厚冲积层矿区导水裂缝带高度发育规律*

方良成，薛 博，2，徐燕飞，2

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232001；2.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

导水裂缝带是煤层采动导致覆岩垮落、断裂，诱发的具有导水性的沟通采空区与上覆含水层的导水通道，导水裂缝带波及到含水层时，对煤层开采具有一定的危险性。导水裂缝带高度的形成主要与开采厚度、开采尺寸、开采深度、覆岩岩性及结构特征等因素相关。确定覆岩导水裂缝带破坏高度的方法通常有经验公式、现场实测、实验室物理模拟及数值模拟等方法[1-13]。近年来，煤炭科学工作者对其研究已取得了丰硕成果。施龙青等[14]综合考虑开采影响和岩石力学性质等因素推导出了导水裂缝带理论计算公式；陈荣华等[15]运用岩石破断过程分析软件RFPA2D模拟上覆岩层的破坏、弯曲情况，最终得出覆岩导水裂缝带高度；赵明等[16]运用相似模拟方法模拟了工作面开采上限提高后的覆岩运移破坏规律及“两带”发育特征，并利用计算公式预测了“两带”高度；李佳等[17]通过UDEC数值模拟，对曙光煤矿1208工作面两带高度进行分析，确定了1208工作面垮落带高度为16 m，裂隙带高度为30 m。

基于FLAC3D软件建立三维数值模型，依据淮南矿区张集煤矿相关地质资料和岩体物理力学参数，对厚冲积层条件下覆岩破坏规律进行数值仿真模拟，研究淮南矿区厚冲积层下煤层覆岩破坏规律，为安全开采提供技术依据。

1 导水裂缝带高度发育规律数值模拟

1.1 研究区地质条件的特殊性

淮南煤田地处黄淮平原，全部被第四系覆盖，淮南矿区以淮河为界，分为老区和新区，两区煤系地层基本相似，可采煤层共9层，平均可采总厚24.11 m，均为多煤层重复开采。两区最主要的差异在于第四系冲积层厚度，北区冲积层厚度为120～500 m，而南区只有20～40 m。大量数据表明，当有巨厚冲积层存在时，开采引起的地表移动变形规律与常规开采条件(无冲积层或冲积层较薄)存在较大的不同。

1.2 数值模型建立

1.2.1 数值模型建立

FLAC3D软件采用塑性本构模型可显示符合屈服准则的区域，根据塑性区确定破坏区域范围[18]。数值模型如图1所示，模型尺寸为800 m×300 m×450 m，模拟3层开采煤层，煤层为近水平，开采厚度为5 m，煤层埋深自上而下分别为360 m、400 m和430 m。松散层厚度为150 m，松散层厚度通过在基岩层上方施加等效载荷代替。

图1 多煤层开采数值模型

1.2.2 开采方案设计

先开采上部煤层1，煤厚5 m，分析对比开采50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m、350 m、400 m时覆岩应力分布、塑性破坏区、竖直方向位移变化规律。煤层1开采结束后，开采下伏煤层2，煤厚5 m，与上部煤层1的层间距为35 m和70 m这2种，分步开采煤层2，研究当下伏煤层2采空区垮落带触及上部采空区条件下，重复采动覆岩移动及导水裂缝带发育规律。最后开采下伏煤层3，煤层3与上覆煤层2层间距25 m，研究分析二次重复采动导水裂缝带高度发育规律。

1.2.3 模型边界条件及岩石参数

固定开采模型的前、后、左、右边界位置，即X、Y方向上水平位移为零。固定开采模型的底部边界位置，即Z=0的位置水平、垂直方向上位移均为零；模型顶端施加等效重力载荷。岩石物理力学参数见表1。

表1 岩石物理力学参数

2 数值模拟结果及规律分析

2.1 第1层煤层开采导水裂缝带发育规律

从图2(a)、(b)可看出，煤层1回采100 m时，模拟结果显示切眼处的支承压力最大值约为13.7 MPa，导水裂缝带发育高度60.2 m，此时采空区上方直接顶处多发育为剪切破坏，由于采空区底板卸压，底板出现较小的拉伸破坏区，采空区上方塑性破坏范围成“马鞍状”分布状态。

从图2(c)、(d)可看出，当回采至200 m时，采空区中部首次出现压实应力聚集区，最大压实应力约为2.5 MPa，导水裂缝带发育高度为84.6 m，由于应力压实区的出现，卸压区域的形态发育为近平顶拱形。

从图2(e)、(f)可看出，当回采至400 m时，最大压实应力为15.8 MPa。导水裂缝带发育高度稳定为116.3 m，裂采比约为23.3，此时采场上方导水裂缝带发育范围由“马鞍状”逐渐变为“台字形”分布形态。煤层1开采导水裂缝带高度发育规律如图3所示。

