綜放采煤工作面頂板導水裂隙帶發育高度研究

賀亮亮，楊 磊，郭 云，王 飛，李貴娟

(1.陜西省一八六煤田地質有限公司，陜西 西安 710065；2.長安大學，陜西 西安 710061)

0 引言

煤層開采后，上覆地層受重力作用逐漸向下移動，自下而上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，通常將冒落帶和裂隙帶合稱為導水裂隙帶[1-3]。黃隴煤田永隴礦區各礦煤層普遍較厚，多采用綜放采煤工藝，全部垮落法管理頂板，對上覆地層結構破壞較大。當導水裂隙帶發育進入上覆地層不同位置會引起不同的含水體水涌入礦井，對礦井安全生產威脅較大。因而對本區煤礦防治水工作來說具有現實研究意義的為導水裂隙帶發育高度，其限制了工作面煤層采厚，對煤層回采率影響較大，是各礦所關心的關鍵水文地質參數。

通常導水裂隙帶發育高度因煤層采厚、工作面采寬、煤層頂板管理方式和上覆地層巖性的不同而差異較大，針對導水裂隙帶發育高度問題，國內學者已經開展了大量的研究工作，取得了一些具有影響力的研究成果[4-8]。但這些成果對永隴礦區麟北區覆巖條件下的礦井防治水工作指導性不強。為此，通過對永隴礦區郭家河煤礦1302工作面導水裂隙帶發育高度的實際探查，結合離散元數值模擬軟件對導水裂隙帶發育演化過程的模擬以及野外施工中發現的相關細節，綜合分析確定本區導水裂隙帶發育高度，以期為國內相似條件下的煤礦水害防治工作提供參考。

1 研究區概況

郭家河煤礦位于陜西黃隴侏羅紀煤田永隴礦區麟游區北部，地層由老到新有三疊系中統銅川組(T2t)、侏羅系下統富縣組(J1f)、侏羅系中統延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統宜君組(K1y)、洛河組(K1l)，新近系及第四系。主要含水層為白堊系洛河-宜君組砂礫巖孔隙-裂隙含水層和侏羅系直羅-延安組砂巖裂隙含水層。

本區延安組為含煤地層，含有可采煤層。郭家河煤礦主采3號煤層，1302工作面平均煤厚9.0 m，采用走向長壁綜放采煤工藝，全部垮落法管理頂板。在近年來的生產過程中，礦井局部突水現象嚴重，涌水量較大，特別是在采動影響下，煤層頂板上覆地層中的離層積水體和洛河組含水層水易通過導水裂隙帶涌突入回采工作面，對礦井安全生產威脅較大。

2 煤層頂板上覆地層特征

2.1 侏羅系地層巖性特征

本次將郭家河煤礦1302工作面3號煤頂板與白堊系底界之間地層按含(隔)水性能劃分為泥巖類地層和砂巖類地層2類。其中泥巖類地層包括泥巖、砂質泥巖和粉砂巖，可視作相對隔水層；砂巖類地層包括細砂巖、中砂巖、粗砂巖和礫巖，可視為含水層。各地層巖性厚度占比詳見表1。

表1 煤層上覆地層巖性分類統計

由表1可知，安定組地層中泥巖類地層厚度116.76 m，占比70.28%，可將其視為穩定隔水層。直羅組地層中砂巖類地層厚度22.72 m，占比57.19%，可將其視為弱含水層。延安組地層中泥巖類地層厚度7.69 m，占比71.54%，可將其視為相對隔水層。綜合來看，1302工作面3號煤頂板至白堊系底界之間平均厚度216.61 m，為砂、泥巖互層狀結構，泥巖類地層厚度占比65.31%，砂巖類地層厚度占比34.69%。

2.2 白堊系地層巖性特征

本區白堊系洛河組含水層為礦井主要充水含水層，平均厚度141.94 m，以中砂巖、礫巖為主，中砂巖厚度平均75.23 m，占53%；粗砂巖厚度平均49.68 m，占35%，各類巖性詳細占比如圖1所示。從垂向來看，洛河組含水層下段泥巖、泥質粉砂巖厚度和層數明顯大于上段，雖未構成穩定隔水層，但也能夠說明上段富水性強于下段。

圖1 洛河組含水層巖性組合特征示意Fig.1 Lithologic combination characteristics of Luohe formation aquifer

