郭家河煤礦綜放工作面覆巖導水裂隙帶發育規律研究

李艷清，王 冠

(1.陜西省煤炭科學研究所，陜西 西安 710001；2.陜西郭家河煤業有限責任公司，陜西 寶雞 721505)

0 引言

郭家河煤礦上覆洛河組強含水層，導水裂隙帶發展高度直接關系到礦井安全。目前在麟北礦區還缺乏完整的“三帶”發育研究成果，探索和研究冒落帶、裂隙帶的發育高度對礦井安全生產具有一定的現實意義。

1 采空區“三帶”發育規律

采空區上覆巖層在采后將會發生較為復雜的移動和變形。根據采后巖體的破壞程度，可將上覆巖層自垂直方向大致分成3個區域，即冒落帶(跨落帶)、斷裂帶(裂隙帶)和彎曲下沉帶，如圖1所示。“三帶”在水平或緩傾斜煤層開采時表現得比較明顯。由于采厚、采空區大小、巖石性質、頂板管理方法及開采深度等的不同，上覆巖層中的“三帶”不一定同時存在。

1.1 冒落帶

冒落帶是指在使用全部跨落法管理的頂板在放頂后產生的破壞范圍，其破壞特點如下：隨著工作面的推進，直接頂在自重的影響下發生法向彎曲，而當巖體拉應力超過巖石的極限抗拉強度時，便產生拉裂。

1-地面塌陷區；2-巖層開始移動邊界線；3-巖層移動穩動邊界線；Ⅰ-冒落帶；Ⅱ-裂隙帶；Ⅲ-彎曲下沉帶圖1 開采后巖層移動概貌

冒落帶高度主要取決于采厚及上覆巖體的碎脹系數，一般來說冒落帶高度為采厚的3～5倍。薄煤層開采時，冒落帶高度一般為采厚的1.7倍左右。頂板巖體堅硬時，冒落帶高度為采厚的5～6倍。當頂板為軟巖時，冒落帶高度一般為采厚的2～4倍。一般來說冒落帶高度可用下式近似估算：

式中：h—冒落帶高度，m；m—開采厚度，m；k—覆巖碎脹系數；α—煤層傾角，(°)。

1.2 裂隙帶

裂縫帶是采空區上覆巖層中產生裂縫、離層及斷裂，但仍保持層狀結構的那部分巖層。裂縫帶通常位于冒落帶與彎曲帶之間。

冒落帶和裂縫帶統稱為導水裂隙帶，兩者之間的分界線并不明顯。一般來說覆巖距采空區的距離越大，破壞程度就越小。在采深較小、采厚較大、采用全部跨落法管理頂板的情況下，兩帶高度有時甚至發展至地表。此時地表與采空區相互連通，呈現出塌陷或崩落狀態。兩帶高度與巖石性質息息相關，一般來說，軟巖形成的兩帶高度較硬巖低。

1.3 彎曲帶

彎曲帶是指位于裂隙帶之上的巖體塑性變形區及彈性區。彎曲帶內的巖石移動特點為：在自重作用下，彎曲帶內巖層產生層面法線方向上的彎曲，且在水平方向上處于雙向受壓的狀態，因此其壓實性較好，具有隔水的作用。

開采深度是影響彎曲帶高度的主要因素。在大采深情況下，彎曲帶高度可以遠超冒落帶及裂隙帶高度總和。此時，裂隙帶不會發展至地表，地表的移動及變形也相對平緩。有時在地表面可能會形成些許由于地表拉伸作用產生的裂縫，但這些裂縫一般達到一定深度后會自行閉合或消失，其通常不與井下裂縫相連通。

2 導水裂隙帶發育規律

2.1 導水裂隙帶形態及特征

導水裂隙帶往往起始于煤壁的前方或在煤壁上。對于軟弱覆巖來說，導水裂隙帶的形態通常為兩邊高中間低的“馬鞍型”。而對中硬或以上覆巖來說，其導水裂隙帶的“馬鞍型”更為明顯。隨著工作面的推進，上覆巖層經歷了彎曲、離層直至破壞的運動過程。而當工作面推進到一定程度，且經過一定時間，隨著冒落巖石離層、壓實過程的完成，導水裂隙帶的發展將最終趨向穩定。

