高家堡礦井煤層頂板原生裂縫帶分布

馬 驥 藺成森 王青振

（1.陜西正通煤業有限責任公司，陜西 咸陽 713699；2.山東能源淄博礦業集團有限公司，山東 淄博 255000）

高家堡礦井位于鄂爾多斯盆地南緣黃隴煤田彬長礦區西北部，東西長為27.15 km，南北寬為13.73 km，占地面積約216 km2，主采煤層為侏羅系延安組4#煤層，平均煤厚約9.5 m，埋深大致在900～1000 m 之間。高家堡礦井于2015 年10 月投產，采用立井開拓方式，綜采放頂煤回采工藝[1-5]。

高家堡礦井煤層頂板水害威脅嚴重，煤層頂板水害威脅與原生裂縫帶的分布及發育程度密切相關。工作面在回采過程中大量出水，涌水量高達7000 m3/h，大量的涌水致使采掘設備被淹損壞、工作面減產或停產，嚴重干擾礦井的安全生產。

1 研究背景

高家堡礦井煤層頂板直接含水層為侏羅系延安組含水層、直羅組含水層、白堊系洛河組下段含水層，富水性弱；間接含水層為白堊系洛河組中上段含水層，富水性強[1-3]。

一盤區101 工作面是高家堡礦井首采工作面，工作面范圍煤厚11～14 m，采用綜采放頂煤開采工藝，利用產出煤炭資源量反算煤層采高3.5～7.5 m。

前人通過井下上仰鉆孔注水側漏法、數值模擬法、井-地聯合微震監測法，綜合探查給出的首采面煤層頂板導水裂隙帶發育高度為74～173 m，裂采比為20.19～23.07 倍。結合高家堡礦井地層分布特征前期研究成果，采前分析認為該高度最高僅能波及或溝通至富水性弱的直接含水層白堊系洛河組下段含水層。工作面回采過程中發生嚴重突水水害威脅程度相對較低[1-2]。

一盤區101 首采工作面實際生產現狀：工作面回采過程中煤層頂板發生嚴重突水水害，涌水主要來自富水性強的間接含水層白堊系洛河組中上段含水層，瞬時流量大，涌水量最高可達7000 m3/h。說明導水裂縫帶發育高度已縱向向上延伸至距煤層頂面250～300 m 的地層范圍，遠超過了前期綜合探查給出的74～173 m 范圍。

首采工作面煤層頂板含水層注漿改造堵水減水施工過程中漿液漏失信息、示蹤劑注入采空區裂縫連通性試驗、錄井及巖芯描述、礦井生產情況證實：高家堡礦井煤層頂板原生裂縫發育，縱向上裂縫主要發育于侏羅系直羅組地層之上各段地層內，尤其集中分布于白堊系洛河組中下段地層中。

原生裂縫帶不僅可以作為導水通道直接溝通含水層，還可以影響煤層采空冒落形成的導水裂隙帶發育高度，導水裂隙帶與原生裂縫帶溝通，勢必增加導水通道縱向延伸長度，直接溝通富水性強的間接含水層白堊系洛河組中上段含水層，導致工作面回采過程中大量出水，引發突水水害[1-4]。

2 原生裂縫帶預測流程

煤層頂板原生裂縫帶主要由區域構造應力作用下巖層破裂變形而產生的裂縫和斷層組成，原生裂縫具有成組分布或與斷層相互伴生分布的特點。

斷層解釋主要以三維地震數據為基礎，依據地震剖面上的同相軸錯斷、相位變化、地層產狀突變等現象來識別，同時利用一系列輔助手段來提高斷層解釋和組合的合理性，如地震傾角屬性、曲率、structure、相干、邊緣檢測屬性等[5]。

原生裂縫帶的預測主要是通過三維地震數據，依據采掘工作面生產及水害治理情況，在精細構造解釋的基礎上，優選反映原生裂縫帶特征的地震屬性參數，采用人機交互的形式，運用多屬性信息融合技術進行原生裂縫帶預測。融合后的屬性僅代表裂縫發育的相對程度，非絕對的量，無單位。原生裂縫帶預測流程如圖1。

圖1 原生裂縫帶預測流程

參與多屬性信息融合的主要參數包括：一是與反射面的幾何形態有關的屬性，如地震傾角屬性、最大曲率、頻譜能量分析等；二是檢測地震振幅不連續性的屬性，如不連續性檢測、螞蟻體追蹤等；三是在相干相似性、照明體等屬性分析的基礎上，提出基于地震各向異性表征所進行的多屬性融合。

3 原生裂縫帶分布

3.1 分布模式

（1）裂縫分布模式

根據煤層頂板原生裂縫分布及溝通至富水性強的白堊系洛河組中上段含水層段的位置，將原生裂縫劃分成三種分布模式：上部溝通型（洛河組中-上段）、中部溝通型（洛河組中-下段）、下部溝通型（洛河組中段-煤層）。

