黃土覆蓋區(qū)采煤地表裂隙垂向延伸規(guī)律：以神南礦區(qū)為例

李 濤，高 穎，馮 海

(1.六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004； 2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710065； 3.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院，陜西 西安 710065)

西北地區(qū)是我國煤炭主產(chǎn)區(qū)，該區(qū)大規(guī)模的煤炭開采已經(jīng)誘發(fā)了一系列的生態(tài)問題，包括植被退化、泉水枯竭、河水減流、地表荒漠化及突水潰沙等。這些生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)重制約了生態(tài)脆弱礦區(qū)的煤炭綠色開采，煤炭開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)矛盾突出[1-3]。為此，專家學(xué)者開展了保水采煤研究。其中，地表裂隙對淺部土壤含水量有直接影響，造成生態(tài)退化，是保水采煤研究中的重要組成部分[4]。

關(guān)于地表裂隙，早在煤炭大規(guī)模開發(fā)的初期就有大量研究成果，涉及地表裂隙的發(fā)育深度、寬度、平面展布規(guī)律等[5-9]。但當(dāng)時研究地表裂隙的主要目的是為了評價煤炭開采對地表建筑物、水體、道路的影響，因此重點(diǎn)關(guān)注地表裂隙的開度和顯現(xiàn)深度。而地表裂隙顯現(xiàn)深度下是否還有隱伏裂隙、延伸到什么深度，未見系統(tǒng)研究。保水采煤問題得到了專家的全面關(guān)注后，有很多關(guān)于采煤塌陷區(qū)的研究成果，研究發(fā)現(xiàn)采煤土壤含水率影響深度普遍比地表裂隙顯現(xiàn)深度更大[10]。

本次研究采用理論分析和地表觀測，分析了煤炭開采黃土中地表裂隙的極限顯現(xiàn)深度。采用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)和微電阻率掃描成像測井等，對地表裂隙極限顯現(xiàn)深度下的延伸規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 研究區(qū)概況

1.1 采礦地質(zhì)概況

研究區(qū)位于神木北部礦區(qū)的南部(以下簡稱“神南礦區(qū)”)，地貌上屬于風(fēng)沙灘地區(qū)和黃土高原的交接地區(qū)，包括黃土梁峁與風(fēng)沙灘地兩種主要地貌。目前，神南礦區(qū)采煤工作面主要分布在黃土梁峁區(qū)，黃土層厚度為40 m左右，最厚達(dá)70 m以上。研究區(qū)地層傾角約為1°，構(gòu)造不發(fā)育。研究區(qū)可采煤層有5層，目前開采區(qū)域基本為2個煤層疊加開采區(qū)域。采煤方法主要是綜采，采煤厚度變化較大，集中在2～5 m。黃土梁峁區(qū)煤炭開采后發(fā)育了大量的地表裂隙，造成了地表植被不同程度的退化。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)圖Fig.1 Hydrogeological map of the study area

1.2 水文地質(zhì)條件概況

神南礦區(qū)水文地質(zhì)條件如圖1所示，區(qū)內(nèi)主要含隔水層自上而下依次是松散砂層含水層(黃土梁峁區(qū)缺失)、黃土相對隔水層(離石黃土+保德紅土)、基巖含隔水層、煤層隔水層(局部地區(qū)由于煤層自燃，上覆基巖演變?yōu)楸换馃^的巖石含水層)。其中，松散砂層含水層受大氣降水補(bǔ)給最富水，但下伏黃土層隔水層較好，因此除火燒的巖石含水層外，其他含水層富水性較差。因此，松散砂層是保水采煤的目的層，黃土層是保水采煤的關(guān)鍵層，其中裂隙發(fā)育規(guī)律需要開展研究。

2 地表裂隙極限顯現(xiàn)深度

2.1 地表觀測

在神南礦區(qū)N1112工作面和N1206工作面穩(wěn)定后(回采結(jié)束1年以上)，對地表裂隙顯現(xiàn)深度進(jìn)行了觀測。觀測結(jié)果見表1，包括單一采煤工作面和2個工作面疊加區(qū)域的觀測成果。由表1可知，單一煤層開采區(qū)域，煤炭開采厚度越大，地表裂隙顯現(xiàn)深度越大，且兩者接近正比關(guān)系；地表裂隙顯現(xiàn)深度還受地形影響，地形平坦區(qū)域明顯小于地形起伏區(qū)域；與采煤工作面推進(jìn)方向近垂直的裂隙較近平行的裂隙，其顯現(xiàn)深度更大；在研究區(qū)采礦地質(zhì)條件下，煤層疊加開采區(qū)域較單一煤層開采區(qū)域地表裂隙顯現(xiàn)深度更大。

