劉延欣 武宇亮 岳尊彩 朱術(shù)云

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司鮑店煤礦，山東省鄒城市，273513；2.兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東省兗州市，272102；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

礦山開采必然會(huì)帶來(lái)影響范圍內(nèi)的地應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生采動(dòng)應(yīng)力，引起部分區(qū)域應(yīng)力集中而聚壓，部分區(qū)域應(yīng)力釋放而卸壓，造成礦山壓力顯現(xiàn)。隨著近十幾年的超強(qiáng)度開采，華北型煤田相對(duì)正常地段資源已基本開采完畢，為了延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限和可持續(xù)發(fā)展，提高開采上限進(jìn)行薄基巖厚松散層下可行性已成為眾多煤礦研究的課題。歸納起來(lái)可大致劃分為兩個(gè)主要方面，一是從薄基巖角度進(jìn)行了垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度及覆巖破斷運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，提出了“兩帶”高度估算及相應(yīng)的涌水潰砂防治和控制技術(shù)；另一方面是從厚松散層角度，運(yùn)用力學(xué)相關(guān)理論，探討了第四系底部砂層或黏土層在采動(dòng)條件下對(duì)其上覆載荷向下傳遞的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了砂層中有承壓水和沒(méi)有承壓水對(duì)上覆載荷傳遞具有明顯差異性，底部黏土層對(duì)采動(dòng)覆巖失穩(wěn)破斷也起到很重要作用，但關(guān)于采動(dòng)應(yīng)力在薄基巖向厚松散層中傳遞規(guī)律相關(guān)研究偏少。為此，本文以兗州煤業(yè)股份有限公司鮑店煤礦八采區(qū)淺部首采工作面為地質(zhì)背景，通過(guò)巖土體層組劃分，運(yùn)用FLAC3D軟件，數(shù)值模擬探討薄基巖厚松散層下采動(dòng)應(yīng)力從巖層到土層的傳遞規(guī)律，以期為提高開采上限可行性提供參考。

1 研究區(qū)概況

首采工作面(83上01)位于八采區(qū)中間，平面上南北呈狹長(zhǎng)帶狀分布。工作面設(shè)計(jì)切眼南部靠近3上煤層露頭附近，設(shè)計(jì)停采線北距六采區(qū)總回風(fēng)巷約330 m，周邊為待采區(qū)。主采的3#煤層在大部分地方都是分叉的，分為3上煤層和3下煤層，僅靠近北部停采線附近沒(méi)有分叉。根據(jù)該面及附近鉆孔資料，3上煤層厚度4.6～6.6 m，平均厚度5.8 m，厚度較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

鉆孔繪制的八采區(qū)3#煤層基巖厚度等值線分布圖見圖1(圖中數(shù)值單位為m)。

圖1 基巖厚度等值線及首采面在八采區(qū)位置平面示意圖

由圖1可知，首采面附近基巖高度變化較大，南部受杏行背斜影響，沿其核部附近明顯變薄，最薄位置由165鉆孔控制，厚度約31.3 m，首采面屬于典型的薄基巖厚松散層下開采。83上01工作面走向長(zhǎng)度約1980 m，傾斜長(zhǎng)度約280 m，工作面內(nèi)煤層受褶皺構(gòu)造影響，產(chǎn)狀變化大，走向?yàn)?°～179°，傾向?yàn)?0°～359°，煤層傾角5°～19°，平均傾角11°。

2 覆巖結(jié)構(gòu)特征及含隔水性能分析

2.1 覆巖結(jié)構(gòu)特征及其富水性分析

八采區(qū)內(nèi)施工各類鉆孔25個(gè)，鉆孔密度約6個(gè)/km2，其中2015年以前施工了17個(gè)鉆孔， 2015年補(bǔ)勘施工了8個(gè)鉆孔(八-1孔至八-8孔)。

根據(jù)鉆孔資料，八采區(qū)內(nèi)僅殘存上侏羅統(tǒng)(J3m)下段，采區(qū)內(nèi)鮑25-165-八-7孔一線西側(cè)缺失，分布區(qū)厚度自西向東南漸厚，最大殘厚116.82 m。區(qū)內(nèi)有19個(gè)鉆孔揭露到該層段，厚度2.09～116.82 m，平均厚度49.16 m。前期已有抽水試驗(yàn)資料，本含水層段單位涌水量0.00004～0.035 L/(s·m)，礦化度2.04 g/L，水質(zhì)類型為SO4·Cl-Na型。2015年該采區(qū)補(bǔ)勘分別在八-3孔和八-6孔進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，取得的單位涌水量q分別為0.00192 L/(s·m)和0.01785 L/(s·m)，滲透系數(shù)k分別為0.0068 m/d和0.0258 m/d。八-3孔和八-6孔揭露的上侏羅統(tǒng)砂巖厚度分別為50.4 m和55.69 m，該層段水位標(biāo)高分別為-79.72 m和-109.40 m，對(duì)應(yīng)的水頭高度分別為58.19 m和44.77 m，反映出區(qū)內(nèi)該層段水富水性弱，并處于非承壓—微承壓狀態(tài)。