2.2 影響導水裂隙帶發展的因素

采厚與工作面參數：由于郭家河煤礦采用綜采放頂煤一次性采全高進行開采，開采煤層厚度較大，則導水裂隙帶發育高度也比較大。

采煤方法和頂板管理方法：郭家河煤礦采用綜采放頂煤一次性采全高開采工藝，全部垮落法管理頂板，由于煤層開采后冒落空間較大，將加劇上覆巖層的破壞，導致導水裂隙帶發育高度較大。

巖性和地質條件：根據郭家河井田勘探地質報告，工作面煤層直接充水含水層為侏羅系中統直羅組砂巖裂隙含水層(Ⅸ)，以及侏羅系中統延安組煤層及其頂板砂巖裂隙含水層(Ⅹ)，充水方式為頂板進水，對工作面生產影響不大。但在距3煤工作面上方300 m左右的白堊系下統洛河組砂巖孔隙～裂隙含水層涌水量較大，若其順導水裂隙帶進入工作面，將對工作面的安全生產產生很大的影響。但在白堊系下統洛河組含水層下方有幾層厚度較大的砂質泥巖和砂巖，由于砂質泥巖強度弱，可塑性較好，能有效阻止導水裂隙帶的發展，而上覆砂巖巖層較厚且比較堅硬，可有效支撐上覆軟巖阻止其破壞斷裂，通過砂質泥巖和砂巖的組合，可有效阻止導水裂隙帶向上覆含水層的發展。

煤層賦存情況：煤層賦存情況對導水裂隙帶高度的影響主要體現在煤層傾角上。隨著煤層傾角的變化，導水裂隙帶的發展過程、分布形態、高度等一系列特征都將產生變化。一般來說，由于煤層傾角的影響，冒落的巖塊將在采空區發生運動，從而影響上覆巖層的破壞情況。對于綜放開采來說，由于其煤層傾角較小，因此對于導水裂隙帶的影響有限。但在向斜和背斜的軸部，煤層傾角較大，對導水裂隙帶發育的程度還是有一定的影響，隨著工作面的推移，上覆巖層將逐漸破碎冒落，在向斜軸部附近，由于斷裂巖塊的相互咬合，可有效支承上覆巖層阻止其斷裂，且已冒落巖塊向向斜軸部滑落，可有效對采空區進行充填，可進一步阻止上覆巖層的斷裂，對控制導水裂隙帶的發展具有積極影響。在背斜的軸部附近，由于巖塊斷裂后旋轉失穩滑落，降低了對上覆巖層的支承作用，導致破碎巖層進一步發展，而且由于軸部附近已冒落矸石向背斜翼部滑落，導致背斜軸部附近采空區冒落空間進一步加大，加劇了導水裂隙帶向上覆巖層的發展。

地質構造：斷層與采空區的位置、斷層的透水性等因素將影響導水裂隙帶的最大高度及其破壞形態。根據相關研究結果，斷層對導水裂隙帶影響主要體現在：隨著斷層與采空區相對位置的變化而變化；斷層面傾角越大，導水裂隙帶高度增長率就越大；當不留設斷層防水煤柱時，開采斷層上盤所引起的導水裂隙帶增長比開采下盤時要小；留設一定的防水煤柱而至開采斷層上盤或下盤的情況，與上下盤同時留設煤柱開采的情況相比，導水裂隙帶高度不會明顯增大。而在靠近斷層的一側，導水裂隙帶在橫向范圍上會有所縮小。

時間過程：根據郭家河煤礦綜放面生產計劃表，當日平均推進4～5 m，且工作面上覆巖層屬中硬巖層，約2個月時間，即當工作面推進長度約等于工作面傾向長度時，上覆巖層破壞范圍最大，導水裂隙帶也將達到最大。隨著工作面的推進，上覆巖層將彎曲下沉，并有序地壓在已破碎巖層上，且工作面上方巖層為泥巖和砂巖互層，經過上覆巖層的擠壓作用，有利于巖層中裂隙的閉合，致使導水裂隙帶高度有所降低。

2.3 理論基礎和研究方法

導水裂隙帶的高度：可認為是由“冒落帶”和“斷裂帶”組成的。冒落帶的高度可通過冒落公式進行計算，裂隙帶的高度則根據基本頂、主關鍵層及較厚的軟巖層的位置來斷定。隨著工作面的推移，直接頂將直接破碎冒落，形成冒落帶。在基本頂與主關鍵層之間的巖層則會發生破壞、斷裂、離層等現象形成裂隙帶。當工作面推進到一定的距離后，超過主關鍵層的承受極限，主關鍵層也將斷裂，進而導致裂隙帶向上發育。但隨著主關鍵層的斷裂，上覆在主關鍵層的巖層也將發生斷裂、彎曲下沉。以1303工作面為例，在主關鍵層的上方有一層64.06 m的軟弱巖層——砂質泥巖，其對裂隙的發展將成主要抑制作用，從而阻止下位巖層裂隙傳遞至上位巖層。

