解慶典，穆 馳

(1.徐州礦務(wù)集團孟巴項目部，江蘇 徐州 221116；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

孟加拉國巴拉普庫利亞煤礦(以下簡稱“孟巴礦”)是中國在孟加拉國承包的第一座煤礦，也是目前唯一的地下開采煤礦。礦井生產(chǎn)能力為1.0 Mt/a，采用豎井單水平下山開采。地表附近有新近系Upper DupiTila組(UDT)承壓含水層砂層，被稱為孟加拉國地下水庫。孟巴礦煤層開采一旦破壞主要隔水層，古近系Lower DupiTila組(簡稱LDT)將與UDT含水層相連，由此造成的水損害對該礦是致命的[1]。因此，開展覆巖破壞機理研究，保護LDT隔水層的完整性，提高UDT強含水層下安全開采的可靠性，降低巖爆威脅，已成為孟巴礦安全生產(chǎn)亟待解決的科學(xué)問題。

國內(nèi)外許多學(xué)者對水體下覆巖開采的運動與破壞規(guī)律進行了大量的研究。英國、美國、波蘭等國也對地表水(河流、湖泊)和松散含水層下采煤進行了大量試驗研究，并采用經(jīng)驗方法對安全防水煤巖柱作出了相應(yīng)規(guī)定。其中，BOOTH等[25]先后通過各自的研究確認(rèn)了中間隔水巖組的重要性，確認(rèn)了在水體下開采的中間隔水巖組的存在，避免了水體與地下高滲透采空區(qū)的直接連通；學(xué)者ASTON[6]指出，采空區(qū)周圍崩落帶和下部斷裂帶地層以及煤柱上方地層水力參數(shù)的復(fù)雜變化是含水層與采空區(qū)連通的重要原因。

我國學(xué)者對煤礦災(zāi)害進行了大量的研究，并取得了一定的成果。在頂板水害防治方面，王雙明等[7]提出了限制開采高度的方法，實現(xiàn)了保水開采。當(dāng)煤層上覆的隔水巖組厚度大于開采高度的33～35倍時，煤層開采不會破壞隔水層；黃炳香和柴敬等[89]分別采用流固耦合相似材料實驗和光纖光柵技術(shù)計算導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?，確定采場隔水關(guān)鍵層的穩(wěn)定性；黃慶享等[10]根據(jù)陜北淺埋煤層含水賦存條件，揭示了淺埋煤層隔水巖層“上向裂隙”和“下向裂隙”的發(fā)育規(guī)律。在巖爆的形成機理和防治方面，謝和平等[11]首次將分形理論引入到巖石力學(xué)分析中，提出巖爆中的振動分布具有分形特征；竇林名等[12]認(rèn)為，巖爆的發(fā)生必須滿足強度條件、能量條件和沖擊傾向條件，并提出了巖爆動靜載荷疊加的沖擊誘發(fā)機理。潘一山等[1315]結(jié)合理論分析和數(shù)學(xué)模型研究了巖爆的物理過程，提出了巖爆的發(fā)生階段，形成了巖爆的判斷依據(jù)。

孟巴礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，災(zāi)害多，開采難度大，嚴(yán)重制約了孟巴礦的安全開采。因此，提高礦山覆巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保護UDT含水層不滲漏，對孟巴礦的安全經(jīng)濟開采具有重要意義。為此，針對孟巴礦特殊的地質(zhì)開采條件，探究厚煤層分層開采覆巖破壞機理，以期為孟巴礦安全開采提供技術(shù)支持。

1 孟巴礦地質(zhì)條件綜合分析

1.1 礦井地層構(gòu)造

孟巴礦煤系地層位于太古界閃長巖基底上，屬于不整合地層。根據(jù)揭露地層，可確定礦田地層自上而下為新生代第四系沖積層Madhupur黏土層和新生代松散層、古生代石炭-二疊系含煤地層、砂巖和冰磧的復(fù)合基底，礦井綜合柱狀如圖1所示。孟巴礦位于典型的岡瓦納大陸地層結(jié)構(gòu)中，對煤礦開采具有一定的特殊性。由于成巖作用差，巖層整體巖性強度低，孔隙度大，含水量高，缺乏中生代地質(zhì)沉積痕跡，因此能在地層中發(fā)揮有效隔水能力的巖層很少。

圖1 孟巴礦綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of Mengba Mine

孟巴礦覆巖巖體的物理力學(xué)性質(zhì)與覆巖結(jié)構(gòu)特征、覆巖破壞及開采引起的應(yīng)力變形密切相關(guān)。它不僅是厚松散承壓含水層下開采覆巖破壞工程地質(zhì)評價的重要指標(biāo)，也是煤礦開采覆巖移動破壞的重要依據(jù)。