下部溝通型溝通能力最強，形成水害威脅程度最為嚴重；中部溝通型形成水害威脅程度次之。圖2 為下部溝通型和中部溝通型原生裂縫分布模式。

圖2 裂縫分布模式（CR354）

（2）斷層分布模式

根據斷層在縱向上切割的地層/層位位置，將斷層劃分為四種分布模式：1 類斷層切穿延安組煤層至洛河組上段，2 類斷層切穿延安組煤層至洛河組中下段，3 類斷層主要在洛河組內部發育，4 類斷層在煤層下部或洛河組中上段發育。其中，1 類斷層溝通能力最強，形成水害威脅程度最為嚴重；2 類至3 類斷層形成水害威脅程度次之，如圖3。

圖3 斷層分布模式（IL294）

（3）原生裂縫帶分布模式

根據煤層頂板發育的斷層及裂縫的分布特征，將原生裂縫帶劃分成三種分布模式：裂縫型原生裂縫帶、斷層型原生裂縫帶、雙介質型原生裂縫帶。其中，雙介質型原生裂縫帶溝通能力強，造成的水害威脅程度最為嚴重；1 類斷層型及下部溝通裂縫型原生裂縫帶形成水害威脅程度次之。圖4 展示了雙介質型原生裂縫帶分布模式。

圖4 原生裂縫帶分布模式

3.2 原生裂縫帶分布規律

基于原生裂縫帶預測成果數據體，縱向上提取煤層頂至上覆250 m 巖層內原生裂縫帶疊合特征，繪制了原生裂縫帶預測平面分布圖，預測可能發生突水水害威脅的潛在區域，如圖5。

圖5 原生裂縫帶預測平面圖

研究區東部工作面呈近北西西向展布的一盤區，其東部位于雙介質型原生裂縫帶發育區。該區域1 類斷層與裂縫發育且相互伴生疊置，處于發生突水水害威脅最為嚴重的潛在區域。

研究區中部工作面呈北東向展布的二盤區，北部位于雙重介質型原生裂縫帶相對發育區，2 類斷層較發育，處于發生突水水害威脅程度較高的潛在區域；西南部位于裂縫型原生裂縫帶相對發育區，處于發生突水水害威脅程度較低的區域；中部除204 工作面27-2 鉆孔附近原生裂縫較發育外，其他位置均位于原生裂縫帶發育程度較低區，處于發生突水水害威脅程度極低的區域。

4 生產驗證

將原生裂縫帶預測成果在二盤區生產及水害防治工程中進行應用。

以統計二盤區204 工作面開采過程中涌水情況的測試結果為例，開展對基于原生裂縫帶的研究成果提出的工作面回采發生突水水害威脅潛在區域的驗證。圖6 展示了二盤區204 工作面掘進前原生裂縫帶分布特征預測成果與工作面回采后跟蹤統計的排水量變化曲線對應關系。

二盤區204 工作面原生裂縫帶分布特征預測成果提示：工作面推進至800～1200 m 區域，進入雙重介質型原生裂縫帶分布相對發育區，預測處于發生突水水害威脅程度較高的潛在風險區域；工作面推進至1200 m 至停采線附近，進入下部溝通裂縫型原生裂縫帶分布發育區，預測處于發生突水水害威脅程度次之的潛在風險區域，如圖6。

圖6 原生裂縫帶預測剖面與排水量變化曲線對應關系

二盤區204 工作面回采后跟蹤統計的排水量曲線變化顯示：工作面回采至800 m 時，排水量由4000 m3/h 急增至5000 m3/h 以上；工作面回采至800～1200 m 區域時，礦井排水量超過6000 m3/h，甚至達到7000 m3/h，工作面回采進入發生突水水害威脅最為嚴重的區域；工作面回采1200 m 至停采區域時，排水量雖然有所下降，但仍超過5500 m3/h，甚至達到6000 m3/h，工作面回采進入發生突水水害威脅次之的區域。

204 工作面回采過程中排水量的變化驗證了采前通過對原生裂縫帶預測明確指出潛在突水水害高發區域的結論，體現出利用三維地震資料開展的原生裂縫帶預測成果在礦井生產及水害防治工程中的重要作用。

5 結論

高家堡礦井煤層頂板原生裂縫帶發育，煤層頂板原生裂縫帶的分布及發育程度是影響煤層頂板發生嚴重突水水害威脅的重要因素。

雙介質型原生裂縫帶分布區是發生突水水害威脅程度最為嚴重的潛在區域；1 類斷層型及下部溝通裂縫型原生裂縫帶分布區是發生突水水害威脅程度較高的潛在區域。