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摘要：基于浅埋煤层条件下的韩家湾煤矿2305工作面开采技术条件和岩石物理参数，构建了导水裂隙带高度计算模型，运用岩石破裂过程（RFPA3）分析软件，对上覆岩层的变形、冒落情况进行了数值模拟，采用三下开采规程中计算的方式对覆岩导水裂隙带高度进行了验算比照，应用地面采后孔注水测漏实测了覆岩导水裂隙带高度。结果表明，数值模拟与采后孔测漏实测的导水裂隙带高度基本上一致。该研究为确定韩家湾煤矿在现有浅埋煤层条件下上覆岩导水裂隙带高度以及类似条件矿井开采提供了设计依据。
关键词：RFPA；导水裂隙带；数值模拟；采后孔测漏法
1 前言
煤层开采之后，从开采煤层上覆岩由下之上将依次产生冒落带和裂隙带，这“两带”构成导水裂隙带，导水裂隙带发育高度是评价水体下开采可行性和水体下开采设计防水煤柱的主要参数。目前，国内对综采条件下导水裂隙带发育高度研究较多，对于韩家湾煤矿2305工作面覆岩破坏规律及“两带”高度的确定我们从数值模拟分析、经验公式计算和现场实测三个方面进行，选取其中最大值作为最终导水裂隙带发育高度，从而为评价顶板水下开采可行性和设计防水煤柱提供参数。
2 数值模拟
2.1软件应用简介
顶板突水破坏过程和岩石的水力压裂机制一样，应该考虑渗流—应力耦合作用机理。其主要表现为以下3个力学机制：
（1）裂缝开裂判据及其形成前后的渗透特性。
（2）裂缝张开与流体压力的关系。
（3）流体在裂缝中的流动过程。
为了直观的再现煤炭资源回采后，在顶板水的作用下工作面上覆岩层破坏的动态演变过程，应用F-RFPA2D分析系统，对顶板覆岩逐步向上发展的破坏全程进行了模拟，以此研究岩体破裂后渗透率的突变和水压的跟踪传递规律，以及岩体破裂后从隔水层变成导水层的演化过程。
在运用F-RFPA2D分析系统软件模拟整个采场开挖的过程中，通过提取顶板隔水层应力、位移变化的信息，分析顶板隔水岩层的变形、破坏过程。
为了模拟采动工作面的变化，采用空单元法。另外，本分析系统的一个显著特点是将岩石类材料的不均匀性参数引入到计算单元，以概率统计方法描述其离散性，充分考虑了岩石介质的非均匀性。
2.2 数值模型建立
根据韩家湾煤矿的水文地质条件，简化的耦合数学模型长度为200m，高为160m，对计算模型范围内的分层岩层中物理性质相近的岩层，简化为单一岩层。根据相关钻孔岩石力学指标测试报告，将数值计算模型简化为12个岩层的结构体进行研究。
本文算例的地质模型如图1所示，划分的单元数为150×250共37500个单元。地质模型的边界条件为：取两侧为限制水平方向位移的滑动支座，可垂直移动；底部为限制垂直方向位移的滑动支座，底边与侧边的两个角点处为限制水平方向与垂直方向位移的固定支座；通过分步开挖来模拟采动的影响：其中第一步为自重计算过程，第二步开始开挖，开挖步距为5m，共20步，累計开挖长度为100m。模型开挖的煤层为2-2煤，开挖厚度为4m。在试验过程中，采用修正的带拉伸截断（tensile cut-off）的库仑准则作为破坏的判别准则。
2.3 数值模拟结果分析
