恒昇9301工作面覆巖導水裂隙帶高度及突水危險性

榮 劍，黃順杰

（1.安徽省皖北煤電集團臨汾天煜恒昇煤業有限責任公司，山西 臨汾041000；2.安徽理工大學 礦業工程學院，安徽 淮南232001）

煤層開采破壞了上覆巖層原始應力場的平衡狀態，引起巖層應力重新分布，造成采場上覆巖層的變形、移動、離層、斷裂、垮落等，形成冒落帶、導水裂縫帶和彎曲帶[1]。當煤層上覆巖層有含水層和老空區積水時，確定回采工作面冒落帶和導水裂縫帶的發育高度，是預測頂板突水及防治突水危險的前提和依據[2-3]。

目前，對采動覆巖移動、變形、破壞的研究主要有經驗公式、數值模擬、相似試驗和現場探測等方法和技術手段[4-8]。這些方法在提高了冒落帶、導水裂縫帶發育高度計算精度的同時，也為煤礦的安全、高效生產提供了保障。孫慶先等[4]綜合運用地表鉆孔沖洗液漏失量觀測、鉆孔彩色電視觀測和井下瞬變電磁法物探等技術手段，對神華寧煤集團紅柳煤礦1121厚煤層、軟覆巖工作面采空區上覆巖層“兩帶”高度進行了探測，表明綜采一次采全高工作面冒落帶高度為煤層厚度的8.55倍、導水裂縫帶高度為煤層厚度的12.51倍。來興平等[5]以地處戈壁灘的新疆哈密地區大南湖一礦為工程背景，開展了極干旱氣候下三軟煤層綜放開采覆巖破裂及裂隙導水特征的研究，為三軟煤層綜放工作面安全開采及保水采煤方案的確定提供了科學依據。滕永海[6]依據現場實測數據，探討了綜放條件下導水裂隙帶發育特征，研究了綜放導水裂隙帶最大高度計算公式，表明綜放條件下導水裂隙帶發育高度要比普采條件下、分層綜采條件下的大，導水裂隙帶發育高度分別增大了1.37倍和2.31倍。楊達明等[7]以某礦11915綜放工作面為例，綜合運用井下鉆孔注水漏失量觀測、鉆孔電視和數值模擬等技術手段，對厚松散層、軟弱覆巖下綜放工作面采空區上覆巖層導水裂隙帶高度進行了探測。張玉軍等[8]以王坡煤礦為試驗礦井，采用鉆孔沖洗液漏失量觀測和鉆孔彩色電視系統，探測了高強度綜放開采覆巖破壞高度，并對監測到的裂隙發育演化進行了數字化分析和相似模擬試驗研究。

上述研究成果在保障煤礦安全生產方面起到了有效指導作用，但沒有在確定上覆巖層導水裂隙帶高度的基礎上進一步結合煤礦水文地質條件對礦井突水危險性進行分析研究。本文以臨汾天煜恒昇煤礦9301綜放工作面開采為工程背景，采用理論分析和數值模擬相結合的方法，在確定9301綜放工作面冒落帶和導水裂隙帶發育高度的前提下，分析了9301綜放工作面回采過程覆巖破壞對上覆含水層和老空區積水的影響及其突水危險性。研究成果對保證9301工作面的安全高效開采具有重要的工程指導意義。

1 工程概況

安徽省皖北煤電集團臨汾天煜恒昇煤礦現主采9+10號煤層，9301工作面位于三采區南部，該工作面北部為未開拓區域，南部為一采區，局部靠近9102和9104采空區，西部以北翼運輸大巷里段為界，東部礦界外為皖北煤電集團恒晉煤礦。9301工作面長938m，寬200m，煤層底板賦存標高1140-1193m，平均煤層厚度5.0m，煤層一般傾角2°-10°，如圖1所示。

圖1 9301工作面平面圖

如表1所示，9301工作面直接頂、老頂為淺海相石灰巖，深灰色-黑灰色，鈣質膠結結構，致密堅硬，裂隙發育有小溶洞，充填有方解石脈，含大量筵類動物化石，如長似紡錘筵和太原網格長身貝等，巖石以K2石灰巖為主，中下部含泥巖薄層，平均厚度13.09m。K2石灰巖抗壓強度較大，平均抗壓強度29.6MPa，平均抗拉強度1.3 MPa，抗剪內摩擦角35°20′，凝聚力系數3.9，普氏硬度系數9.63，堅硬程度屬中硬巖，為較難冒落頂板。直接底為泥巖，黑色，粉砂質膠結，含大量植物根部化石，厚度1.82m。老底主要為泥巖、煤、石灰巖。

