沙下大采高采煤导水裂隙带高度的确定

THE HIGH DETERMINATION OF CONDUCTIVE FRACTURE INDUCED
BY HIGH-FACE MINING UNDER DESERT
　　Wang Jingming　(Xian Brach,CCRI)
　　Ma Maosheng　Wang Yong　(Dongsheng Coal Mining Administration)

　　Abstract　According to hydrogeological condition analyses,non-tension strength model and its program are developed.The rock mechanical parameters are determined via rock mass rating method.The model and analyze method are put into use in Bulianta Coal Mine,Ordos Coal Basin.The calculating results are proven to be correct.
　　Keywords　coal mining;overlying strata;water conducted zone;non-tension strength model

1　引言

　　随着我国对西北地区开发力度的加大，沙下采煤将成为一种重要类型。因此研究沙下采煤造成的导水裂隙带高度对合理地留设防水煤岩柱，研究采煤引起的水文地质和环境地质效应具有一定的意义。
　　薄层长壁式采煤造成的导水裂隙带高度的确定已有多种方法，例如，经验公式法^［1］，物理模拟法^［2］和数值计算法^［3，4］。综放大采高长壁式采煤形成的导水裂隙带高度目前也在研究^［3］。数值法计算导水裂隙带高度时所采用的参数多以实验数据和反分析求出的参数为主，而对沙下浅井大采高长壁式开采造成的导水裂隙带高度的研究甚少。本文通过实际条件分析 ，建立了FCEP—2D不抗拉力学模型。在力学参数选取上采用RMR岩体分类法，并以鄂尔多斯煤田南部的补连塔为例进行了计算。生产验证此方法计算的结果是合理的。

2　沙下大采高采煤导水裂隙带高度确定的力学模型

2.1　本构方程
　　沙下浅井大采高采煤具有两个特点：一是上覆沙体强度很低，不抵抗变形；二是上覆基岩薄，变形大。覆岩的移动变形规律及应力调整变化机理不同于薄煤层或厚煤层分层开采。由于裂隙的存在，使得岩体的低抗拉性表现得尤为突出。上述两个特点使得覆岩形成不了压力拱，顶板垮落很快波及地表。因此在进行导水裂隙带的力学分析中，岩体的不抗拉性应是其核心内容。
　　顶板开采过程中的破坏，可视为岩体弹塑性非线性的表现形式—拉破坏^［5］。这种破坏情况下，应力—应变关系如图1所示。屈服准则可写成：
　　初次拉破坏前：　　　(1)
　　拉破坏后：　
式中　σ_i——主应力；
　　　σ_t——单向抗拉强度。
本构方程为：

式中　［Dep］——弹塑性矩阵；
　　　　［De］——弹性矩阵；
　　　　［Dp］——塑性矩阵；
　　　　｛ε｝——弹塑性应变向量；
　　　　｛ε_e｝——弹性应变向量；
　　　　｛ε_p｝——塑性应变向量。

图1　不抗拉岩体σ－ε曲线

　　当有一个主应力σ₁达到或超过抗拉强度σ_t时，屈服条件为：

　　双向拉裂时，屈服条件为：

　　根据以上本构方程，拉破坏的非线性分析可按图2所示的步骤实施。

图2　拉破坏分析流程图
注：［K］——总刚矩阵；｛ΔR₀｝——最初外荷载增量列阵；
e_t——受拉单元数

2.2　力学参数的确定
　　岩石力学参数可采用RMR(ROCK MASS RATING)岩石力学分类法选取^［5］。RMR分类法在国外使用较多，效果较好。它是根据岩石的实验室强度，岩芯采取率、裂隙发育程度、产状、裂隙面的粗糙度、含地下水的状态对岩体进行评分分级的。利用分级可以求出弹性模量E_m和岩体抗拉强度以及其他参数大致的取值范围。其中弹模E_m按下式决定：

抗拉强度：

式中　RMR——岩体分级的分值，它反映了岩体的质量；
　　　　　σ_t——岩体的抗拉强度；
　　　　　σ_c——岩石的单向抗拉强度；
　　　　　σ₃——施加的最小主应力。
　　　　　B=2(页岩，灰岩)，3(泥岩)，4(砂岩，石英岩)，5(花岗岩)；
　　　　　a——常数，通常取0.75；
　　　　　A——Bieniaowski常数，它是岩体质量的函数：A=20M(0.765RMR－7.65)(M为经验
　　　　　　　　常数)。其他参数虽不能求出确定值，但可以确定其取值范围，在该范围内采
　　　　　　　　用试算法确定。
3　实例计算

