煤層過溝開采覆巖破壞特征及地表水入滲規律研究

蔚 波，王 皓，尚宏波

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077）

隨著我國煤炭開采重心的轉移，西部礦區已成為我國煤炭資源供應的主要基地[1]。該區域煤層開采過程中，導水斷裂帶在淺埋及過溝區域發育至地表，造成地表破壞，地表水體沿著導水斷裂帶入滲至采煤工作面，對礦井安全開采造成嚴重的威脅。同時因西部礦區生態環境脆弱，開采造成地表水及地下水流失對礦山生態環境產生嚴重的影響[2-3]。因此，為實現煤炭資源開采與礦區生態環境保護的協同發展，研究煤層過溝開采覆巖破壞特征及地表水體入滲規律對于確保工作面安全高效開采具有重要的現實意義[4-6]。

針對上述問題，諸多科技工作者在該領域開展了大量的研究工作。錢鳴高[7]等指出了開采擾動必然引起巖層運動和地層內應力場與裂隙場的改變，從而影響礦壓顯現、地下水流失和地表破壞等安全與環境問題；范立民[8-10]等通過資料收集與實地調查的方法，研究了榆神府礦區高強度煤層開采對地下水的影響，得到了導水斷裂帶和含水層特征是煤層開采過程中控制地下水位變化幅度和范圍的關鍵所在；黃慶享[11-12]等通過物理模擬與地裂縫實測分析，揭示了覆巖“上行裂隙”和“下行裂隙”的發育規律；王新豐[13]等采用數值模擬、物理實驗與現場監測的手段，對采場覆巖運移及裂隙分布的動態演化特征和時空耦合規律進行了系統的研究，探討了覆巖位移場及頂板裂隙場的動態響應機制；賈后省[14]等通過相似模擬、理論分析及現場實測的綜合研究方法，分析了淺埋薄基巖采煤工作面上覆巖層縱向裂隙“張開-閉合”的規律；楊達明[15]等通過實驗測定了工作面頂板覆巖的微觀結構及宏觀力學性質，研究了工作面覆巖裂隙及結構特征；馬立強[16]等分析了淺埋煤層長臂工作面保水開采地表水位的變化，研究結果為淺埋煤層礦區的生態環境建設和提高煤炭資源回收率提供借鑒；任艷芳[17]等采用物理相似模擬，分析了淺埋深長臂工作面覆巖破斷特征；黃炳香[18-20]等研究了破斷裂隙的貫通度，同時分析了斷層對導水斷裂帶發育高度的影響；Wu Q[21-22]等在分析了煤層開采頂板巖層變形破壞的基礎上，討論了煤層開采引發的礦井突水潰沙、地表裂縫塌陷、水源地破壞等問題。

上述研究主要從頂板覆巖破壞規律、導水斷裂帶發育情況、保水開采地表水位變化規律、煤層開采礦井突水潰沙等方面進行了理論研究和工程實踐，但目前關于煤層過溝開采覆巖破壞特征及地表水入滲規律的研究較少。為此，針對煤層過溝開采過程中存在的問題，研究覆巖破壞特征及地表水體沿導水斷裂帶入滲采煤工作面的過程，旨在為工作面安全高效的回采提供指導。

1 研究區水文地質特征

研究區屬于鄂爾多斯黃土高原，地表被黃土和風積沙大面積覆蓋，地形總趨勢是西南高，東北低，海拔約+1 110～+1 346 m，高差236 m。年平均降水量408 mm，最大降水量247.5 mm/月，總蒸發量為1 824.7～2 204.6 mm/a。所選研究區為準格爾礦區典型工作面，開采過程中地表溝谷內的季節性河流穿過該工作面，地表河流及典型工作面位置如圖1。

圖1 地表河流及典型工作面位置Fig.1 Location of surface river and typical working face

研究區內的典型工作面主采煤層為6#煤，煤層傾角為2°～6°，為近水平煤層，煤層厚度為5.66～25.51 m，平均厚度為15.59 m，埋深166.80～478.00 m。通過鉆孔資料分析，研究區內的主要含水層包括第四系孔隙含水層、白堊系孔隙裂隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層及奧陶紀巖溶裂隙含水層。其中第四系孔隙含水層、白堊系孔隙裂隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層位于6#煤之上。根據地面鉆孔勘探資料，統計典型工作面及附近的7 個鉆孔數據中各巖層厚度并取平均值，得到的典型工作面地層柱狀圖如圖2。

圖2 典型工作面地層柱狀圖Fig.2 Typical working face strata histogram

野外觀測發現，研究區典型工作面回采過程中導水斷裂帶已經發育至地表，在雨季時溝谷內將會形成季節性河流，地表水體沿著導水斷裂帶進入礦井，嚴重威脅礦井安全生產。因此，研究典型工作面煤層過溝開采覆巖破壞特征及地表水的入滲規律對于礦井安全回采具有重要意義。