表1 9301工作面頂底板巖性及其與上覆各巖層之間平均距離

9301工作面上方區域2號煤層已回采，老空區積水及頂板砂巖含水層（主要有K5、K7和2號煤采空區積水及頂板砂巖含水層）是工作面主要充水來源。若9+10號煤層開采后導水裂隙帶連通上覆老空區積水和頂板砂巖含水層，將威脅著礦井的安全生產。為了保障礦井安全高效生產，需要根據現有的礦井地質及水文地質資料，并結合9301工作面開采情況，對9301工作面開采覆巖破壞和導水裂隙帶發育高度進行探測研究，確定導水裂隙帶發育高度，形成相應的防治水害技術措施，指導礦井安全高效生產。

2 9301工作面覆巖“兩帶”高度計算

由于綜放開采具有高產高效的優點，在我國厚煤層開采礦井得到迅速普及。但目前《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中沒有綜放開采工作面“兩帶”高度的經驗計算公式[2]。為此，中國礦業大學和唐山煤科院分別總結，并提出了一定條件下綜放開采“兩帶”高度的經驗計算公式，如表2所示。

9301工作面選用ZF5600/18/35型液壓支架，9301工作面平均開采煤厚4.4m，工作面采高2.4m，放煤厚度2.0m。9301工作面上覆巖層為中硬巖層，根據表2計算得到冒落帶高度為：

表2 綜放開采“兩帶”高度經驗計算公式

導水裂隙帶高度為：

因此，依據經驗公式，恒昇煤業9301綜放工作面最大冒落帶高度為25.39m，最大導水裂隙帶高度為66.325m。

3 9301工作面覆巖“兩帶”破壞特征

9301工作面開采后，上覆巖層破壞具有明顯的分帶性，依據礦山壓力與巖層控制理論，工作面開采后上覆巖層自下而上一般形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，其中冒落帶和裂隙帶發育高度是工作面安全生產的重要技術參數，稱為“兩帶”。“兩帶”的形態和具體發育高度與工作面地質條件密切相關，對指導礦井水害防治意義重大。下面分別從覆巖塑性區破壞特征和應力判別法兩個角度來對9301工作面覆巖“兩帶”發育特征進行分析。

3.1 覆巖塑性區破壞特征

巖層屈服后進入塑性狀態，其完整性遭到破壞，一方面巖體本身固有的裂隙進一步擴展與延伸，另一方面又產生新的裂隙，這些裂隙互相連通即構成裂隙通道。采場覆巖塑性區破壞特征能夠直觀地反映覆巖破壞形態，是分析“兩帶”發育高度，特別是判定最大導水裂隙帶高度的主要依據之一。9301工作面回采400m時，走向方向和傾向方向采空區中央位置處的塑性區剖面，如圖2所示。

從塑性區分布可以看出，采空區上覆巖層主要以拉伸和拉剪破壞為主，再向上以剪切破壞為主。采動后覆巖自上而下大致可以分為5個變形破壞區域，分別為未受破壞區、塑性變形區、拉張裂隙區、拉張破壞區和局部拉張區。煤層開采后，影響覆巖裂隙帶高度的主要是工作面前后巖壁上方和采空區上方的塑性區分布。冒落帶巖層一般處于局部拉張區，塑性區表現為拉破壞，由圖2可以獲得9301工作面冒落帶發育高度為16.33m，導水裂隙帶發育高度為60.6m（塑性區發育最大高度）。

圖2 9301工作面回采400m時走向和傾向方向采空區中央位置塑性區分布

3.2 應力判別法

應力判別法是通過采用不同的強度準則和屈服準則，進行有限元計算，獲得每一節點的應力，通過該節點的應力狀態來判斷該點是否發生屈服破壞。其中，拉應力區和較小壓應力區是裂隙發育的區域，拉張破壞區和拉張裂隙區的上界限是確定冒落帶高度和導水裂隙帶高度的重要判別依據。圖3為9301工作面推進400m時走向和傾向方向采空區中央位置最大主應力、最小主應力、水平應力（SXX和SYY）云圖。