当工作面位于30m时，在靠近开切眼侧的直接顶随着工作面推进破坏向上部有所发展。老顶岩层开始产生轻微离层，并且老顶岩层内部有细微裂隙产生。当工作面推进到40m时，即当老顶悬露长度达到40m时，由于老顶承受荷载超出其抗拉强度，老顶发生了断裂、离层。老顶的回转失稳导致工作面前方煤壁压力急剧增大，出现了老顶的初次来压，在老顶垮落后，煤壁前方承受的压应力得到了释放，上覆岩层冒落带破坏带高度约为17m，导水裂隙带发育高度为43m。因此，根据分析结果，老顶由开切眼到初次来压步距为40m左右，冒落带高度约为17m，导水裂隙带发育高度为43m。当然，同直接顶初次垮落距离分析一样，老顶断裂步距也与开挖步距大小有直接关系，现场有可能比这距离要短。因此，我们推断现场初次来压步距不大于40m，即在35～40m之间。
当工作面推进到45m时，同一计算步中的不同步中步模拟结果，在老顶初次来压推进5m后，上覆岩层结构随着计算步地增加发生了很大的变化，导水裂隙带迅速向上部岩层发展，直至贯通地表，将开采煤层上方的全部含水层沟通。同时部分断裂、离层的岩块在时间、自重和开采扰动的综合影响下，部分产生了闭合、部分又产生了新的裂缝。
当工作面推进到60m时，老顶岩层悬露长度为15m，老顶离层现象加剧，导致新形成的“悬臂梁”由原来稳定状态进入断裂状态，即失稳状态。裂隙带岩层结构的失稳导致了工作面顶板来压，这种来压将随工作面的推进而呈周期性出现，即所谓的工作面顶板周期性来压。根据对韩家湾煤矿数值模拟结果，老顶第一次出现了明显的周期来压步距为15m。
当工作面推进到65m时（Step15-5），即再开挖2步时，随着时间的推移，老顶产生了第三次断裂。采空区上覆断裂岩块进一步被压实，导水裂隙宽度变小，甚至闭合，裂隙带闭合程度受岩层的坚硬程度控制。压缩后，裂隙闭合或留有较小裂隙具有随机性。总之，在矿井涌水量由小大小正常，反映的是导水裂隙宽度由发展最宽受压缩减稳定这一动态变化过程，这种变化对工作面涌水量有较大的影响。
根据数值模拟分析的结果，老顶的第二次周期来压步距为10m，说明老顶的周期来压步距大小不均，其周期来压步距在10～15m之间，导水裂隙带直接发育至地表，沟通开采煤层上方的全部含水层。
2.4 “三带”发育高度
由数值模拟结果可知，在老顶初次垮落时，导水裂隙带发育高度为43m，在工作面再推进8m后，导水裂隙带直接发育至地表，沟通开采煤层上方全部含水层，数值模拟结果表明：在该种水文地质条件下导水裂隙带与煤层采厚之比不小于23.5倍。因此，只要水文地质条件不出现异常，在老顶初次来压后5m范围内工作面涌水量将达到最大，工作面开采到此处时应加强突水溃砂的防治工作。针对韩家湾煤矿而言，工作面在推进至35～45m范围时涌水量将会增至最大，在这段区域需加强突水溃砂的防治工作。 2.5 覆岩破坏结果分析
数值模拟的结果表明，浅埋煤层覆岩的破坏具有如下特征：
①工作面上方直接顶的初次垮落步距达到5～10m后才开始发生垮落，此后随采随垮。
②老顶的初次垮落步距为35～40m，周期性垮落步距为10～15m之间。
③导水裂隙带在老顶初次来压后5m范围内直接发育至地表，沟通开采煤层上方的全部含水层，导水裂隙带与煤层采厚之比为23.5倍，工作面在推进至35～45m范围时应加强突水溃砂的防治工作。
3 经验公式计算
3.1 “两带”高度计算结果
根据岩样测试结果分析，煤层顶板覆岩为中硬度岩层。综采条件下，导水裂隙带高度根据《煤矿防治水规定》及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规程》分别计划结果为61.4米及45.6米。
3.2计算结果评述
根据我们对陕北浅埋煤层导水裂隙带发育高度的研究，采用两种经验公式计算得出的导水裂隙带高度值都偏小，说明现有规程导水裂隙带高度预计方法不能适应浅埋煤层条件下的导水裂隙带高度确定。
