田相鄰，西部與小保當(dāng)井田和錦東煤礦相鄰，北部為大保當(dāng)普查區(qū)。井田范圍與周邊礦權(quán)設(shè)置關(guān)系見圖1。

圖1 井田范圍及與周邊礦權(quán)關(guān)系示意圖

本區(qū)地處陜西“米”字型公路網(wǎng)內(nèi)，榆神二級(jí)公路（S204省道）和西包鐵路（神延段）并行沿井田東南邊界外約4～5 km處通過，建設(shè)中的包西鐵路二線沿煤礦以東約2 km處通過，在建中的210國道陜（西）（內(nèi)）蒙段高速公路從井田西部外圍南北經(jīng)過，交通干線架基本形成。

2 3-1煤層覆巖破壞高度計(jì)算

2.1 覆巖破壞規(guī)律概述

煤層開采后，煤層及其圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，頂板巖層自下而上出現(xiàn)垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶?？迓鋷侵腹ぷ髅婊刂蛞萍芎笠鸬拿簩又苯禹敯逑虿煽諈^(qū)垮落的巖層范圍，該區(qū)的巖層以梁或板結(jié)構(gòu)的脆性斷裂為主，巖塊之間的空隙多，連通性強(qiáng)，水、砂均可以通過。

垮落帶以上為裂縫帶，一般發(fā)生垂直或近于垂直層面的裂隙和沿層面的離層裂隙，是貯水和導(dǎo)水的通道。因垮落帶和裂縫帶均具有導(dǎo)水性，因此又合稱導(dǎo)水裂隙帶。導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)的含水層成為工作面的直接充水水源。彎曲下沉帶指的是自裂縫帶頂界到地表的整個(gè)巖層，彎曲下沉帶內(nèi)的巖層也可能產(chǎn)生裂縫，但是裂縫微小，數(shù)量少，裂縫間的連通性弱，導(dǎo)水能力微弱。

因此，導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)的含水層是影響采煤工作面安全的主要水害威脅，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是評(píng)價(jià)上部水體是否成為影響工作面安全開采的重要參數(shù)，其發(fā)育范圍和程度直接決定著水體下采煤可行性和安全性，因此搞清導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律和形態(tài)成為解放水體下壓煤和保證礦井安全生產(chǎn)所不可缺少的重要內(nèi)容。大量的覆巖破壞高度實(shí)測數(shù)據(jù)表明，覆巖類型、采厚、開采工藝和工作面斜長是影響覆巖破壞高度的主要因素。目前，確定覆巖破壞高度的方法主要包括現(xiàn)場實(shí)測法、經(jīng)驗(yàn)公式法、類比分析法和數(shù)值模擬法等。

2.2 3-1煤層開采覆巖破壞高度計(jì)算

由于隆德煤礦3-1煤層與2-2煤間距較小，研究區(qū)3-1煤層將在2-2煤回采完畢后開采，因此3-1煤層屬近距離煤層疊加開采，3-1煤層開采的覆巖破壞高度計(jì)算需考慮兩層煤疊加開采的情況。

按照《“三下”采煤規(guī)范》，如圖2、圖3所示，當(dāng)2層煤采用疊加開采的方式，同時(shí)2層煤的最小垂距大于回采下層煤的垮落帶高度時(shí)，上、下2層煤的導(dǎo)水裂隙帶的最大高度可通過上、下層煤的厚度分別進(jìn)行計(jì)算，其中標(biāo)高的最大高度為上、下2層煤導(dǎo)水裂隙帶的最大高度；當(dāng)下層煤的垮落帶完全進(jìn)入上層煤范圍或者接觸到上層煤時(shí)，不同于上種情況，此時(shí)上層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度通過本層煤的厚度進(jìn)行計(jì)算，而下層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度則應(yīng)通過兩層煤的綜合開采厚度來計(jì)算，同樣，取其中標(biāo)高最高者作為上、下層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度。

圖2 近距離煤層覆巖破壞高度示意圖（h＞H垮下時(shí)）

圖3 近距離煤層覆巖破壞高度示意圖（h＜H垮下時(shí)）

由鉆孔資料統(tǒng)計(jì)可知，研究區(qū)2-2煤厚為0～6.10 m，平均為3.75 m；3-1煤厚度分布均勻，平均煤厚為2.66 m，2層煤間距為29.61～41.92 m，平均為35.20 m，如圖4、圖5所示所示。根據(jù)《“三下”采煤規(guī)范》，當(dāng)單層采厚1～3 m，累計(jì)采厚不大于15 m時(shí)，可應(yīng)用規(guī)程給出的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)覆巖破壞高度進(jìn)行計(jì)算。堅(jiān)硬類型覆巖的覆巖破壞高度計(jì)算可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

