吳文曉

（晉能控股集團(tuán)朔州煤電公司，山西 朔州 038300）

引言

朔州煤礦屬于寧武煤田是跨平魯、朔城區(qū)的大型煤礦，含煤地層為石炭-二疊紀(jì)及侏羅系。賦存的地層有奧陶紀(jì)、石炭系、二疊系，地形北翼比南翼更陡，傾角分別約為30°～60°和15°～30°。由于地殼運(yùn)動(dòng)的影響，產(chǎn)生了F1 和FA 斷層在北部煤田，從而破壞向斜的完整性。地殼運(yùn)動(dòng)的影響也可能導(dǎo)致了北翼部分或全部煤巖的缺失。寧武煤田煤層賦存三層，即“采煤層”和A 煤層、B 煤層。主層為“采煤層”，是一種罕見的單層特厚煤層。最大厚度130 m，最小厚度8 m，平均厚度50 m，最大埋深1 300 m，目前煤田礦區(qū)已采用綜采放頂煤開采方法。關(guān)于導(dǎo)水裂隙帶高度研究文獻(xiàn)[1]采用現(xiàn)場觀測法以某礦工作面為例闡述測量導(dǎo)水裂隙帶高度的流程。文獻(xiàn)[2]確定了深埋近露頭煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和分布形態(tài)，為煤層露頭防水煤柱留設(shè)提供了直接依據(jù)。文獻(xiàn)[3]采用井下打仰上孔測漏水量方法,經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)和數(shù)值模擬方法,開展了上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度的研究工作。文獻(xiàn)[4]分析了導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式來源背景,闡明了單因素計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度的經(jīng)驗(yàn)公式不合理性及其應(yīng)用的局限性,推導(dǎo)出了考慮開采厚度、開采深度、工作面跨度、巖石的力學(xué)性質(zhì)、巖層的組合特征、含水層水壓等因素的導(dǎo)水裂隙帶理論計(jì)算公式。文獻(xiàn)[5]采用BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,提取8 個(gè)預(yù)測指標(biāo)探討研究了頂板導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測方法。本文從特厚煤層綜放開采中導(dǎo)水裂隙帶高度這個(gè)方向進(jìn)行研究。

1 綜放開采導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)值模擬分析

1.1 模型控制范圍的設(shè)計(jì)

圖1 為礦區(qū)5200e 斷面工程地質(zhì)及分布情況。采用Druck-Prager 彈塑性屈服準(zhǔn)則對模型進(jìn)行分析，5200e 截面以中心出現(xiàn)，向南北兩側(cè)分別擴(kuò)展500 m。其長3 000 m，高1 275 m，沿深度模型幾何尺寸為3 000 m×1 000 m×1 275 m。數(shù)值模型分為12 024 個(gè)單元和51 165 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模擬挖掘有4 個(gè)步驟。寧武煤田為緩傾斜厚煤層，采取開采方向?yàn)槟媳毕蛲七M(jìn)。南部礦區(qū)自20 世紀(jì)50 年代以來就沒有使用過，其余大部分地區(qū)采用長壁采礦法。由于生產(chǎn)時(shí)間的近似連續(xù)性，新老礦區(qū)現(xiàn)在相鄰，因此，老礦區(qū)上覆巖層平衡狀態(tài)受到新礦區(qū)的影響，產(chǎn)生疊加效應(yīng)。另一方面，老礦區(qū)的活化作用于新礦區(qū)，構(gòu)成一個(gè)“鏈?zhǔn)健毕到y(tǒng)和動(dòng)態(tài)變化過程,上覆巖體的移動(dòng)變形機(jī)制沒有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)。為了使模擬結(jié)果更加真實(shí)，本文模擬了一個(gè)實(shí)際的采礦順序和過程，并將模擬結(jié)果與工程地質(zhì)特征數(shù)據(jù)相結(jié)合。