通過補充勘探鉆孔提取礦層的巖芯。上第三系UDT地層主要為松散構(gòu)造，導(dǎo)致在鉆井時無法取芯；古近系LDT組主要由鋁黏土和砂質(zhì)黏土組成。天然狀態(tài)下的平均抗壓強度為1.8 MPa，整體強度相對較軟。通過測試，古近系LDT組的鋁黏土總量占73%。岡瓦納組頂部的風(fēng)氧化帶主要由中粒砂巖組成。天然狀態(tài)下的平均抗壓強度為5.49 MPa，整體強度相對較軟。

1.2 礦井水文地質(zhì)條件

礦井主要含水層為新近系松散含水層(UDT)、基巖風(fēng)化帶含水層和岡瓦納巖層裂隙含水層。大氣降水滲入地表，補充松散含水層。松散含水層(UDT)通過LDT缺失區(qū)域直接補充煤系地層。孟巴礦含微承壓潛水的新近系松散含水層(UDT)、基巖承壓含水層和高密度張力斷裂帶。礦井水文地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 礦井水文地質(zhì)剖面Fig.2 Section of mine hydrogeological

孟巴礦水文地質(zhì)類型為較復(fù)雜，屬大水礦井。影響礦山開采的含水層主要為新近系松散含水層(UDT)、古近系岡瓦納組風(fēng)氧化帶底部隔水層(LDT)、岡瓦納煤系地層基巖含水層。根據(jù)含水層的位置和富水性，研究區(qū)含水層自上而下的賦存特征較為明顯。最上層為新近系上松散含水層(UDT)，屬于微承壓含水段，為研究區(qū)主要含水層；岡瓦納組風(fēng)氧化帶含水層，位于礦井相對隔水層LDT下方，該組厚度在區(qū)域內(nèi)分布不均，南部厚度較大；Ⅲ煤層以上煤層巖層含水層僅存在于盆地中部，含1～3號煤層，厚度分布不均勻；Ⅲ～Ⅳ煤層組間含水層巖性主要為灰白色中粗粒長石砂巖和含礫粗砂巖；Ⅳ～Ⅴ煤巖組間含水層主要為灰白色中粗粒長石砂巖和含礫粗砂巖，厚度24.3～30.0 m，平均厚度29.77 m；Ⅵ煤砂巖含水層，主要分布在該組地層研究區(qū)域，風(fēng)化間隙含水層、各向異性層位徑流和塊體非均質(zhì)性導(dǎo)致裂隙退化。

2 分層開采高度對覆巖破壞影響

在地下開采過程中，巖體的破壞范圍隨著開采范圍的擴大而增大。以孟巴礦地質(zhì)開采條件為研究對象，利用UDEC離散元數(shù)值計算軟件，揭示了孟巴礦不同開采高度關(guān)鍵層的破壞情況。在FLAC3D數(shù)值計算模擬的力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，增加了內(nèi)摩擦角、粘聚力、抗拉強度力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

采用UDEC 5.0數(shù)值模擬軟件，對Ⅵ煤不同開采厚度(3 m和5 m)的頂板和覆巖破壞特征進行計算分析，模型設(shè)計600 m×300 m(寬×高)，其中預(yù)留底板40 m。由于Ⅵ煤頂板具有完整性好、孔隙率高、脆性大的特點，塊體設(shè)置較小，塊體隨著遠離煤層逐漸變大，松散層的作用可視為重力作用下模型上施加的垂直應(yīng)力。模型左右兩側(cè)預(yù)留50 m煤柱，消除邊界效應(yīng)。Ⅵ煤布置4個工作面，模型左右邊界采用橫向約束，下邊界采用豎向約束，上邊界采用應(yīng)力約束，UDEC數(shù)值計算模型圖如圖3所示。

圖3 分層開采計算模型Fig.3 Layered mining calculation model

圖4(a)和(b)分別顯示了煤層開采高度為3 m時的覆蓋層破壞和垂直應(yīng)力演化規(guī)律。可見，4個工作面開采后63 m范圍內(nèi)，煤層堅硬厚頂板破壞較為明顯。頂板垂直應(yīng)力演化規(guī)律也可以間接反映覆巖破壞高度，如圖4(b)所示，圖中紅色為垂直應(yīng)力為0的區(qū)域，紅色部分最高點約為65 m，該數(shù)據(jù)與圖4(a)所示的63 m破壞高度非常一致。當(dāng)開采高度為3 m時，頂板破壞高度為64 m。此時，關(guān)鍵層不受開采影響，完整性良好，它可以起到承載表土的作用，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層不僅控制了覆巖移動變形，而且還限制了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

