神東礦區多煤層開采覆巖破壞及導水裂隙帶高度特征研究

徐祝賀，李全生,2，張國軍，楊英明，孫長斌

(1.北京低碳清潔能源研究院 煤炭開采水資源保護與利用全國重點實驗室，北京 102209；2.國家能源投資集團有限責任公司，北京 100011；3.中國安全生產科學研究院 礦山安全技術研究所，北京 100012；4.國家能源集團神東煤炭集團公司 石圪臺煤礦，陜西 神木 719315)

神東礦區是我國重要的煤炭生產基地之一，也是煤炭高強度開采的典型代表之一[1-2]。煤炭資源的大規模高強度開采導致煤巖層結構發生強烈變形，產生大量覆巖裂隙和地表裂縫[3-4]，引發地下水資源系統補、徑、排的劇烈變化，造成地表生態環境損傷[5]，如土壤水分養分流失、植物生長受損等，加之礦區生態本底脆弱，嚴重制約了礦區的生態文明建設。因此，研究神東礦區煤層開采覆巖破壞規律及導水裂隙帶演化特征，是進行源頭減損設計以及采后分區差異化地表生態修復的前提。

導水性是覆巖裂隙最受關注的特性之一，張培森[6]等以采區邊界斷層為背景，通過綜合分析得出斷距、斷面正壓力是影響其封閉性的主要因素；王晶[7]等采用現場實測的方法對被保護層裂隙發育進行了研究，詳細分析了保護層開采時被保護層裂隙演化和滲透特征，得出保護層開采后被保護層卸壓幅度及膨脹率都將增大的結論。導水裂隙帶的高度、形狀，影響其發育的各種因素以及對其進行預測的各種模型也是諸多學者研究的重點。一些學者[8-10]通過研究認為導水裂隙帶最終形狀為“馬鞍形”；康國彪[11]等采用數值模擬、理論分析及工程類比等方法對大采高工作面覆巖導水裂隙帶開展了研究，認為導水裂隙帶形狀為“梯臺”型，采高、推進速率等是影響導水裂隙帶高度的主要因素；邵良杉[12]、陳陸望[13]、張宏偉[14]等建立了導水裂隙帶高度預測模型，為類似條件下導水裂隙帶高度研究提供了參考。與理論分析、數值模擬等相比，實測是研究覆巖裂隙最直接、準確的方法。郭文兵[15]、許家林[16]、伊永杰[17]、岳寧[18]等采用鉆孔觀測的方法對不同現場的導水裂隙帶高度進行了測量，獲得了大量現場實測數據。

綜上，大多數的研究成果是關于覆巖破壞特征及導水裂隙帶高度預測的，鮮有關于覆巖裂隙直觀展現及巖層自修復方面的研究。因此筆者以神東礦區石圪臺煤礦典型的多煤層開采工作面為背景，采用自主研發的相似模擬試驗臺開展了關于覆巖破壞特征、巖層自修復的研究，并在神東礦區實測數據的基礎上分析了導水裂隙帶高度與工作面寬深比、深厚比的關系，為相似條件下導水裂隙帶高度預測提供借鑒。

1 工作面概況

22305 工作面位于石圪臺井田2-2煤三盤區，22305工作面北側為實體煤，西側為2-2煤南翼大巷，東側為礦井邊界，南側為22304工作面采空區。工作面長度為254.8 m，推進長度為4 667.7 m，煤層厚度為0.5～3.0 m，煤層平均厚度約為2.0 m，傾角為1°～3°，埋深為72.6～92.9 m。工作面上部有1-2煤火燒區和第四系松散含水層，其中第四系松散含水層富水性強，預計工作面正常涌水量為200 m3/h，最大涌水量為300 m3/h。工作面涌水主要來源于松散層積水和上層煤火燒區積水。