表1 地表觀測結(jié)果Table 1 Results of surface observations

2.2 理論分析

依據(jù)前人研究成果[11]，地表裂隙發(fā)育的深度約為煤層開采厚度的-2倍。但表1顯示的現(xiàn)場觀測結(jié)果(-0.12～1.45 m)均遠(yuǎn)小于煤層開采厚度(2.0～6.9 m)的-2倍，說明地表裂隙的顯現(xiàn)深度下存在隱伏裂隙(圖2)。其中，地表裂隙顯現(xiàn)深度主要受黃土主動土壓力影響，依據(jù)土力學(xué)中摩爾庫倫理論，計算公式見式(1)。

(1)

式中：hj為黃土地表裂隙的極限自穩(wěn)深度，m；c為黃土的內(nèi)聚力，kPa；φ為黃土的內(nèi)摩擦角，(°)；γ為黃土的容重，kN/m3。 在神南礦區(qū)采煤前獲取了黃土樣，通過室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)測定的黃土參數(shù)(c取32.2 kPa，φ取10°，γ取18.4 kN/m3)帶入式(1)，可以計算出神南礦區(qū)黃土的極限自穩(wěn)定深度為-4.2 m。由于煤炭開采后，地表黃土受不同程度的卸載作用，實(shí)際內(nèi)聚力c與室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果相比會有不同程度的降低，因此地表裂隙顯現(xiàn)深度比-4.2 m還要低。

圖2 煤炭開采隱伏裂隙發(fā)育示意圖Fig.2 Schematic diagram of development of hidden fissures in coal mining

3 物理相似模擬

3.1 模型的建立

物理模型以神南礦區(qū)1-2煤層(N1112工作面)、2-2煤層(N1206工作面)疊加開采為背景，以采煤工作面上鉆孔數(shù)據(jù)為依據(jù)，模擬原型相關(guān)參數(shù)見表2。物理相似模擬材料方面，基巖選取河沙、石膏、大白粉、粉煤灰和水。黃土則依據(jù)前人正交實(shí)驗(yàn)成果選定為黃土和食用油[12]。需要指出的是，這種相似配比在幾何尺度縮小的前提下，地表裂隙極限顯現(xiàn)深度不影響模型地表裂隙的觀測。模型的幾何比定為1∶150，容重比定為1∶1。最終建立的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?.0 m(長)×0.2 m(寬)×2.5 m(高)，如圖3所示，并在距離模型地表5 cm深度的黃土中設(shè)置位移觀測線G。

3.2 模擬結(jié)果及分析

依次將模型的1-2煤層和2-2煤層開采，按照設(shè)定的幾何比，計算出模擬原型的裂隙深度和沉降量，如圖4所示。 由圖4可知，1-2煤層開采到138 m時，G線沉降穩(wěn)定在-0.6 m，地表裂隙最大發(fā)育深度穩(wěn)定在-3.75 m。 采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)至200 m，沉降和地表裂隙不再進(jìn)一步增大。2-2煤層開采到200 m時，G線沉降穩(wěn)定在-3.4 m，地表裂隙最大發(fā)育深度穩(wěn)定在-15 m。采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)至218 m，沉降和地表裂隙不再進(jìn)一步增大(最終的模擬結(jié)果見圖5)。物理模擬得到的地表裂隙深度-15 m為煤層采厚(6.97 m)的-2.15倍，這與前人研究結(jié)果相當(dāng)[11]。說明地表裂隙的極限顯現(xiàn)深度以下，還有隱伏裂隙的存在。

表2 模擬原型覆巖構(gòu)成及其力學(xué)性質(zhì)Table 2 Main strata composition and mechanical properties of simulated prototype overburden rock