圖4 開采高度3 m時覆巖破壞規(guī)律Fig.4 The overlying rock failure law at a mining height of 3 m

圖5(a)和(b)分別顯示了煤層開采高度為5 m時的頂板破壞和垂直應(yīng)力演化規(guī)律。與3 m開采高度相比，5 m開采高度處巖石節(jié)理頂點高度為116 m；垂直應(yīng)力為0的區(qū)域的最高點達到119 m。如圖5(b)所示，此時，關(guān)鍵層被破壞，整個覆蓋層下移，覆蓋層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨韧辉?，Ⅵ煤頂板砂巖含水層和Ⅳ、Ⅴ煤之間含水層受到擾動，礦井涌水量可能顯著增加，由于礦井排水能力的限制，礦井安全生產(chǎn)受到威脅。

圖5 開采高度5 m時覆巖破壞規(guī)律Fig.5 The overlying rock failure law at a mining height of 5 m

3 分層開采覆巖破壞演化機理

3.1 覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律

孟巴礦厚煤層采用限高開采，控制覆巖破壞高度，實現(xiàn)基巖水逐級排泄，多次釋放頂板破斷能量。分層開采的關(guān)鍵技術(shù)是保證結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的穩(wěn)定性，避免厚硬頂板一次斷裂引起的巖爆災(zāi)害。根據(jù)文獻[16]，通過方程(1)計算結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層穩(wěn)定的充分必要條件。根據(jù)式(1)，在分層工作面開采高度小于5 m，工作面寬度小于150 m的條件下，可滿足分層開采后結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的穩(wěn)定性，實現(xiàn)Ⅵ煤頂板砂巖的分段破壞。

(1)

式中，l為關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的跨度，m；q為上覆巖層施加的載荷，N/m；h為結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的厚度，m；D為結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的抗彎剛度。

3.2 覆巖巖性演化機理

Ⅵ煤層頂板砂巖厚度大，完整性強，構(gòu)造關(guān)鍵層位于頂板巖層上部。在關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)下，覆蓋層僅在構(gòu)造關(guān)鍵層下部破碎，形成斷裂帶。一旦關(guān)鍵結(jié)構(gòu)層斷裂并失去穩(wěn)定性，覆蓋層的破壞高度將進入Ⅵ煤頂板上方。雖然Ⅴ煤至LDT煤頂板上方的巖層主要由砂巖組成，但該段砂巖的強度較低，遇水時強度大幅減小且脆弱，覆蓋層破壞裂縫較發(fā)育。在覆蓋層移動過程中，由于厚松散層的荷載作用，巖體進一步破碎弱化，覆蓋層綜合巖性由中硬變軟弱。分層開采地表移動變形規(guī)律如圖6所示。

圖6 分層開采地表移動變形規(guī)律Fig.6 The law of surface movement and deformation in layered minin

通過對工作面25號地表觀測線上測點沉降速度變化進行分析，可以得出,1208工作面地表沉降活躍期為162 d，最大沉降速度為28.7 mm/d；1308工作面地表沉降活躍期縮短為91 d，最大沉降速度為37.4 mm/d。沉降速度增大，這是覆巖結(jié)構(gòu)由構(gòu)造關(guān)鍵層向非構(gòu)造關(guān)鍵層演化后的結(jié)果，在地表松散層荷載作用下，工作面上覆巖層的綜合巖性由中硬向軟弱演化。

4 結(jié)論

(1)孟巴礦覆蓋層和地表沉降是分段的。覆巖結(jié)構(gòu)變形和地表沉降是關(guān)鍵層構(gòu)造斷裂失穩(wěn)前后變化的重要標(biāo)志。在關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)前，覆巖和地表的移動形式取決于關(guān)鍵層的變形量和破壞形式。關(guān)鍵層以上覆蓋層移動緩慢，持續(xù)時間長；關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)破壞后，覆巖和地表移動變形迅速而劇烈，主要是由于分層開采厚度和松散層受力程度的影響。

(2)孟巴礦地表變形盆地的移動范圍大于常規(guī)條件下的移動范圍，移動邊界張力帶伴有階梯狀交錯裂縫，臺階錯動裂隙的破壞程度主要取決于分層開采的厚度和分層布置。

(3)隨著UDT松散層對LDT隔水層的結(jié)合張力降低，地表沉降盆地拉伸區(qū)的破壞特征也會在LDT沉降盆地拉伸區(qū)出現(xiàn)向下的破壞裂縫。在UDT水壓侵蝕作用下，當(dāng)隔水層底板較薄時，LDT隔水層可能被破壞。因此，分層交錯布置對于UDT水體下的安全開采至關(guān)重要。