2.3 地質與水文地質條件的表現

綜上，永隴礦區郭家河煤礦1302工作面地質與水文地質條件主要表現為：①主采延安組煤層巨厚，平均煤厚9.0 m；②主要含水層為白堊系洛河組砂巖含水層，富水性中等但厚度較大，一般141.94 m，靜態儲水量大；③安定組地層厚度166.13 m，其中泥巖類地層厚度116.76 m，占比70.28%，可視為本區穩定的隔水層。正是這種特殊的地質與水文地質特征，決定了在本區綜放開采條件下，導水裂隙帶發育高度一般較大，局部已發育進入白堊系含水層，具有不同于其他地區的特殊規律。

3 導水裂隙帶發育高度探查

3.1 探查方法

本區導水裂隙帶發育高度探查常用沖洗液漏失量觀測法和孔內電視窺視法。沖洗液漏失量觀測法是通過對鉆機施工中沖洗液消耗量的觀測，間接判斷導水裂隙發育的最高位置；孔內電視窺視法是通過鉆孔窺視系統，將帶有攝像頭的探頭放入孔內對孔壁情況進行直觀查看分析，用以確定地層巖性、巖石結構和鉆孔內裂隙發育等情況[9-13]。

3.2 實際探查中發現的問題

3.2.1 沖洗液漏失量觀測法

由于沖洗液漏失量觀測法是一種間接判斷導水裂隙帶發育位置的方法，在觀測結果分析時需首先排除對結果有影響的細節，才能得到真實導水裂隙帶高度數據。在野外鉆機施工過程中，沖洗液本身會在孔壁上形成薄而致密的泥皮，能夠防止孔壁坍塌、涌水和漿液漏失，但會對導水裂隙帶發育高度的間接判斷造成影響。因此，在對漏失量的統計中需剔除這部分影響，結合鉆機鉆進中的異常現象，綜合判斷導水裂隙帶高度的頂點。此外，鉆機鉆進過程中有正常的沖洗液消耗量，在漏失量統計過程中也需將這部分數據除去。鉆機鉆進時沖洗液循環還存在一種“假中斷”現象，會對導水裂隙帶發育高度的判斷產生誤導。結合采后覆巖破壞理論，在導水裂隙帶發育高度之上一定距離發育有離層，當鉆進至此處時沖洗液會大量進入離層空間，造成沖洗液循環中斷。易被誤認為此處是導水裂隙帶發育高度的最高點，這在之后的漏失量總體分析過程中需注意甄別。

3.2.2 孔內電視窺視法

受觀測條件限制，窺視在鉆孔內無水或清水時效果較好，能夠通過攝像頭清晰看到孔內狀況。但在實際觀測時，常因孔內地下水流出阻擋攝像頭使得觀測效果變差，或是因為鉆孔變形導致攝像頭無法下入孔底。因此，孔內電視窺視法通常要配合其它觀測方法使用。在識別導水裂隙帶發育頂點的問題上，由于本區安定組地層中上部、宜君組地層內部、洛河組含水層下部易形成“空腔型”離層，而“空腔型”離層上下位巖層沉降距離相對較大，易造成離層上位巖層內也發育部分裂隙。但此裂隙并不通過“空腔型”離層之下的導水裂隙帶與采空區連通，因而不能將此裂隙看作導水裂隙帶發育的最高點，在觀測結果分析時還應注意區分。

3.3 實際探查結果分析

3.3.1 沖洗液漏失量觀測法

在1302工作面采后“兩帶”觀測孔的施工過程中對鉆孔沖洗液消耗量進行了觀測，發現洛河組地層內211.79～216.78 m，299.8～300.56 m，341.86～343.28 m，353.34～357.3 m處沖洗液全部漏失，宜君組地層內361.85～365.77 m，372.77～373.79 m處沖洗液全部漏失，進行簡易堵漏后尚能繼續鉆進。自396.17 m向下，沖洗液全部漏失且無法進行堵漏，只能采取頂漏鉆進施工至目的層位。

3.3.2 孔內電視窺視法

“兩帶”觀測孔施工至目的層位后，隨即便進行了孔內電視窺視，清晰地觀測了孔內情況。在孔深358 m、362 m、366 m和376 m處發現了較明顯的橫向裂隙，未見明顯豎向裂隙，386 m開始至387 m有明顯垮落現象。