圖1 地層和地質(zhì)構(gòu)造圖

1.2 5200e 斷面數(shù)值模擬結(jié)果與分析

從數(shù)值模擬中可以得出一些規(guī)律（見第117 頁圖2～圖5）。

圖2 開采第4 步Y(jié) 方向應(yīng)力分布等高線圖

圖3 開采第4 步X 方向主應(yīng)力矢量分布

1）隨著采礦空間的不斷增大，斷面移動(dòng)和破壞的范圍也在增大，這與理論計(jì)算的結(jié)果基本相同。

2）模擬結(jié)果表明，新開挖對老礦的移動(dòng)盆地有影響，即第二步開挖對第一步開挖引起的移動(dòng)和破壞區(qū)有擾動(dòng)和破壞作用。這也體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是擾動(dòng)區(qū)域的重疊對原平衡體的破壞作用。后續(xù)開挖會(huì)干擾或破壞前期開挖的應(yīng)力狀態(tài)，從而破壞前期開挖的平衡；二是原有破壞區(qū)域和活動(dòng)范圍增大，主要是由于后續(xù)開挖對原有開挖平衡體的擾動(dòng)所致。之前的移動(dòng)區(qū)域繼續(xù)移動(dòng)，直到新的平衡出現(xiàn)。

分析應(yīng)力場的動(dòng)態(tài)演化更容易理解，因?yàn)殡S后的擾動(dòng)作用改變了原應(yīng)力場的分布。假設(shè)原始巖石應(yīng)力狀態(tài)為{σ0}，然后第一次開采引起的應(yīng)力變化為{ΔσL}，當(dāng)巖體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力狀態(tài){σ1}={σ0}+{ΔσL}，如果第二次開采引起的應(yīng)力變化為{ΔσD1}，由于雙重開采影響域的重疊部分，則巖體應(yīng)力場[5]為{σ2}={σ1}+{ΔσD1}。如果按不同的開采時(shí)間劃分應(yīng)力變化，則開采引起的應(yīng)力變化為 {ΔσD2}，{ΔσD3}…{ΔσDi-1}。巖體應(yīng)力場狀態(tài)為{σ3}={σ2}+{ΔσD2}，{σ4}={σ3}+{ΔσD3}…{σi}={σi-1}+{ΔσDi-1}，從而構(gòu)成一個(gè)連續(xù)動(dòng)態(tài)疊加系統(tǒng)，應(yīng)力變化所產(chǎn)生的每一步開采{ΔσDi}影響先前的應(yīng)力場{Δσi}，從而構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程。

3）表1 中破壞高度與開采厚度的比值變化平均

表1 對比5200e 斷面破壞高度與采厚的關(guān)系

值為6.2。破壞高度與開采厚度的對比表明，隨著開采步驟的增加，破壞高度與開采厚度的比值略有增大。這是因?yàn)楹罄m(xù)的采礦活動(dòng)對以前的礦區(qū)具有破壞性影響，這是符合實(shí)際損害規(guī)律的。

4）上覆巖體的破壞高度隨開挖體積或開采強(qiáng)度的增大而增大。

5）采深增加有正、負(fù)接觸應(yīng)力向下，即離層位置逐漸向下，但是，如果把整個(gè)挖掘過程結(jié)合起來，可能會(huì)留下幾個(gè)分離區(qū)域。表2 模擬結(jié)果顯示，第1、2、3、4 步開挖離層距離地表分別為120 m～200 m、320 m～515 m、520 m 和500 m～580 m。具體位置如圖4、圖5所示。其中，距地表距離最短為120 m。通過鉆孔調(diào)查發(fā)現(xiàn)，離層位于地下130 m 處，與模擬結(jié)果基本一致。

表2 開挖步長與橫坐標(biāo)層離地表高度的關(guān)系

圖4 開挖后上覆巖體破壞高度分區(qū)圖

圖5 開挖后上覆巖體沿深度的應(yīng)力分布

2 結(jié)論

特厚煤層垮落條件下導(dǎo)水裂隙帶高度及上覆巖體破壞性質(zhì)難以確定。本文以寧武煤礦為例，應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究了分層崩落法導(dǎo)水裂隙帶的分布規(guī)律。通過與實(shí)際鉆井觀測數(shù)據(jù)的對比分析發(fā)現(xiàn)，其結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本一致。因此，數(shù)值模擬方法可用于確定危險(xiǎn)區(qū)，保證礦山安全開采。