垮落帶：

導(dǎo)水裂隙帶：

式中：Hm為垮落帶最大高度，m；Hli為導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；ΣM為累計(jì)采厚，m。

應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)研究區(qū)3-1煤單一煤層開采的覆巖破壞高度進(jìn)行計(jì)算，3-1煤按照采高2.8 m計(jì)算。

根據(jù)觀測結(jié)果，2-2煤層開采的覆巖破壞高度可按裂采比20、垮采比7進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)工作面開采情況分析，按照開采厚度4.1 m對(duì)研究區(qū)2-2煤的覆巖破壞高度進(jìn)行計(jì)算。研究區(qū)1-1煤僅在井田西南部局部可采，可采范圍內(nèi)1-1煤厚為0.8～2.38 m，平均為1.72 m，與2-2煤間距為33.89～60.34 m，平均為51.65 m，1-1煤按照采高1.4 m計(jì)算。

圖4 井田范圍內(nèi)2-2煤厚度等值線圖

圖5 井田范圍內(nèi)3-1煤厚度等值線圖

研究區(qū)3-1煤單一煤層開采的垮落帶高度為15.30 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為61.14 m，研究區(qū)2-2煤的垮落帶高度為28.7 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為82 m，1-1煤的垮落帶高度為9.89 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為46.94 m。2-2煤采動(dòng)裂縫已穿過2-2煤層，但垮落帶均小于2-2煤與1-1煤間距，并未進(jìn)入2-2煤層。因此，根據(jù)《“三下”采煤規(guī)范》，在1-1煤開采地段，3-1煤開采的導(dǎo)水裂隙帶最大高度可按1-1煤、2-2煤、3-1煤的厚度分別計(jì)算，取其中標(biāo)高最高者作為3-1煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度，據(jù)此，3-1煤層開采的覆巖破壞高度計(jì)算結(jié)果為61.14～149.11 m。

3 巖層垮落及孔隙率演化數(shù)值模擬研究

為了研究2-2工作面和3-1工作面回采后巖層垮落以及采空區(qū)孔隙率變化，采用PFC3D模擬了回采過程，對(duì)上覆巖層垮落以及采空區(qū)孔隙率演化規(guī)律進(jìn)行了模擬并驗(yàn)證了上節(jié)計(jì)算的合理性和正確性。

3.1 PFC3D模型的建立

模型長120 m，寬60 m，高150 m，共計(jì)16層，所用模型通過半徑擴(kuò)展法建立生成，顆粒半徑在平衡的過程中不斷擴(kuò)展，相互擠壓，直至孔隙率為0.05，達(dá)到目標(biāo)孔隙率，完成模型建立過程。在模型中，顆粒平均粒徑為1.1，達(dá)到合理尺寸。自由邊界為模型上部邊界，前、后、左、右四側(cè)邊界固定不動(dòng)，顆粒只沿垂直方向移動(dòng)，該移動(dòng)通過底部邊界限制。

根據(jù)PFC3D軟件的特點(diǎn)，模型測量圓長120 m，寬60 m，高100 m，粒徑均為2.5。測量圓將會(huì)通過監(jiān)測顆粒的移動(dòng)對(duì)模型進(jìn)行監(jiān)測分析，從而監(jiān)測工作面回采時(shí)覆巖變形情況以及孔隙率的變化規(guī)律。

模擬的3-1煤層為2.77 m、2-2煤層為4.69 m，模擬將采用分步開挖方式，首先對(duì)2-2工作面開采進(jìn)行模擬，模擬2-2工作面回采時(shí)上覆巖層變形及孔隙率的變化規(guī)律，每次回采距離為50 m，并穩(wěn)定1 500 000步。模擬完2-2工作面回采后，保留10 m兩側(cè)煤柱，以相同的模擬方式對(duì)3-1工作面回采繼續(xù)進(jìn)行模擬，最終模擬完畢后，穩(wěn)定3 000 000步，對(duì)覆巖變形及孔隙率的變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測分析。