3.3.3 對比分析

綜合上述2種實際探查結果，結合1302工作面“兩帶”觀測孔巖芯編錄資料，洛河組地層底部在356.8 m處，宜君組地層底部在386.32 m處。分析認為洛河組、宜君組地層內6處沖洗液全部漏失的位置為離層空間，由于孔內電視窺視只觀測到了橫向裂隙，未見豎向裂隙，可認為這些位置處在彎曲沉降帶內，是由地層的不均勻沉降引起，且導水裂隙帶最大高度未發育至此位置，應在該段地層以下。386～387 m處巖性為泥巖，此處的垮落是由泥巖泥化引起。396.17 m以下沖洗液全部漏失且無法堵漏，可認為此位置為導水裂隙帶發育的最大高度。“兩帶”觀測孔煤層底板距孔口615 m，可知郭家河煤礦1302工作面導水裂隙帶發育最大高度為209.83 m，已經進入安定組地層上部，約為采厚的23.31倍。

4 數值模擬及驗證

4.1 導水裂隙帶發育高度數值模擬

4.1.1 覆巖地層概化厚度

在1302工作面“兩帶”鉆孔施工過程中對不同巖性巖樣分別采取了物理力學試驗樣，并及時對樣品進行了物理力學性質測試。由于煤層頂板上覆地層整體為砂泥巖互層組合結構，故采用數理統計方法將測試結果按巖性進行了統計分析，采用統計值作為離散元軟件模擬的基礎值，基本能夠反映地層分層分段力學特性，覆巖地層概化厚度見表2。

表2 覆巖地層概化厚度統計

4.1.2 模擬結果及分析

采用離散元軟件對1302工作面煤層開挖期間的導水裂隙帶發育演化過程進行了模擬，主要模擬結果如圖2所示。由圖2可知，在工作面回采至距切眼120 m左右時，宜君組地層、安定組地層上部開始發育離層，導水裂隙帶已經發育至安定組地層下部；在工作面回采至140～160 m左右時宜君組和安定組地層內的離層空間規模逐漸擴大，此時安定組地層下部的導水裂隙繼續向上延伸但并未進入上部離層空間；在工作面回采至180 m左右時，已有少量導水裂隙導通安定組上部離層，存在離層積水下泄進入回采工作面的風險，但這部分導水裂隙的發育規模和張開程度均較小，在工作面繼續推進引起的周期來壓及泥巖遇水軟化的作用下又能夠快速閉合。若將安定組地層上部離層空間內的裂隙視作導水裂隙帶發育的最高點，則導水裂隙帶發育高度為217.35 m，約為采厚的24.15倍；若將安定組地層上部離層空間的底部視作導水裂隙帶發育的最高點，則導水裂隙帶發育高度為178.2 m，約為采厚的19.8倍。

圖2 導水裂隙帶發育演化過程模擬結果Fig.2 Development and evolution of water conducting fracture zone

4.2 實測結果與模擬結果對比研究

從導水裂隙帶發育數值模擬過程可以看出，覆巖采后導水裂隙會從煤層頂板開始逐漸向上發育，但在安定組地層上部離層形成的過程中，離層內部及上部地層也會先發育部分裂隙。初始情況下這2部分導水裂隙并未連通，但當煤層采厚較大且采空區范圍擴大到一定程度，或是離層空間積水量增加到下位巖層不足以支撐其自重而“壓斷”下位巖層時，安定組地層下部裂隙會發育進入上部離層空間并與上部裂隙相連，使得導水裂隙貫通為一個整體。在安定組上部離層積水未參與工作面涌突水的情況下可以認為，野外實測得到的導水裂隙帶發育最高點實際為安定組或是宜君組離層上部的裂隙最高點，而實際導水裂隙帶發育的最高點仍在離層空間以下一定距離。由于1302工作面回采過程中的涌水量基本為生產用水量，并未發生大規模涌突水，因此可以確定導水裂隙帶發育高度在安定組中上部離層空間以下。

綜合導水裂隙帶高度實測與模擬結果，認為應將本區導水裂隙帶發育最高點定為安定組地層上部的離層空間底，即導水裂隙帶發育高度178.2 m，約為采厚的19.8倍。

5 結論

(1)洛河組含水層為郭家河礦區礦井主要含水層，其下段泥巖、泥質粉砂巖的厚度和層數均大于上段，具有明顯的垂向非均質特征，有必要進一步開展洛河組精細化探查研究，以確定含水層的垂向富水性。

(2)本區常用導水裂隙帶高度探查方法具有較大的局限性，在實際探查過程中需結合鉆機施工中的異常情況仔細分析，以得到真實的導水裂隙帶發育高度。

(3)發現了安定組上部離層空間以上也易發育導水裂隙，但此部分裂隙通常只與離層空間相通而并不與采空區連通，這在本區導水裂隙帶高度確定時需引起注意。