31307 工作面位于石圪臺煤礦井田3-1煤三盤區，工作面北側為實體煤，西側為3-1煤三盤區大巷，南側為31306工作面采空區，東側為井田邊界，上部為22305工作面采空區。工作面長度為269 m，推進長度主運側為4 302.9 m，回風側為4 392.5 m。煤層厚度為2.34～4.45 m，煤層平均厚度約為3.5 m，傾角為1°～3°，埋深為130～180 m。31307工作面上覆松散層厚度變化較大，大氣降水通過松散層、基巖裂隙直接下滲補給井下造成工作面淋水，預計正常涌水量為15 m3/h，最大涌水量為40 m3/h；上覆22304-1，22304-2和22305工作面采空區，工作面開采期間采空區積水通過基巖裂隙帶直接涌入工作面，預計正常涌水量為65 m3/h，最大涌水量為160 m3/h。

22305和31307 工作面上下間距為30～40 m，輔運巷水平間距為50～70 m，主運巷水平間距為30～60 m，開切眼水平間距約為600 m，終采線水平間距約為950 m。22305和31307工作面位置關系如圖1所示。

圖1 22305和31307工作面位置關系Fig.1 Position of working faces 22305 and 31307

實驗室獲取的巖層物理力學參數見表1。

表1 巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata

2 淺埋多煤層開采覆巖與地表破壞相似模擬試驗分析

2.1 相似試驗目的

為厘清神東礦區高強度開采覆巖及地表破壞特征，參照神東礦區石圪臺煤礦典型多煤層開采工作面22305和31307的賦存條件，開展淺埋多煤層開采重復擾動下覆巖裂隙發育及巖層自修復特征的研究，尤其是下層煤開采對上層煤覆巖進一步擾動特征的研究。由于兩工作面開切眼之間以及終采線之間水平距離較大，根據沉陷理論可知下層煤開切眼、終采線的位置對上層煤開切眼、終采線上方覆巖裂隙發育不會產生位置疊加影響。筆者主要研究工作面開采區域中部大范圍內巖層裂隙發育及巖層自修復情況，故模型開挖過程中盡可能加大了兩煤層的開采距離以達到充分采動狀態，故忽略兩煤層開切眼之間以及終采線之間的煤柱對試驗的影響。

2.2 相似試驗設備

相似模擬平臺采用自主研制的多煤層開采煤礦地下水庫模擬試驗平臺，如圖2所示，其由垂直加載系統、水平加載系統、含水層模擬系統、煤層模擬系統、注水口等模塊組成。模型主體框架尺寸為2 400 mm×2 100 mm×600 mm(寬×高×厚)，內部空間尺寸為2 100 mm×1 800 mm×300 mm(寬×高×厚)。

圖2 多煤層開采煤礦地下水庫模擬試驗平臺Fig.2 Simulation test platform for underground reservoirs in coal mines with multiple coal seams

2.3 相似試驗條件

筆者根據相似準則確定各相似比參數：幾何相似比為1∶100，泊松相似比為1∶1.5，密度相似比為1∶1.5，剛度相似比為1∶150，應力相似比為1∶150，時間相似比為1∶12。骨料選用細砂，膠結料選用石膏、石灰，具體配比見表2。

表2 巖層材料配比Table 2 Rock layer materials ratio

本次試驗模型頂部為地表，模型左、右、下部為固定邊界，沒有水平加載。共鋪設3層煤：2-2上煤、2-2煤、3-1煤，全區主采煤層為2-2煤、3-1煤。分層鋪設壓實，巖層之間的分層材料為云母，鋪設完成的相似模擬試驗模型如圖3所示。采用下行式開采，先開采2-2煤，后開采3-1煤，每次推進5 cm。