为了说明两个经验计算公式不适合浅埋煤层条件下导水裂隙带发育高度的预计，我们以水文地质条件非常相似的补连塔煤矿3140工作面为例来说明这个问题。
为了掌握31401工作面顶板导水断裂带的实际最大高度，在31401工作面后方采空区内施工了2个顶板导水断裂带高度探测钻孔-S19和S21。S19孔终孔深度为243.66m。S21终孔深度为238.55m，两孔揭露的砂砾层最大深度均为120 m。
采用钻孔冲洗液漏失量观测及钻进过程中的“漏风”与“掉钻、卡钻”等现象，得到2个观测孔的两带高度观测结果。
由表2可见，31401工作面的顶板导水裂隙带最大高度为140.5～154.0m，其导采比为31.93～34.98。因此根据上述实例分析，两种规程计算得出的导水裂隙带高度在陕北这种浅埋煤层开采地质条件下是不适用的。
4 现场实测
4.1 8号孔冲洗液漏失量观测结果分析
由图4可以看出，在基岩顶面由于存在强、中和弱风化带，钻孔冲洗液漏失量较大，在正常基岩段漏失量基本保持稳定。从80.0m开始，钻孔漏失量逐渐增大，在85.0m以后又恢复正常，根据钻孔柱状图分析，该地层为含砂砾石粗砂岩，说明该岩段为含水层。
4.2 G1孔冲洗液漏失量观测结果分析
G1孔布置在2305工作面內的中部，与8号孔相距74.70m。该孔在钻井3.65m时进入了土层，为了防止松散砂层塌孔，在该位置处下入了直径为Φ127mm套管护壁止水，套管的长度随着孔深的增加而延长，下入套管的长度为7.00m，止水段孔深5.00～7.00m。止水检查合格后进行基岩段钻进，钻进是采用浓度较低的浆液进行漏失量观测。
该孔在钻进至7.46m时到达了基岩面，由于风化基岩与土层性质的差异，两者变形不协调，在交界处产生的离层空间与大量裂隙，导致冲洗液无法返至孔口，直接从岩层和土层交界面流失，说明导水裂隙带直接贯通开采煤层上覆整个基岩。为了探测基岩内部裂隙发育情况，钻孔内注入大量泥浆，经过止水检查确认堵塞该离层裂隙后，继续钻进。钻进不足0.50m，浆液消耗量开始逐渐变大，并随着孔深的增加呈明显加大的趋势，钻进至50.00m位置处时，冲洗液再次无法返回孔口。分析浆液不能返至孔口的原因：一是土层和岩层交界面的离层裂隙被再次冲开，浆液从此处流失；二是裂隙带内的裂缝密集且宽度较大，浆液全部流失；三是钻孔已进入冒落带。由于本次现场实测的重点是寻找导水裂隙带发育的最高点，鉴于已达到预订目标，在50.00m位置处终止试验。
4.3 导水裂隙带高度的判定
综合钻探过程中的冲洗液漏失情况分析，在钻进至7.46m处的基岩顶界面时，冲洗液已不能返至孔口，说明导水裂隙带已经发育到基岩的顶界面。第四系松散层由于采用的泥浆护壁钻进技术，冲洗液漏失量观测不到，无法判断导水裂隙带在其内部的发育情况，不过根据钻进过程中的简易水文观测和地面塌陷情况分析，导水裂隙带不但贯通基岩面，而且将基岩上面的松散层也全部连通。说明在该地质条件和开采强度下，导水裂隙带发育高度为110.11 m，（采厚按照4.43m考虑）导采比不小于24.9。
5 结论
通过对韩家湾煤矿2305工作面顶板上覆岩层导水裂隙带高度的实测和数值模拟研究，在资料分析和整理的过程中，得出以下几点结论：
（1） 根据数值模拟、理论计算和现场实测统计三个方面确定的导水裂隙带高度结果分析，我们认为理论计算部分根据《煤矿防治水规定》和《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规程》确定的导水裂隙带高度偏小，不能作为导水裂隙带发育高度的最终值。现场实测的导水裂隙带已经直接发育至地表，这与数值模拟得出的导水裂隙带发育基本一致。韩家湾矿现在浅埋煤层综采条件下，导水裂隙带与煤层采厚之比不小于24.9倍。