3.2 回采期間覆巖垮落演化規(guī)律

圖6是2-2工作面和3-1工作面分階段開采模擬結(jié)果圖。如圖，垮落第一步后，2-2工作面已經(jīng)開采的煤層上覆巖層已經(jīng)開始垮落，2-2煤層下面的巖層基本不變；垮落第二步后，2-2工作面煤層的上覆巖層全部垮落，并保持穩(wěn)定；垮落第三步后，3-1工作面煤層上覆巖層開始垮落；垮落第四步后，3-1工作面煤層的上覆巖層已經(jīng)全部垮落并保持穩(wěn)定。為了更直觀地看出兩煤層的上覆巖層垮落高度，分別從正面截取模擬圖，如圖7所示。

從工作面分階段開采模擬垮落結(jié)果正面圖可以看出，垮落第一步結(jié)束后，2-2工作面煤層上覆巖層的垮落高度約為74.98 m；垮落第二步結(jié)束后，2-2工作面煤層上覆巖層的垮落高度約為85.7 m；垮落第三步結(jié)束后，2-2工作面煤層上覆巖層的垮落高度基本沒變，約85.7 m，3-1工作面煤層上覆巖層的垮落高度約為32.36 m；垮落第四步結(jié)束后，3-1工作面煤層上覆巖層的垮落高度維持開采前半段上覆巖層的垮落高度，約為35.67 m。

圖6 工作面分階段開采模擬結(jié)果圖

圖7 工作面分階段開采模擬垮落結(jié)果正面圖

根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，模擬的垮落結(jié)果與上節(jié)煤層覆巖垮落帶高度的結(jié)果相差不大，驗(yàn)證了覆巖破壞高度計(jì)算的正確性。

3.3 回采期間孔隙率演化規(guī)律

根據(jù)回采工作面后采空區(qū)情形，可以將采空區(qū)視作一個(gè)多孔介質(zhì)空間，并對(duì)該多孔介質(zhì)空間的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析和確定，最終在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的方程組對(duì)其進(jìn)行模擬和分析。因此模擬回采工作面也將利用測量圓對(duì)掘進(jìn)過程中模型孔隙率的變化情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤，選取測量圓中第9、13、16、20列測量圓所測量得到的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行孔隙率空間重構(gòu)，在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行孔隙率變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，最后對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而總結(jié)得到孔隙率變化規(guī)律，孔隙率結(jié)果如圖8所示。

圖8 工作面分階段開采模擬孔隙率結(jié)果圖

選取回采第一次、第二次、第三次以及第四次四個(gè)回采階段，測量圓測得的孔隙率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，工作面進(jìn)行回采時(shí)，煤層覆巖將隨工作面推進(jìn)的距離而不斷進(jìn)行垮落與堆積，因此孔隙率將發(fā)生變化，通過圖中第一步垮落可以得到，由于前半部分已經(jīng)開采，孔隙率由0.1變?yōu)?.56，上覆巖層的孔隙率變?yōu)?.28，2-2工作面未開采部分的孔隙率保持不變；通過第二步垮落可以得到，由于2-2工作面全部采完，上覆巖層孔隙率整體變?yōu)?.28，煤層處，前半部分由于垮落堆積的影響，孔隙率變?yōu)?.2，新開采煤層處的孔隙率為0.56；通過第三步垮落可以得到，由于3-1煤層厚度不大，開采后兩工作面之間的孔隙率變化不大，由0.1變?yōu)?.12；通過第四步垮落可以得到，當(dāng)3-1工作面整體采完后，兩工作面間的孔隙率由0.1變?yōu)?.44。

4 結(jié)論

1）3-1 煤層與2-2煤間距小，3-1煤層屬近距離煤層疊加開采問題。3-1煤層覆巖破壞高度為2-2煤與3-1煤間距、2-2煤厚與2-2煤導(dǎo)水裂隙帶高度三者之和。3-1煤開采的垮落帶高度為13.02～15.82 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為57.57～135.91 m。

2）3-1 煤層開采的覆巖破壞高度計(jì)算結(jié)果為61.14～149.11 m，并根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，模擬的垮落結(jié)果與煤層覆巖垮落帶高度的結(jié)果相差不大，驗(yàn)證了覆巖破壞高度計(jì)算的正確性。

3）根據(jù)回采期間孔隙率規(guī)律模擬可以看出，煤層覆巖孔隙率隨著工作面推進(jìn)的距離而不斷進(jìn)行垮落與堆積發(fā)生變化。