圖3 相似模擬試驗模型Fig.3 Similar simulation experimental model

2.4 2-2煤開采覆巖與地表破壞特征

2-2煤工作面推進情況如圖4所示。

當推進到35 cm時，頂板淺部巖層出現明顯離層；當推進到45 cm時，基本頂出現初次破斷垮落；當推進到55 cm時，上覆巖層垮落至2-2上煤；當推進到65和75 cm時，覆巖繼續發生破斷垮落；當推進到90 cm時，工作面推進距離和2-2煤埋深比約為1，地表產生裂縫，開切眼側出現兩個主要豎向裂隙帶，由于煤層較薄兩個條帶上下沒有貫通，右側條帶裂隙多是開口向上，左側條帶裂隙多是開口向下。2-2煤共推進160 cm，是埋深的1.8倍，走向達到充分采動狀態，終采線側豎向裂隙帶不明顯。

2.5 3-1煤開采覆巖與地表破壞特征

3-1煤工作面推進情況如圖5所示。

圖5 3-1煤推進不同距離時覆巖垮落損傷情況Fig.5 Damage caused by the collapse of overlying rocks at different distances during the advancement of 3-1 coal seam

當工作面推進距離較短時，工作面頂板未發生 下沉垮落；當推進到40 cm時，直接頂發生垮落；當推進到50 cm時，上方巖層出現離層；當推進到55 cm時，基本頂與其所控制的上方巖層發生破斷垮落；當推進到70 cm時，3-1煤和2-2煤之間的覆巖發生破斷下沉，2-2煤開采垮落穩定的巖層又發生明顯的二次下沉垮落，且覆巖中重新產生離層，在開切眼側上方形成了明顯的貫通裂隙，即導水主通道，在工作面上方巖層中同樣形成了貫通裂隙帶；當推進到80 cm時，覆巖下沉垮落范圍進一步擴大，巖層中離層位置逐漸向上移動；當推進到95 cm時，地表發生明顯的二次下沉，開切眼側上方巖層中的兩條豎向裂隙帶發育更加明顯，部分區域上下已導通；當推進到120 cm時，此時與上層2-2煤終采線水平間距40 cm(相當于實際距離40 m)，2-2煤終采線側上方巖層中開始出現豎向裂隙帶，即下層3-1煤開采開始對上層2-2煤終采線上方覆巖裂隙產生影響；當推進到160 cm時，達到埋深的1.2倍，在推進方向上呈充分采動狀態，此時2-2煤終采線上方巖層中兩條豎向裂隙帶發育明顯，部分區域上下已導通；但在終采線處，3-1煤與2-2煤之間的巖層未出現明顯貫通的豎向裂隙帶。在開采范圍內的沉陷區域中部2-2煤上覆巖層裂隙已基本閉合，但3-1煤和2-2煤之間巖層中部分區域裂隙仍然較為發育，自修復難度較大。

2.6 采后覆巖自修復分析

為對煤層開采后覆巖自修復情況進行分析，在兩層煤模擬開采完成后，將所鋪煤巖層從模型頂部開始依次向下進行剝離，得到不同層位巖層的損傷及自修復情況，如圖6所示。

圖6 煤層開采后不同層位巖層的損傷及其自修復情況Fig.6 Damage and self-healing of different layers of rock strata after coal seam mining

從橫向上看，工作面開采完成后，在開切眼和終采線上部巖層中存在明顯未閉合的裂隙，即工作面兩端的邊界裂隙，這部分的裂隙屬于永久裂隙，需要人工干預才能實現修復。工作面開采區域中部巖層，在垮落壓實及破斷碎屑的充填等作用下，自修復程度較高。從縱向上看，巖層距離開采煤層越遠，巖層裂隙多為垂直推進方向分布，巖層裂隙閉合程度越好，巖層自修復程度越高；距離煤層越近，特別是直接頂、基本頂，裂隙發育程度越高，裂隙分布雜亂無序，自修復難度越大，自修復程度越低。

綜上可知，相似模型開采后不同巖層的裂隙發育和自修復情況不盡相同，兩層煤之間的巖層裂隙發育程度較高，自修復程度較低。

22305和31307工作面開采區域中部地表裂縫自修復情況如圖7所示。由圖7可知，開采引起的中部區域地表裂縫均已彌合，驗證了試驗結果。

圖7 22305和31307工作面開采區域中部地表裂縫自修復情況Fig.7 Self-healing of surface cracks in the central mining area of the working faces 22305 and 31307