（2） 该研究为确定韩家湾煤矿在现有浅埋煤层条件下上覆岩导水裂隙带高度以及类似条件矿井开采提供了设计依据。
关键词：RFPA；导水裂隙带；数值模拟；采后孔测漏法
1 前言
煤层开采之后，从开采煤层上覆岩由下之上将依次产生冒落带和裂隙带，这“两带”构成导水裂隙带，导水裂隙带发育高度是评价水体下开采可行性和水体下开采设计防水煤柱的主要参数。目前，国内对综采条件下导水裂隙带发育高度研究较多，对于韩家湾煤矿2305工作面覆岩破坏规律及“两带”高度的确定我们从数值模拟分析、经验公式计算和现场实测三个方面进行，选取其中最大值作为最终导水裂隙带发育高度，从而为评价顶板水下开采可行性和设计防水煤柱提供参数。
2 数值模拟
2.1软件应用简介
顶板突水破坏过程和岩石的水力压裂机制一样，应该考虑渗流—应力耦合作用机理。其主要表现为以下3个力学机制：
（1）裂缝开裂判据及其形成前后的渗透特性。
（2）裂缝张开与流体压力的关系。
（3）流体在裂缝中的流动过程。
为了直观的再现煤炭资源回采后，在顶板水的作用下工作面上覆岩层破坏的动态演变过程，应用F-RFPA2D分析系统，对顶板覆岩逐步向上发展的破坏全程进行了模拟，以此研究岩体破裂后渗透率的突变和水压的跟踪传递规律，以及岩体破裂后从隔水层变成导水层的演化过程。
在运用F-RFPA2D分析系统软件模拟整个采场开挖的过程中，通过提取顶板隔水层应力、位移变化的信息，分析顶板隔水岩层的变形、破坏过程。
为了模拟采动工作面的变化，采用空单元法。另外，本分析系统的一个显著特点是将岩石类材料的不均匀性参数引入到计算单元，以概率统计方法描述其离散性，充分考虑了岩石介质的非均匀性。
2.2 数值模型建立
根据韩家湾煤矿的水文地质条件，简化的耦合数学模型长度为200m，高为160m，对计算模型范围内的分层岩层中物理性质相近的岩层，简化为单一岩层。根据相关钻孔岩石力学指标测试报告，将数值计算模型简化为12个岩层的结构体进行研究。
本文算例的地质模型如图1所示，划分的单元数为150×250共37500个单元。地质模型的边界条件为：取两侧为限制水平方向位移的滑动支座，可垂直移动；底部为限制垂直方向位移的滑动支座，底边与侧边的两个角点处为限制水平方向与垂直方向位移的固定支座；通过分步开挖来模拟采动的影响：其中第一步为自重计算过程，第二步开始开挖，开挖步距为5m，共20步，累計开挖长度为100m。模型开挖的煤层为2-2煤，开挖厚度为4m。在试验过程中，采用修正的带拉伸截断（tensile cut-off）的库仑准则作为破坏的判别准则。
2.3 数值模拟结果分析
当工作面位于30m时，在靠近开切眼侧的直接顶随着工作面推进破坏向上部有所发展。老顶岩层开始产生轻微离层，并且老顶岩层内部有细微裂隙产生。当工作面推进到40m时，即当老顶悬露长度达到40m时，由于老顶承受荷载超出其抗拉强度，老顶发生了断裂、离层。老顶的回转失稳导致工作面前方煤壁压力急剧增大，出现了老顶的初次来压，在老顶垮落后，煤壁前方承受的压应力得到了释放，上覆岩层冒落带破坏带高度约为17m，导水裂隙带发育高度为43m。因此，根据分析结果，老顶由开切眼到初次来压步距为40m左右，冒落带高度约为17m，导水裂隙带发育高度为43m。当然，同直接顶初次垮落距离分析一样，老顶断裂步距也与开挖步距大小有直接关系，现场有可能比这距离要短。因此，我们推断现场初次来压步距不大于40m，即在35～40m之间。