　　FCEP—2D耦合模型及其程序在鄂尔多斯煤田南部的补连塔煤矿和大柳塔煤矿进行了应用。
3.1　矿区的地质条件概况
　　补连塔煤矿及其毗邻的大柳塔煤矿位于毛乌素沙漠东部，为我国首例高支护、大采高矿井。矿区内风积沙和其下的萨拉乌苏组含砾中粗粒沙层为强含水层，其厚为17～42.5 m。基岩厚度一般小于80 m。其中大柳塔煤矿的1203工作面煤层的埋深为50～58 m，基岩厚度为20.5～40.0 m。补连塔矿区的2211首采工作面2_—2煤上覆基岩厚度为49.5～77.0 m。基岩面的低洼部位发育着古河道，如图3所示。

图3　2211工作面地质及两带高度剖面图

　　放水试验证明，古河道内含水丰富。按文献［1］给定的公式，导水裂隙带高度为：

式中　M——采高；
　　　n——分层数。
　　该区的单层采高为4.0～4.5 m。算得导水裂隙带为51.24～68.07 m。显然 ，几乎两个工作面顶板导水裂隙带高度都波及到古河道和风积沙含水层。并且两个矿区都有相当大煤炭储量将成为呆滞储量。因此，针对沙下采煤的特点， 用上述模型对导水裂隙带高度进行计算很有必要。
3.2　计算过程
　　计算过程如图4所示。

图4　计算过程框图

3.3　最大导水裂隙带高度的确定及水情分析
　　模拟计算的剖面选在补连塔煤矿2211工作面的中轴。根据大柳塔煤矿的实测数据，以开挖来压周期20 m为步距，以设计采高4 m为条件进行模拟。计算范围以切眼外230 m，即过补连沟河100 m为左边界，切眼内800 m为右边界，底边取至煤层以下20 m，顶部取至地表。地表和基岩面的起伏采用折线进行拟合。
　　计算结果是：最大冒落带高度为25 m，最大裂隙带高度为45 m。在初期来压时上覆岩体的导水裂隙带高度并不是最大，而在第二次周期来压以后，即采面推进了约55 m时导水裂隙带高度才达到极大值，约42.5 m。在以后的回采过程中这一高度变化不大。当工作面回采到古河道下方时，导水裂隙带达到最大值45.0 m，如图5所示。这是由于该处基岩顶部风化较强、岩体级别较低、抗拉强度及弹模也较低造成的。

图5　2211工作面顶板破坏区图(有限元计算结果)

　　根据这一计算结果，可以看出，古河道处工作面上覆岩体的导水裂隙带顶板距基岩地面仅有4.9 m。该处风化带厚度约为10.0 m，具有一定的导水能力。尽管沙层水不会突然溃入工作面，但是上覆沙层水水量在该处将显著增大。据计算，工作面此时的涌水量将达到288.0 m³／h。降落漏斗半径将达到600 m。

4　验证

　　从计算结果可以看出，上层沙层水对工作面回采将会造成影响，上覆沙层水位下降后，补连沟河水的渗漏量将显著加大。加之煤层厚度变化的因素，将切眼向后移动约600 m，并在上、下巷和切眼处共施工24个钻孔，对沙层水进行疏放。总放水量最大180 m³／h，其中古河道中心部位的12号钻孔泄水量约150 m³／h。经一个月的疏放后，该钻孔因砾石堵塞水量剧减到50 m³／h，总水量也减至78 m³／h。在工作面回采的初期，涌水量维持在80 m³／h左右。当工作面推进了50 m时涌水量增加到最大值231 m³／h，这说明导水裂隙带高度已达到风化壳(43～47 m)。如果低于这个高度，水量会大于108 m³／h(其中基岩的涌水量为30 m³／h)。如果大于该高度，瞬间水量将远远超过预计的231 m³／h，证明本文的计算结果是正确的。距切眼分别为250 m和425 m的观1、观2两个观测孔的水位自放水以来，一直处于下降状态。发展下去，漏斗半径将达到600 m左右，与计算结果吻合，FCEP—2D不抗拉力学模型得到了验证。