闞雪冬

（焦作煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 焦作 454002）

0 引 言

我國(guó)厚松散層礦區(qū)分布廣泛，包括華東、華中、華北等地區(qū)的兗州、濟(jì)寧、兩淮、焦作、峰峰、開灤等礦區(qū)[1-3]?！皟蓭А保迓鋷Ш蛯?dǎo)水裂縫帶） 高度是水體下采煤安全煤巖柱留設(shè)的重要參數(shù)之一，研究松散層載荷作用下的“兩帶”發(fā)育高度對(duì)我國(guó)諸多大水礦區(qū)具有重要意義。我國(guó)第三系、第四系松散層一般由未膠結(jié)的粘土、沙土或礫石組成，具有強(qiáng)塑性特征。工程研究發(fā)現(xiàn)，一般條件下松散層在采動(dòng)沉降過(guò)程中不能形成類似巖層砌體梁一樣的結(jié)構(gòu)，可作為均布載荷作用于基巖之上，不同厚度松散層下的“兩帶”高度有一定的差異性。對(duì)于“兩帶”發(fā)育高度，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了不少研究。張永剛等[4]利用數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比分析了厚松散層薄基巖下重復(fù)采動(dòng)下的“兩帶”破斷高度，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果小于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值；唐世界等[5]結(jié)合趙固一礦具體條件，用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法分析了厚松散層薄基巖上分層開采覆巖移動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而確定了上分層開采防水安全煤巖柱尺寸及合理安全開采厚度；吳云等[6]利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法研究了薄基巖頂分層開采“兩帶”發(fā)育高度，并用數(shù)據(jù)分析進(jìn)行驗(yàn)證；董檢平等[7]采用地面鉆孔觀測(cè)法以及數(shù)值模擬，對(duì)厚松散層綜放開采覆巖破壞高度發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果相近，且發(fā)育高度隨采高增大而增大；張安斌等[8]針對(duì)巨厚松散層下“兩帶”高度的研究，采用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)、物理相似模擬試驗(yàn)和UDEC 數(shù)值模擬分析3 種方法進(jìn)行了綜合探究，研究結(jié)果表明物理相似模擬和UDEC 數(shù)值模擬能夠反演上覆巖層垮落過(guò)程，且與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的“兩帶”高度結(jié)果具有一致性；張文藝等[9]利用物探的手段對(duì)巨厚松散層下“兩帶”高度進(jìn)行了探究；張彬等[10]利用離散元數(shù)值分析方法研究了松散含水層“兩帶”高度，驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的正確性。以上成果對(duì)覆巖破壞規(guī)律研究起到了推動(dòng)作用，但大部分研究為個(gè)例研究，主要分析覆巖結(jié)構(gòu)或開采方法對(duì)“兩帶”高度影響，沒有研究不同厚度松散層的載荷對(duì)“兩帶”發(fā)育高度的影響。

趙固二礦井田內(nèi)為賦存巨厚的第四系松散層，不同松散層厚度的多個(gè)工作面開采“兩帶”發(fā)育高度實(shí)測(cè)結(jié)果規(guī)律不一，為深入研究深厚松散層對(duì)“兩帶”發(fā)育高度的影響規(guī)律，本文以趙固二礦的地質(zhì)條件為工程背景，將松散層視為均布載荷，利用數(shù)值模擬和理論計(jì)算分析載荷作用下的“兩帶”發(fā)育高度。研究成果為含水松散層下合理煤巖柱的留設(shè)及壓架突水災(zāi)害的防治提供參考[11]。