3 覆巖導水裂隙帶發育分析

為掌握神東礦區煤炭開采后覆巖導水裂隙帶發育規律，收集整理了神東礦區布爾臺、補連塔、烏蘭木倫、大柳塔、上灣等煤礦12個工作面開采參數，以及上覆巖層導水裂隙帶高度實測值(通過鉆孔沖洗液漏失量及鉆孔水位，輔以鉆孔電視觀測綜合確定)，見表3。

表3 神東礦區工作面開采參數和導水裂隙帶高度Table 3 Mining parameters and the height of water-conducting fracture zone of Shendong Mining Area

煤層開采后，影響覆巖導水裂隙帶發育高度的因素有煤厚、煤層埋深、工作面采寬、覆巖巖性等。筆者主要分析寬深比、深厚比與導水裂隙帶發育高度之間的關系。圖8為導水裂隙帶高度與寬深比之間的關系，圖9為導水裂隙帶高度與深厚比之間的關系。

圖8 導水裂隙帶高度與寬深比的關系Fig.8 Relationship between the height of water-conducting fracture zone and width-to-depth ratio

圖9 導水裂隙帶高度與深厚比的關系Fig.9 Relationship between the height of water-conducting fracture zone and depth-to-thickness ratio

由圖8可知，導水裂隙帶高度隨寬深比的增大總體呈降低趨勢，擬合公式為

導水裂隙帶高度在寬深比0.7～3.0時，隨寬深比的增大而逐漸降低；寬深比大于3.0時，變化不大。

由圖9可知，導水裂隙帶高度隨深厚比的增大總體呈上升趨勢，擬合公式為：

導水裂隙帶高度在深厚比12～65時，隨深厚比的增大而逐漸增大；深厚比大于65時，變化不大。

為驗證擬合公式的適用性，選取布爾臺煤礦22101工作面和補連塔煤礦12401工作面進行驗證，相關參數見表4。把表4中布爾臺煤礦22101工作面的數據分別代入式(1)和式(2)，得到導水裂隙帶高度的預測值，分別為137.4 m和158.4 m，與實測結果相比，誤差分別為2%和13%；同理得到補連塔煤礦12401工作面導水裂隙帶高度的預測值，分別為130.0 m和135.4 m，與實測結果相比，誤差分別為7%和4%。詳細預測結果及誤差見表5。由表5可知，由式(1)和式(2)得到的導水裂隙帶高度具有一定的適用性，可為相似地質條件煤層采后的覆巖導水裂隙帶高度預測提供參考。

表4 布爾臺煤礦22101工作面和補連塔煤礦12401工作面相關參數Table 4 Relevant parameters of 22101 working face in Buertai Coal Mine and 12401 working face in Bulianta Coal Mine

表5 布爾臺煤礦22101工作面和補連塔煤礦12401工作面導水裂隙帶高度預測值及誤差Table 5 Predicted values and errors of the height of water-conducting fracture zone in 22101 working face in Buertai Coal Mine and 12401 working face in Bulianta Coal Mine

4 結 論

(1) 采用下行式對多煤層進行開采，上層煤開采時，覆巖破壞特征與單一煤層開采時相似；下層煤開采時，兩煤層之間的覆巖會發生嚴重破壞，且上層煤覆巖發生二次擾動破壞，裂隙進一步發育。

(2) 開采完成后，巖土層距離開采煤層越遠，裂隙(裂縫)閉合程度越好，自修復程度越高。兩煤層之間的巖層裂隙發育程度較高，自修復程度較低。

(3) 神東礦區導水裂隙帶高度隨工作面寬深比的增大總體呈降低趨勢，隨工作面深厚比的增大總體呈上升趨勢，并通過實測數據驗證了預測公式的適用性，為相似條件下的導水裂隙帶高度預測提供借鑒。