煤厚區劃分：根據1303煤層厚度賦存規律，從切眼向前300 m范圍內煤層較厚，平均煤厚約18 m；從G16-3鉆孔至工作面采面的中部，平均煤厚約15 m；從采面中部到設計停采線位置，平均煤厚約12 m。為了研判整個1303首采綜放面覆巖運動規律，按煤層厚度將工作面劃分3個段落，分別為18 m煤厚區、15 m煤厚區和12 m煤厚區。通過研究3種煤厚區的覆巖運動規律，來體現整個1303工作面的覆巖運動規律。

2.4 導水裂隙帶發育高度的預測

18 m煤厚區(煤層開采厚度為18 m)：1303工作面直接頂巖層大部分為砂巖，因此巖石的碎脹系數取1.25，來粗略估算采高h對覆巖運動的影響。根據冒落空間計算公式，冒落帶的高度即為頂煤到i層之間巖層的厚度，參照3種煤厚區的煤層厚度，來分別計算不同的采高對覆巖運動的影響，以確定其導水裂隙帶的發育高度。

KAmi>Si=h+m1+m2+…+mi-KAm1-KAm2-…-KAmi-1

根據冒落空間公式計算到3煤層上方第21層(粗粒砂巖)冒落空間為

S21=h+m1+m2+…+m21-KAm1-KAm2-…-KAm20=3.005 m

m21冒落后充填厚度為

KAm21=KA×m21=1.25×2.90=3.625 m

因KAm21>S21，故m21巖層不冒落。

煤層上方18層巖層厚度之和為66.55 m，即冒落帶高度可以達到離3煤頂板66.55 m處；由于第22層主關鍵層粉砂巖可看作基本頂或者認為較接近基本頂，因此隨著工作面的推移主關鍵層也很快隨之斷裂，則對裂隙發育起抑制作用的軟巖(64.06 m厚的砂質泥巖)將阻止裂隙發育到上位巖層，因此裂隙帶的高度為離3煤頂板66.55～175.31 m。

15 m煤厚區(煤層開采厚度為15 m)：根據冒落空間公式計算到3煤層上方第19層(泥巖)冒落空間為

S19=h+m1+m2+…+m19-KAm1-KAm2-…-KAm18=10.495 m

m13冒落后充填厚度為

KAm18=KA×m18=1.3×6.25=11.275 m

因KAm19>S19，故m19巖層不冒落。

煤層上方16層巖層厚度之和為47.90 m，即冒落帶高度可達到離3煤頂板為47.90 m處；根據柱狀圖可知第20層中粒砂巖為其基本頂，且主關鍵層第22層20.26 m厚的粉砂巖對裂隙的發育也有一定的抑制作用，在一定程度上降低了裂隙的發育，因此裂隙帶的高度為離3煤頂板47.90～111.25 m。

12 m煤厚區(煤層開采厚度為12 m):根據冒落空間公式計算到3煤層上方第17層(炭質泥巖)冒落空間為

S17=h+m1+m2+…+m17-KAm1-KAm2-…-KAm16=1.00 m

m17冒落后充填厚度為

KAm17=KA×m17=1.25×1.2=1.50 m

因KAm17>S17，故m17巖層不冒落。

煤層上方14層巖層厚度之和為40.45 m，冒落帶高度為可達到離3煤頂板40.45 m處，則第18層中粒砂巖為基本頂。根據柱狀圖及關鍵層計算知第20層中粒砂巖為亞關鍵層，第22層粉砂巖為主關鍵層，關鍵層在一定程度上抑制裂隙的發育，阻止裂隙發育到上位巖層，因此裂隙帶的高度為離3煤頂板40.45～89.71 m。

3 結語

根據理論計算可知，煤層開采厚度為18 m時，冒落帶高度為66.55 m，裂隙帶發育高度最大為175.31 m；煤層開采厚度為15m時，冒落帶高度為47.90 m，裂隙帶高度最大為111.25 m；煤層開采厚度為12 m時，冒落帶高度為40.45 m，裂隙帶高度最大為89.71 m。