山西組砂巖含水層主要指3上煤層頂部砂巖和3下煤層底板砂巖，以3#煤層(3#煤層及3上煤層)頂部砂巖為主。八采區(qū)內(nèi)鉆孔控制的3上煤層至3下煤層間距為1.18～14.65 m(225孔至八-5孔)，平均間距10.4 m，巖性主要為泥巖，局部為粉砂巖，基本不含水。由于區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造不發(fā)育，且大部區(qū)段本層段砂巖厚度較薄，對(duì)3#煤層開采的充水影響微弱。

2.2 松散層結(jié)構(gòu)特征及其富水性分析

由于八采區(qū)第四系中組厚度相對(duì)穩(wěn)定，較好地阻隔了第四系上、下組含水層之間的水力聯(lián)系，對(duì)八采區(qū)產(chǎn)生影響的第四系含水層主要是下組含水層。八采區(qū)第四系下組含水層厚度分布相對(duì)穩(wěn)定，鉆孔揭露厚度18.80～43.25 m，平均揭露厚度29.82 m。本組含水層為砂及砂礫層，與粘性土相間分布。

第四系底界標(biāo)高-124.34～-86.93 m，第四系下組水位標(biāo)高-101.0～-74.4 m，考慮第四系下組底粘厚度，則可得到第四系下組水頭高度為0.53～20.21 m，平均水頭高度9.74 m。鉆孔統(tǒng)計(jì)底含厚度在1.00～9.40 m之間，平均底含厚度3.56 m，整體上厚度分布規(guī)律不太明顯，但最大厚度還不到10 m，結(jié)合第四系下組厚度特征，該含水層基本處于非承壓狀態(tài)。

2015年該采區(qū)補(bǔ)勘施工了8個(gè)鉆孔，并均對(duì)第四系底含進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，但發(fā)現(xiàn)因八采區(qū)第四系底含富水性較差，只對(duì)八-5孔進(jìn)行了2次水位降深分別為2.11 m和2.58 m的小降深抽水試驗(yàn)，不能滿足抽水試驗(yàn)要求。由于八-5孔抽水試驗(yàn)不合格，在其鄰近補(bǔ)加八-8孔進(jìn)行了3次降深抽水試驗(yàn)，獲得單位涌水量q在0.021584～0.030224 L/(s·m)。其他6個(gè)補(bǔ)勘孔因第四系底含賦水性差均無(wú)法進(jìn)行抽水試驗(yàn)，其中有4個(gè)鉆孔采用提桶提水方法取得了水位恢復(fù)情況的觀測(cè)數(shù)據(jù)，還有2個(gè)鉆孔提水試驗(yàn)也無(wú)法進(jìn)行，如表1所示。由此可見，八采區(qū)第四系底含屬于弱含水層。

表1 鮑店煤礦八采區(qū)第四系下組含水層抽(提)水資料表

結(jié)合八采區(qū)其他孔提水后的水位恢復(fù)情況分析，參考鄰近六采區(qū)南部最近兩個(gè)鉆孔的抽水試驗(yàn)結(jié)果，可得到八采區(qū)內(nèi)第四系底含賦水條件逐漸變?nèi)?，目前屬于弱含水層?/p>

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

以首采面及鄰近鉆孔揭露的頂?shù)装迕簬r層為地質(zhì)背景，這里選擇基巖柱高度30 m為例進(jìn)行探究，按巖性和完整性將3上煤層頂板、底板巖層可劃分為底含、底黏、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉細(xì)砂巖和煤層等6個(gè)工程地質(zhì)巖組，其組合結(jié)構(gòu)設(shè)定為10層，并以此層序結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)建立如圖2所示的二維工程地質(zhì)數(shù)值分析示意圖。

數(shù)值模型空間范圍沿走向長(zhǎng)度取200 m，高度取94 m，3上煤層厚度取平均值6 m，3下煤層厚度取平均值4 m，3上煤層頂板基巖高度取最薄位置，約30 m，底黏4 m，底含10 m；3下煤層底板32 m，3上煤層和3下煤層間距8 m。其上覆巖層重力采取2.6 MPa補(bǔ)償壓力予以體現(xiàn)。模型兩側(cè)各留設(shè)40 m保護(hù)煤柱，中間開挖120 m，分6步開挖完畢。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算模型的實(shí)際賦存條件，參考FLAC3D資料和相關(guān)研究，用于本計(jì)算模型的初始和邊界條件設(shè)定為：

(1)上部頂面邊界條件。與上覆巖層的重力有關(guān)。為了研究的方便，載荷的分布形式簡(jiǎn)化為均布載荷，上部邊界條件為應(yīng)力邊界條件，即上覆約130 m厚的松散層重力，按平均容重0.020 MN/m3估算為2.6 MPa，暫不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響。