图2 煤层1开采竖直方向应力分布及导水裂缝带发育高度

图3 煤层1开采导水裂缝带高度发育规律

2.2 第2层煤层开采(一次重复采动)导水裂缝带发育规律

2.2.1 煤层间距确定

为深入研究多煤层重复采动条件下上覆岩层导水裂缝带高度发育规律，煤层1初采完毕后，继续开采下伏煤层2，模拟研究重复采动对岩层应力分布、塑性破坏发育规律的影响，通过采后顶板塑性破坏区域变化的情况和分布规律进行对比分析，探究多煤层重复采动条件下导水裂缝带的发育规律。重复开采近距离煤层时，下伏煤层与上部采空区的距离将很大程度上影响导水裂缝带发育的最终高度，故设计煤层间距35 m和70 m这2种工况，研究对比下部煤层垮落带触及上部采空区与未触及上部采空区2种情况下重复采动导水裂缝带高度发育规律。在上部煤层1开挖完毕的基础上，将煤层1、2之间间距调整为70 m，开采下部煤层2，煤层2的采厚仍为5 m，对比分析在下部煤层2垮落带未触及上部煤层1采空区时重复采动导水裂缝带高度发育规律。

2.2.2 结果分析

当煤层间距为35 m时，煤层2垮落带的范围已触及到煤层1采空区，相互重叠使上覆岩层剪切、拉伸破坏发育更明显，从而使得导水裂缝带发育更高，煤层2回采完毕后，导水裂缝带最终高度为139.2 m，相比煤层1回采完毕后增加了22.9 m。如图4、5所示。

图4 煤层2开采竖直方向应力分布及导水裂缝带发育高度(煤层间距35 m时重复采动)

图5 重复采动裂隙带高度(煤层间距35 m)

当煤层间距为70 m时，煤层2垮落带的范围尚未触及煤层1采空区，重复采动对煤层1采空区上方二次扰动较小，导水裂缝带增加的值较小，煤层2开采完毕后，导水裂缝带最终发育高度124.8 m，相比煤层1开采完毕后增加了8.2 m，增长率为1/14，明显小于煤层间距为35 m时导水裂缝带增加的高度，如图6所示。重复采动导水裂缝带高度发育规律如图7所示。

图6 重复采动裂隙带高度(煤层间距70 m)

图7 重复采动导水裂缝带高度发育规律

2.3 第3层煤层开采(二次重复采动)导水裂缝带发育规律

2.3.1 采后结果

为了进一步研究多煤层重复导水裂缝带发育的规律，在煤层间距为35 m一次重复采动的基础上进行二次重复采动，开采下伏煤层3，煤层2、3的间距为25 m，煤层3煤厚5 m。采后结果如图8所示。

图8 二次重复采动导水裂缝带发育高度

2.3.2 结果分析

二次重复采动煤层3开采到200 m前，煤层1、煤层2导水裂缝带高度变化较小；大于200 m后，煤层1、煤层2导水裂缝带高度稍微增加，增加量约10%。煤层3开采后，对上覆煤层1和煤层2导水裂缝带高度整体产生影响，但影响有限。其机理为：对于煤层1的覆岩来说，在煤层3开采影响之前，已经受到2次采动破坏(煤层1和煤层2开采影响)，覆岩岩性相当于变软(类似于软弱岩层)，当煤层3开采时，煤层1覆岩会整体弯曲下沉，导水裂缝带高度增加量较小。对于煤层2覆岩来说，其已经遭受到一次破坏，在受到煤层3开采时导水裂缝带高度增加量会比煤层1大。二次重复采动时(煤层3开采)，对于煤层3覆岩导水裂缝带高度已经扰动到煤层2的覆岩破坏带，因此，对煤层2覆岩导水裂缝带高度的影响比对煤层1的影响要大。但二次重复采动后，覆岩导水裂缝带综合高度增加量有限。初次、一次及二次重复采动导水裂缝带高度发育规律对比，如图9所示。

图9 采动导水裂缝带高度发育规律对比

3 结论

(1)基于FLAC3D软件对淮南矿区特有的厚冲积层条件下重复采动导水裂缝带高度发育规律进行了研究，数值模拟结果可为安全开采提供技术依据。

(2)基于淮南张集煤矿地质采矿条件，建立数值模型，模拟分析了初采过程中覆岩应力动态发育规律及导水裂缝带发育规律。模拟结果显示：导水裂缝带高度变化随覆岩支撑压力变化大致可划分为快速增加、缓慢增加、趋于稳定3个阶段。初采完毕后，导水裂缝带高度为116.3 m，裂采比约为23.3，导水裂缝带整体形态由“马鞍形”逐渐发育为“台”字形。

(3)在初采基础上进行一次重复采动，模拟结果显示：当下伏煤层垮落带高度触及上部采空区时(间距35 m)，导水裂缝带高度增加值约为22.9 m，导水裂缝带高度增长率约为1/5；当下伏煤层垮落带高度未触及上部采空区时(间距70 m)，导水裂缝带高度增加值约为8.2 m，导水裂缝带高度增长率约为1/14。说明当下部采空区垮落带触及上部采空区时，对导水裂缝带高度影响程度明显大于后者。

(4)在一次重复采动的基础上进行二次重复采动，二次重复开采完毕后导水裂缝带最终发育高度为152.8 m，相比一次重复采动后增加了13.6 m，导水裂缝带高度增长率约为1/10。综合分析3层煤重复采动后导水裂缝带高度整体发育规律，得到结论：初次采动时，在煤层开采前期导水裂缝带高度增加较快，后期逐渐趋于稳定；重复采动时，开采初期对导水裂缝带高度整体的影响较小，重复采动后期对导水裂缝带高度发育影响较为明显；二次重复采动对导水裂缝带高度发育的影响明显小于一次重复采动；重复采动使得综合导水裂缝带高度裂采比减小，对导水裂缝带高度发育起到了一定的抑制作用。