1 概 況

趙固二礦開采二1 煤層，煤層厚度4.73～6.77 m，平均6.16 m，煤層厚度主要集中在6.00～6.50 m。二1 煤層厚度大，變化小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，煤質(zhì)變化較小，煤類單一，層位穩(wěn)定，全區(qū)可采，屬穩(wěn)定型厚煤層。采用綜合機(jī)械化開采，采空區(qū)頂板采用全部垮落方法處理。煤層頂板以泥巖為主，其次為中、細(xì)砂巖。底板以泥巖為主，占72%，次為粉、細(xì)砂巖，占17%。趙固二礦井田范圍內(nèi)無(wú)基巖出露，均為巨厚松散層覆蓋。松散層主要由粘土、砂質(zhì)粘土、礫石、粘土夾礫石及細(xì)砂構(gòu)成，厚度524.69～703.48 m，厚度差為178.37 m，厚度變化主要受古地形控制。當(dāng)松散層厚度變化時(shí)，就可能引起“兩帶”高度變化，從而引起導(dǎo)水裂縫帶發(fā)展至松散層含水層中，最終導(dǎo)致透水事故的發(fā)生。因此研究松散層載荷對(duì)“兩帶”發(fā)育高度的影響具有一定的防治水意義。

2 載荷作用下的覆巖破壞數(shù)值模擬分析

2.1 模擬方案

基于FLAC3D 建模原理[12]，利用FLAC3D 軟件建立“頂板-煤層-底板”模型，依據(jù)鉆孔柱狀圖和實(shí)際地質(zhì)狀況對(duì)模型劃分不同性質(zhì)的煤巖層并賦值相關(guān)參數(shù)，巖層性質(zhì)及參數(shù)見表1。松散層容重為2 g/cm3，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知松散層對(duì)基巖載荷為0.02 MPa/m，以100 m 厚的松散層為例，載荷為2 MPa，依此對(duì)模型上邊界施加不同的載荷（表2）用于模擬不同厚度的松散層，然后運(yùn)算模擬初始平衡狀態(tài)。接著對(duì)煤層進(jìn)行開挖操作，可模擬煤層開挖后的上覆巖層破斷情況。

表1 巖層性質(zhì)Table 1 Properties of rock formation

表2 施加載荷方案Table 2 Load application scheme

在模擬后的塑性破斷圖上可以測(cè)出垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的高度。

2.2 建立模型

根據(jù)6 采區(qū)現(xiàn)場(chǎng)工作面具體條件簡(jiǎn)化并建立數(shù)值模型，將開采煤層視為水平煤層建立模型，如圖1（a） 所示，尺寸為600 m×400 m×302 m。模型上部250 m 為頂板及上覆巖層，中部2 m 為煤層，下部50 m 為底板巖層。設(shè)置邊界條件如圖1（b）所示，由于頂板巖層采動(dòng)變形大，將上邊界設(shè)定為自由位移邊界并施加載荷，模型下部為底板，簡(jiǎn)化為位移邊界條件，水平方向無(wú)位移約束，垂直方向?yàn)楣潭ㄣq支座，即垂直位移為0，模型兩側(cè)為實(shí)體煤巖體，同樣簡(jiǎn)化為位移邊界條件，水平方向?yàn)楣潭ㄣq支座，即水平位移為0，豎直方向無(wú)位移約束。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

2.3 “兩帶”高度特征及結(jié)果

按照表2 方案對(duì)模型上部邊界施加均布載荷，并在煤層中開挖200 m 長(zhǎng)的工作面，兩邊各留200 m 寬的煤柱以減小邊界效應(yīng)。

開采完畢后，根據(jù)礦山壓力理論，頂?shù)装鍘r層內(nèi)部應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力進(jìn)行了重新分布，處于煤壁與采空區(qū)附近區(qū)域內(nèi)頂板巖層應(yīng)力集中，且變化強(qiáng)烈，易遭受破壞而形成破壞帶[13-16]。

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬，不同載荷條件下的覆巖塑性破壞云圖如圖2 所示。根據(jù)模擬塑性破壞結(jié)果可知，上覆巖層拉伸破壞時(shí)形成垮落帶，剪切破壞時(shí)形成導(dǎo)水裂縫帶。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果Fig.2 Numerical simulation results

根據(jù)模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)“兩帶”高度的一般特征：導(dǎo)水裂縫帶高度隨著載荷的增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。經(jīng)分析測(cè)量可得各個(gè)載荷下的“兩帶”高度，見表3。