從圖3（a）和（b）主應力等值線云圖可以看出，最大主應力的形態類似于“馬鞍”型，與塑性區分布形態基本上一致，最小主應力的形態呈“拱”型向上發展；從圖3（c）和（d）水平應力等值線云圖可以看出，上覆巖層內水平應力的垂直分帶比較明顯，采空區上覆一定范圍內出現了拉應力，超過此范圍后，拉應力逐步轉變為壓應力，且水平應力等值線變得稀疏。

圖3 9301工作面推進400m時最大主應力、最小主應力和水平應力云圖

從主應力的大小、方向可以得到在垂直方向上，按照水平應力和主應力的大小和性質可以分為三個區，分別為雙向拉應力區、拉壓應力區和壓應力區。雙向拉應力區表現為最大和最小主應力都大于0，主要分布于采空區冒落帶巖層內，當拉應力超過巖體的極限抗拉強度時，巖層斷裂、垮落，應力釋放轉移；拉壓應力區表現為最大主應力大于0，最小主應力小于0，主要分布在冒落帶巖層外，巖層所受某一方向的拉（壓）應力高于抗拉（壓）強度而產生剪切裂隙、拉張裂隙；壓應力區表現為最大和最小主應力都小于0。冒落帶一般位于采動覆巖雙向拉應力區和拉壓應力區，其破壞形式以拉張破壞和剪切破壞為主，主應力的大小和巖體性質控制著冒落帶的發育高度以及，采動裂隙的張開度、密度和貫通性。

3.3 “兩帶”界定準則

巖石是一種抗壓不抗拉的材料，一般認為，如果采空區覆巖最大、最小主應力都為拉應力，該位置處巖石將產生全面拉破壞，該處頂板冒落形成冒落帶；如果只有一個主應力是拉應力，則與該拉應力垂直的方向將產生明顯裂隙，形成裂隙帶。設定拉應力為正，以覆巖主應力都為拉應力范圍作為冒落帶，將一個方向主應力為拉應力的范圍作為裂隙明顯的裂隙帶高度。

圖4為9301工作面不同推進距離時，覆巖冒落帶和裂隙帶發育高度變化規律。由圖4可知，當9301工作面推進40m時，冒落帶高度為7.5m，裂隙帶高度為35.2m；推進80m時，冒落帶高度為8.6m，裂隙帶高度為44.9m；推進120m時，冒落帶高度為9.55m，裂隙帶高度為49.1m；推進160m時，冒落帶高度為11.89m，裂隙帶高度為53.12m；推進200m時，冒落帶高度為13.11m，裂隙帶高度為56.23m；推進240m時，冒落帶高度為13.92m，裂隙帶高度為57.54m；推進280m時，冒落帶高度為14.61m，裂隙帶高度為58.2m；推進320m時，冒落帶高度為15.52m，裂隙帶高度為59.4m；推進360m時，冒落帶高度為16.01m，裂隙帶高度為60.1m；推進400m時，冒落帶高度為16.33m，裂隙帶高度為60.6m。綜上分析可知，9301工作面覆巖冒落帶高度與工作面推進距離關系不大，隨工作面推進距離的增加而緩慢增加，冒落帶發育高度為7.5-16.33m；裂隙帶發育高度隨著工作面推進距離的增加而快速增加，在工作面一次見方后，裂隙帶發育高度趨于平緩，基本保持在一個穩定值，裂隙帶發育高度為35.2-60.6m。

圖4 9301工作面不同推進距離時覆巖冒落帶和裂隙帶發育高度

4 9301工作面突水危險性

依據水文地質和物探資料（表1），9301工作面上覆巖層主要有K2、K3、K4、K5裂隙含水層和2號煤層采空區積水及頂板砂巖含水層，其中K2石灰巖和K5砂巖含水層富水性較好，屬富水性弱-中等的含水層，為9+10號煤層直接充水含水層，且K2灰巖和K5砂巖存在富水異常區。另外，2號煤層部分已開采區域存在水量不詳、分布不均的老空區積水。