当工作面推进到45m时，同一计算步中的不同步中步模拟结果，在老顶初次来压推进5m后，上覆岩层结构随着计算步地增加发生了很大的变化，导水裂隙带迅速向上部岩层发展，直至贯通地表，将开采煤层上方的全部含水层沟通。同时部分断裂、离层的岩块在时间、自重和开采扰动的综合影响下，部分产生了闭合、部分又产生了新的裂缝。
当工作面推进到60m时，老顶岩层悬露长度为15m，老顶离层现象加剧，导致新形成的“悬臂梁”由原来稳定状态进入断裂状态，即失稳状态。裂隙带岩层结构的失稳导致了工作面顶板来压，这种来压将随工作面的推进而呈周期性出现，即所谓的工作面顶板周期性来压。根据对韩家湾煤矿数值模拟结果，老顶第一次出现了明显的周期来压步距为15m。
当工作面推进到65m时（Step15-5），即再开挖2步时，随着时间的推移，老顶产生了第三次断裂。采空区上覆断裂岩块进一步被压实，导水裂隙宽度变小，甚至闭合，裂隙带闭合程度受岩层的坚硬程度控制。压缩后，裂隙闭合或留有较小裂隙具有随机性。总之，在矿井涌水量由小大小正常，反映的是导水裂隙宽度由发展最宽受压缩减稳定这一动态变化过程，这种变化对工作面涌水量有较大的影响。
根据数值模拟分析的结果，老顶的第二次周期来压步距为10m，说明老顶的周期来压步距大小不均，其周期来压步距在10～15m之间，导水裂隙带直接发育至地表，沟通开采煤层上方的全部含水层。
2.4 “三带”发育高度
由数值模拟结果可知，在老顶初次垮落时，导水裂隙带发育高度为43m，在工作面再推进8m后，导水裂隙带直接发育至地表，沟通开采煤层上方全部含水层，数值模拟结果表明：在该种水文地质条件下导水裂隙带与煤层采厚之比不小于23.5倍。因此，只要水文地质条件不出现异常，在老顶初次来压后5m范围内工作面涌水量将达到最大，工作面开采到此处时应加强突水溃砂的防治工作。针对韩家湾煤矿而言，工作面在推进至35～45m范围时涌水量将会增至最大，在这段区域需加强突水溃砂的防治工作。 2.5 覆岩破坏结果分析
数值模拟的结果表明，浅埋煤层覆岩的破坏具有如下特征：
①工作面上方直接顶的初次垮落步距达到5～10m后才开始发生垮落，此后随采随垮。
②老顶的初次垮落步距为35～40m，周期性垮落步距为10～15m之间。
③导水裂隙带在老顶初次来压后5m范围内直接发育至地表，沟通开采煤层上方的全部含水层，导水裂隙带与煤层采厚之比为23.5倍，工作面在推进至35～45m范围时应加强突水溃砂的防治工作。
3 经验公式计算
3.1 “两带”高度计算结果
根据岩样测试结果分析，煤层顶板覆岩为中硬度岩层。综采条件下，导水裂隙带高度根据《煤矿防治水规定》及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规程》分别计划结果为61.4米及45.6米。
3.2计算结果评述
根据我们对陕北浅埋煤层导水裂隙带发育高度的研究，采用两种经验公式计算得出的导水裂隙带高度值都偏小，说明现有规程导水裂隙带高度预计方法不能适应浅埋煤层条件下的导水裂隙带高度确定。
为了说明两个经验计算公式不适合浅埋煤层条件下导水裂隙带发育高度的预计，我们以水文地质条件非常相似的补连塔煤矿3140工作面为例来说明这个问题。
为了掌握31401工作面顶板导水断裂带的实际最大高度，在31401工作面后方采空区内施工了2个顶板导水断裂带高度探测钻孔-S19和S21。S19孔终孔深度为243.66m。S21终孔深度为238.55m，两孔揭露的砂砾层最大深度均为120 m。