表3 不同載荷下的“兩帶”高度Table 3 Hight of"two zones"under different load

載荷為0 時(shí)，垮采比為12.5，裂采比為42.5；載荷為2 MPa 時(shí)，垮采比為13，裂采比為86.5；載荷為4 MPa 時(shí)，垮采比為13，裂采比為116.5；載荷為6 MPa 時(shí)，垮采比為13.5，裂采比為>125。隨著載荷的增大，垮落帶高度略微增加，基本保持不變。分析其原因?yàn)轫敯蹇迓溥^(guò)程主要是受拉破壞，與巖體自身抗拉強(qiáng)度有關(guān)，而載荷增加的是下壓力，因此垮落帶高度變化不大。隨著載荷的增大，導(dǎo)水裂縫帶高度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，分析其原因?yàn)檩d荷增大引起上覆巖層的剪切力（垂向應(yīng)力） 增大，并逐漸超過(guò)其抗剪強(qiáng)度，造成導(dǎo)水裂縫帶向上發(fā)育?？梢钥吹?，當(dāng)載荷增大到6 MPa 時(shí)，裂隙已發(fā)育至松散層中，可能突破其含水層，導(dǎo)致事故的發(fā)生。

3 載荷對(duì)“兩帶”發(fā)育高度的影響規(guī)律

3.1 “兩帶”高度理論計(jì)算

考慮到趙固二礦上覆巖層主要為泥巖和砂巖，屬于中硬巖層，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[17]中“兩帶”計(jì)算公式：

式中：∑M為累計(jì)采厚，公式應(yīng)用范圍為單層采厚1 ~ 3.5 m，累計(jì)采厚不超過(guò)15 m；計(jì)算公式中“±”號(hào)項(xiàng)為中誤差。

將采厚∑M=2 m 代入式（1） 和式（2），計(jì)算得垮落帶高度HK=4.8～9.2 m，導(dǎo)水裂縫帶高度Hli=21.4～32.6 m。垮采比為2.2～4.6，裂采比為10.7～16.3。

3.2 理論分析

對(duì)比理論計(jì)算和數(shù)值模擬“兩帶”高度結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，二者結(jié)果相差較大。其中數(shù)值模擬結(jié)果偏大，理論計(jì)算結(jié)果偏小。分析其原因主要為：①經(jīng)驗(yàn)公式僅考慮采厚和煤巖性質(zhì)作為變量，并未考慮其他因素（如埋深） 對(duì)“兩帶”高度的影響，因此計(jì)算具有一定的局限性；②數(shù)值模擬僅考慮松散層載荷作為變量，模擬結(jié)果只與載荷大小相關(guān)。

根據(jù)不同載荷下的“兩帶”高度數(shù)值模擬結(jié)果，制成“兩帶”高度隨載荷增大而變化的趨勢(shì)曲線，如圖3 所示?？梢钥闯鲭S著載荷增加，垮落帶高度基本不變，導(dǎo)水裂縫帶高度逐漸增大，且變化率逐漸降低。

圖3 “兩帶”高度趨勢(shì)Fig.3 Height trend of"two zones"

4 結(jié) 論

（1） “兩帶”高度數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相差較大，尤其是導(dǎo)水裂縫帶高度，數(shù)值模擬結(jié)果遠(yuǎn)高于理論計(jì)算值。

（2） 數(shù)值模擬結(jié)果顯示不同的載荷對(duì)“兩帶”發(fā)育高度有一定的影響。隨著載荷的增大，垮落帶高度略微變化，基本保持不變，導(dǎo)水裂縫帶高度逐漸增大。頂板垮落主要是受拉破壞引起的，與自身抗拉強(qiáng)度有關(guān)，因此垮落帶高度變化不大。載荷作用使得基巖內(nèi)采動(dòng)應(yīng)力（尤其是垂向應(yīng)力） 增大，裂隙發(fā)育，造成導(dǎo)水裂縫帶高度增大。