圖3 物理模型Fig.3 Physical model

圖4 模擬原型地表裂隙深度和沉降量反演結(jié)果Fig.4 Inversion results of simulated prototype surface fissure depth and subsidence

圖5 物理模擬結(jié)果照片F(xiàn)ig.5 Photograph of physical simulation results

4 現(xiàn)場測試

4.1 現(xiàn)場實(shí)測方法

神南礦區(qū)N1206工作面主采2-2煤層，采厚4.9 m。在煤層開采塌陷穩(wěn)定后，在采空區(qū)上方實(shí)施2個鉆孔。其中一個為對比鉆孔，設(shè)置在未開采區(qū)域；另一個鉆孔實(shí)施的位置，周邊地表裂隙有一定的發(fā)育。煤層埋深-191.1 m，上覆基巖總厚度為92.24 m，黃土總厚度98.86 m。鉆探過程中進(jìn)行了沖洗液觀測、靜水位觀測和黃土段的微電阻率掃描成像測井(該技術(shù)對鉆探泥皮以外的地層進(jìn)行成像測井，是石油系統(tǒng)先進(jìn)的技術(shù)手段)。微電阻率掃描成像測井情況如圖6所示，觀測結(jié)果得到了其他手段的佐證，效果可信。

圖6 測井工程實(shí)施Fig.6 Logging engineering implementation

4.2 實(shí)測結(jié)果及分析

實(shí)測結(jié)果可以分為4段，即距離地表埋深0～6 m 段、-6～13 m段、-13～15 m段和-15 m以深段，現(xiàn)分述如下。

1) 0～6 m段。如圖7所示，該段全泵量漏失、沒有觀測到鉆孔水位；另外，由于該段無法存水，微電阻率掃描成像在該段無法實(shí)施。綜上，認(rèn)為該段有明顯裂隙發(fā)育。

2) -6～13 m段。如圖7所示，該段沖洗液消耗量有一定的消耗(0.4～0.5 L/min范圍內(nèi))，有穩(wěn)定的水位，說明該段相對完整，但存在不連續(xù)的小裂隙(圖8(a)，微電阻率掃描成像測井判譯到的小裂隙)。綜上，認(rèn)為該段有不連續(xù)的小裂隙發(fā)育。

3) -13～15 m段。如圖7所示，該段出現(xiàn)明顯的連續(xù)裂隙，沖洗液消耗突變，水位也隨之消失。另外，微電阻掃描成像測井顯示該段有一條完整的裂隙(圖8(b))，其裂隙角度為82.7°，裂隙走向?yàn)?30°，這與采煤工作面推進(jìn)方向近似垂直，說明這是地表裂隙向深部的延伸。

4) -15 m以深段。如圖7所示，該段沖洗液消耗量有明顯的降低，鉆孔水位穩(wěn)定，說明-15 m以深裂隙不發(fā)育，相應(yīng)的微電阻率掃描成像也未識別出高角度小裂隙。

綜合簡易水文觀測和微電阻率掃描成像測井成果，可以看出淺表拉張裂隙在N1206工作面主要發(fā)育在-15 m以淺，這與物理相似模擬結(jié)果相吻合。

圖7 黃土中簡易水文觀測(部分)Fig.7 Simple hydrological observation in loess (part)

圖8 成像測井成果Fig.8 Results of imaging logging

5 結(jié) 論

1) 依據(jù)摩爾庫倫理論，研究區(qū)煤炭開采地表裂隙極限顯現(xiàn)深度為-4.2 m，地表觀測到的裂隙發(fā)育深度都小于該值。

2) 物理相似模擬實(shí)驗(yàn)由于縮小了幾何尺度，采動地表裂隙極限顯現(xiàn)深度對模擬結(jié)果沒有直接影響。物理模擬得到神南礦區(qū)1-2煤層和2-2煤層疊加開采條件下，地表裂隙發(fā)育深度為-15 m，是煤炭開采厚度的-2.15倍，這與前人研究相符合。

3) 神南礦區(qū)鉆孔微電阻率成像測井和水文簡易觀測成果顯示，研究區(qū)采動裂隙有分段性和隱伏性，即極限顯現(xiàn)深度以上裂隙發(fā)育，然后有一段相對完整區(qū)(小裂隙不連續(xù)發(fā)育)，其下存在隱伏裂隙。