采用钻孔冲洗液漏失量观测及钻进过程中的“漏风”与“掉钻、卡钻”等现象，得到2个观测孔的两带高度观测结果。
由表2可见，31401工作面的顶板导水裂隙带最大高度为140.5～154.0m，其导采比为31.93～34.98。因此根据上述实例分析，两种规程计算得出的导水裂隙带高度在陕北这种浅埋煤层开采地质条件下是不适用的。
4 现场实测
4.1 8号孔冲洗液漏失量观测结果分析
由图4可以看出，在基岩顶面由于存在强、中和弱风化带，钻孔冲洗液漏失量较大，在正常基岩段漏失量基本保持稳定。从80.0m开始，钻孔漏失量逐渐增大，在85.0m以后又恢复正常，根据钻孔柱状图分析，该地层为含砂砾石粗砂岩，说明该岩段为含水层。
4.2 G1孔冲洗液漏失量观测结果分析
G1孔布置在2305工作面內的中部，与8号孔相距74.70m。该孔在钻井3.65m时进入了土层，为了防止松散砂层塌孔，在该位置处下入了直径为Φ127mm套管护壁止水，套管的长度随着孔深的增加而延长，下入套管的长度为7.00m，止水段孔深5.00～7.00m。止水检查合格后进行基岩段钻进，钻进是采用浓度较低的浆液进行漏失量观测。
该孔在钻进至7.46m时到达了基岩面，由于风化基岩与土层性质的差异，两者变形不协调，在交界处产生的离层空间与大量裂隙，导致冲洗液无法返至孔口，直接从岩层和土层交界面流失，说明导水裂隙带直接贯通开采煤层上覆整个基岩。为了探测基岩内部裂隙发育情况，钻孔内注入大量泥浆，经过止水检查确认堵塞该离层裂隙后，继续钻进。钻进不足0.50m，浆液消耗量开始逐渐变大，并随着孔深的增加呈明显加大的趋势，钻进至50.00m位置处时，冲洗液再次无法返回孔口。分析浆液不能返至孔口的原因：一是土层和岩层交界面的离层裂隙被再次冲开，浆液从此处流失；二是裂隙带内的裂缝密集且宽度较大，浆液全部流失；三是钻孔已进入冒落带。由于本次现场实测的重点是寻找导水裂隙带发育的最高点，鉴于已达到预订目标，在50.00m位置处终止试验。
4.3 导水裂隙带高度的判定
综合钻探过程中的冲洗液漏失情况分析，在钻进至7.46m处的基岩顶界面时，冲洗液已不能返至孔口，说明导水裂隙带已经发育到基岩的顶界面。第四系松散层由于采用的泥浆护壁钻进技术，冲洗液漏失量观测不到，无法判断导水裂隙带在其内部的发育情况，不过根据钻进过程中的简易水文观测和地面塌陷情况分析，导水裂隙带不但贯通基岩面，而且将基岩上面的松散层也全部连通。说明在该地质条件和开采强度下，导水裂隙带发育高度为110.11 m，（采厚按照4.43m考虑）导采比不小于24.9。
5 结论
通过对韩家湾煤矿2305工作面顶板上覆岩层导水裂隙带高度的实测和数值模拟研究，在资料分析和整理的过程中，得出以下几点结论：
（1） 根据数值模拟、理论计算和现场实测统计三个方面确定的导水裂隙带高度结果分析，我们认为理论计算部分根据《煤矿防治水规定》和《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规程》确定的导水裂隙带高度偏小，不能作为导水裂隙带发育高度的最终值。现场实测的导水裂隙带已经直接发育至地表，这与数值模拟得出的导水裂隙带发育基本一致。韩家湾矿现在浅埋煤层综采条件下，导水裂隙带与煤层采厚之比不小于24.9倍。
（2） 该研究为确定韩家湾煤矿在现有浅埋煤层条件下上覆岩导水裂隙带高度以及类似条件矿井开采提供了设计依据。