(2)下部底面邊界條件。本模型的下部邊界條件為底板，簡(jiǎn)化為位移邊界條件，在x、y和z方向均為固定鉸支座。

(3)左右兩側(cè)面邊界條件。本模型的兩側(cè)邊界條件均為實(shí)體巖體，簡(jiǎn)化為位移邊界條件，x和y方向?yàn)楣潭ㄣq支座，在z方向可以運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)八采區(qū)補(bǔ)勘取樣進(jìn)行的室內(nèi)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試報(bào)告結(jié)果分析，計(jì)算采用的各巖土層力學(xué)參數(shù)見表2。

圖2 模型初始條件和邊界條件示意圖

表2 數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)一覽表

初始網(wǎng)格劃分及豎直應(yīng)力分布模型如圖3所示。為提高計(jì)算精度，采用任意四邊形單元，且對(duì)開采周圍單元進(jìn)行了加密，共劃分2350個(gè)單元，4896個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)建立的幾何模型，結(jié)合頂?shù)装鍘r層的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)，通過(guò)FLAC3D軟件分析開采3上煤層和3下煤層過(guò)程上覆巖土體應(yīng)力的變化特征。

圖3 初始網(wǎng)格劃分及豎直應(yīng)力分布模型圖

3.2 模擬結(jié)果與分析

為了量化評(píng)價(jià)采動(dòng)應(yīng)力在頂板巖土體中的傳遞特征，在開切眼、模型中間和停采線的上方分別布設(shè)了3條監(jiān)測(cè)剖面線，如圖2所示。根據(jù)模型網(wǎng)格劃分所對(duì)應(yīng)的實(shí)際3上煤層頂板巖土體層位和高度關(guān)系，結(jié)合不同開采步距下應(yīng)力重分布云圖，可分別輸出每次開采后3個(gè)剖面對(duì)應(yīng)網(wǎng)格劃分區(qū)域內(nèi)的豎直應(yīng)力值，然后對(duì)應(yīng)模型高度計(jì)算出采動(dòng)產(chǎn)生的次生應(yīng)力與相應(yīng)位置處初始應(yīng)力的差值，然后和基巖高度對(duì)應(yīng)分析變化關(guān)系，如圖4所示。3個(gè)剖面均明顯反映出隨著基巖高度的增加，采動(dòng)次生豎直應(yīng)力增量均呈減小的變化趨勢(shì)，在巖層與土層分界線附近發(fā)生明顯拐點(diǎn)，反映了厚松散層底部土層對(duì)采動(dòng)應(yīng)力的傳播具有重要的抑制作用。

3個(gè)剖面反映的采動(dòng)影響程度和距離具有較大差異性。位于開切眼上方的豎直監(jiān)測(cè)剖面1受采動(dòng)影響最明顯，開采第一步后次生應(yīng)力就發(fā)生較大變化，隨著工作面逐漸遠(yuǎn)離該剖面，該位置上方應(yīng)力逐漸集中，采動(dòng)次生豎直應(yīng)力逐漸增加，前5次開采產(chǎn)生的采動(dòng)次生豎直應(yīng)力隨基巖高度變化趨勢(shì)基本一致，但最后一次可能由于開采范圍大引起了兩次應(yīng)力集中現(xiàn)象，開采完畢后達(dá)15 MPa，如圖4(a)所示；中間剖面不同基巖位置高度采動(dòng)次生豎直應(yīng)力分為明顯的兩個(gè)階段，剛開始開采20 m時(shí)對(duì)該剖面基本沒(méi)大影響，以工作面推進(jìn)到該剖面正下方為分界，之前該剖面上主要產(chǎn)生次生壓應(yīng)力，過(guò)了該剖面后上方巖土體中產(chǎn)生很大的次生拉應(yīng)力，如圖4(b)所示；豎直監(jiān)測(cè)剖面3位于停采線正上方，采動(dòng)次生豎直應(yīng)力增量的變化僅當(dāng)工作面推進(jìn)100 m以后才出現(xiàn)較明顯變化，如圖4(c)所示?？梢姡蓜?dòng)應(yīng)力的傳播范圍是有限的，但由于模型的對(duì)稱性，開挖120 m后采動(dòng)次生豎直應(yīng)力增量在剖面1和剖面3上變化特征是完全一致的。

圖4 3上煤層開采上覆巖土體3個(gè)典型位置剖面采動(dòng)應(yīng)力變化特征

4 結(jié)論

(1)結(jié)合補(bǔ)勘資料，系統(tǒng)分析了研究區(qū)開采煤層上覆巖土體結(jié)構(gòu)特征及其富水性，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)底含和侏羅系砂巖含水層的富水性均為弱或非帶壓狀態(tài)。

(2)結(jié)合淺部地質(zhì)和開采條件，以首采面為背景，進(jìn)行了厚松散層薄基巖巖土體層組的劃分，建立了基巖柱高度為30 m的工程地質(zhì)模型，布置了典型監(jiān)測(cè)斷面。

(3)3處不同位置監(jiān)測(cè)剖面均綜合反映出采動(dòng)應(yīng)力在上覆巖土體中的傳遞呈逐漸變小的趨勢(shì)，在巖土層分界線附近變化差異性明顯，松散層底部黏土層對(duì)采動(dòng)應(yīng)力的傳播起到了明顯的緩沖和抑制作用。