根據9301綜放工作面中硬頂板的條件，由經驗公式計算的9301綜放工作面冒落帶高度為20.68±4.71m，導水裂隙帶發育高度為54.835±11.49m。由數值模擬獲得的9301綜放工作面冒落帶高度為16.33m，導水裂隙帶發育高度為60.6m。理論分析和數值模擬表明，9301綜放工作面冒落帶高度在15.97-25.39m之間，導水裂隙帶發育高度在43.345-66.325m之間。因此，9301綜放工作面導水裂隙帶發育最大高度為66.325m，而9+10號煤層與上覆K6泥質灰巖之間的距離為67.37m，與上覆4號煤層之間的距離為79.28m，如表1所示。9301工作面開采后，采場覆巖導水裂隙帶最高發育到K6泥質灰巖內，同時，4號煤層下方泥巖對覆巖導水裂隙具有一定的封堵作用。由于9+10號煤層與上覆K5砂巖之間的距離為42.43m、與K6泥質灰巖之間的距離為67.37m，因此9301工作面開采后，9+10號煤層上覆的K5砂巖、K6泥質灰巖將進入覆巖導水裂隙帶的最高發育范圍內，而2號煤層將整體處于9+10號煤層上覆彎曲下沉帶范圍內。

另外，9301工作面導水裂隙帶發育最大高度尚未達到2號煤層，且9301工作面上覆K2、K3、K4和K5裂隙含水層之間均勻分布有厚度不等的泥巖、砂質泥巖，其巖性比較致密，具有良好的隔水性能，阻隔了各含水層之間的水力聯系，厚度不等的泥巖、砂質泥巖起到了層間隔水作用。因此，當9301工作面上覆2號煤層沒有開采、比較完整、不存在老空區時，9301工作面開采過程中基本不會受到2號煤層老空區積水的威脅，其防治水的重點為K2灰巖和K5砂巖富水異常區。9301工作面回采前，應依據地面瞬變電磁探測結果，對K2灰巖和K5砂巖富水異常區進行預先疏放，同時在回采過程中加強K2灰巖和K5砂巖含水層水害的探查和水文地質觀測分析。而當9301工作面上覆2號煤層已開采、存在老空區，并形成底板采動破壞裂隙帶時，9301工作面開采后產生的導水裂隙帶可能會與2號煤層底板采動破壞裂隙帶溝通，此時會受到2號煤層老空區積水的威脅，其防治水的重點為K2灰巖、K5砂巖富水異常區和2號煤層老空區積水。9301工作面回采前，應依據地面瞬變電磁探測結果，對K2灰巖、K5砂巖富水異常區和2號煤層老空區積水進行預先疏放，同時在回采過程中加強K2灰巖、K5砂巖含水層和2號煤層老空區積水的探查和水文地質觀測分析。

綜上所述，9301工作面開采后，采場覆巖導水裂隙帶最大高度（66.325m）發育到4號煤層下方K6泥質灰巖內，其尚未達到2號煤層；對于沒有開采的2號煤層，其下方9+10號煤層開采時基本不會受到2號煤層老空區積水的威脅；而對于已開采的2號煤層，其下方9+10號煤層開采后產生的導水裂隙帶可能會與2號煤層底板采動破壞裂隙帶溝通，此時會受到2號煤層老空區積水的威脅，應加強探放水，做好水害防治技術措施。應注意的是，雖然9+10號煤層上覆含水層屬富水性弱-中等含水層，但局部地段可能出現中等至強含水層，在構造發育地段易形成積水空間和導水通道，開采至此部位時，易發生突水事故。特別是隨著開采面積的增大，采空區頂板塌陷、冒落后，會進一步加強煤層上覆各含水層之間的水力聯系。開采過程中應根據涌水量變化情況及時采取相應措施，加強礦井水文地質工作和防治水工作，確保礦井安全生產，必須堅持探放水原則，以防發生突水事故。

5 結論

（1）根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中經驗公式，計算了綜放條件下恒昇煤礦9301工作面冒落帶最大高度為25.39m，導水裂隙帶高度為66.325m。

（2）采用FLAC數值軟件，分析了工作面覆巖應力場及塑性區分布特征，通過塑性區破壞特征、應力判別等方法，獲得了恒昇煤礦9301工作面冒落帶發育高度為16.33m，導水裂隙帶發育高度為60.6m。

（3）理論分析和數值模擬表明，恒昇煤礦9301綜放工作面冒落帶高度在15.97-25.39m之間，導水裂隙帶發育高度在43.345-66.325m之間。

（4）恒昇煤礦9301工作面開采后所形成的最大導水裂隙帶高度小于9+10號煤層與2號煤層之間的平均間距，9301工作面開采后上覆2號煤層整體處于彎曲下沉帶范圍內，基本不會受到2號煤層老空區積水的威脅，其防治水的重點為K2灰巖和K5砂巖富水異常區。