2 煤層過溝開采覆巖破壞特征

2.1 地層物理力學性質

獲取地層物理力學參數是煤層過溝開采覆巖破壞特征研究的基礎。為更清楚的認識各地層的性質，通過典型工作面地面鉆孔對不同埋深的地層取樣，并進行相關的物理力學性質測試，得到的各地層物理力學參數見表1。

表1 各地層物理力學參數Table 1 Formation physical and mechanical parameters

2.2 煤層過溝開采覆巖破壞數值模擬

基于典型工作面工程地質條件及鉆孔資料，采用UDEC 建立符合實際地層的數值模型，研究過溝開采后覆巖破壞特征。由圖1 可知，典型工作面上方有河流穿過，當煤層開采后導水斷裂帶發育至地表，溝谷內的季節性河流將會沿著斷裂帶進入礦井。工作面上方溝谷是季節性河流水體進入礦井的主要區域，因此選取溝谷附近區域并按照地層的綜合柱狀圖，建立長度600 m、高度333.52 m 的二維數值模型。根據工作面上方實際溝谷位置及深度，模型中設置2 處溝谷，溝谷1 深10 m，溝谷2 深6 m，煤層過溝開采覆巖采動數值模型如圖3。

圖3 煤層過溝開采覆巖采動數值模型Fig.3 Numerical model of overburden mining in coal seam mining through gully

模型左右邊界、下邊界為位移固定，左右邊界施加圍壓，模擬采場實際受力情況。模型主要分析煤層過溝開采覆巖破壞特征，模擬方案為自右向左走向推采，考慮模型邊界效應，預留煤柱100 m，每次推采50 m，共推采300 m。不同推采距離下覆巖破壞特征如圖4。

圖4 不同推采距離下覆巖破壞特征Fig.4 Failure characteristics of overburden under different advancing distances

由圖4 可以看出，當工作面推采至50 m 時，頂板裂隙開始發育，基本頂上部出現離層現象，采空區中部出現少量縱向破斷裂隙，隨著工作面繼續推采，直接頂泥巖隨采隨落。當工作面推采至100 m 時，基本頂發生初次垮落，即出現初次來壓，此時斷裂帶高度約為98 m。隨著工作面推采距離的繼續增加，基本頂發生周期性垮落，覆巖垮落高度及斷裂帶發育高度也隨之發生變化。當工作面推采至200 m時，頂板裂隙繼續發育，斷裂帶發育至地表溝谷2處，推采至300 m，斷裂帶發育至地表溝谷1 處，此時斷裂帶直接貫穿地表，采空區中部由于礦山壓力的作用形成壓實區，壓實區采動裂隙密度減少。由于該地層屬于軟硬相間的地層結構，使得采場上方采動裂隙較為發育，特別是切眼和工作面上方區域，采動裂隙發育范圍較大，采動裂隙主要集中在切眼和工作面上方巖體。煤層開采后，導水斷裂帶發育至地表，溝谷內的季節性河流水體沿著導水裂隙帶進入礦井，造成災害性的突水事故。數值計算得到的導水裂隙帶的最大高度為230～250 m。同時，采用鉆孔沖洗液漏失量法對過溝開采典型工作面導水斷裂帶高度進行現場實測，通過井下向工作面施工仰斜鉆孔，沿鉆孔進行分段封堵注水，測定鉆孔各段的漏失量，通過分析鉆孔漏失量實測數據，最終確定過溝開采典型工作面現場實測的最大導水斷裂帶高度為225～245 m。模擬結果與實測結果基本吻合，表明建立的煤層過溝開采覆巖破壞數值模型是可靠的，能夠為地表水入滲規律研究提供基礎。

3 煤層過溝開采地表水入滲規律

3.1 地表水入滲模型

煤層開采后導水斷裂帶溝通地表，地表水體發生漏失，其中溝谷內的季節性河流會沿著導水斷裂帶進入礦井，對礦井的安全生產造成威脅。

3.1.1 過溝開采覆巖破壞采動裂隙提取

為研究煤層過溝開采地表水沿斷裂帶入滲規律，探究地表水入滲礦井水量。以煤層過溝開采覆巖破壞特征數值模擬結果為基礎，選取50、100、200、300 m 4 種推采距離，提取覆巖破壞形成的采動裂隙，煤層過溝開采覆巖采動裂隙提取如圖5。

圖5 煤層過溝開采覆巖采動裂隙提取Fig.5 Extraction of mining induced fractures in overburden of coal seam through gully

由圖5 可以看出，煤層開采后，頂板巖層移動變形產生張開裂隙和閉合裂隙。圖5 中黑色代表張開裂隙，紅色代表閉合裂隙，其中張開裂隙包括了巖層離層裂隙和穿層裂隙。隨著推采距離增加，導水斷裂帶逐漸向上發育，推采至200 m 時，導水斷裂帶溝通地表。當導水斷裂帶溝通地表后，地表水體以導水斷裂帶為入滲通道進入采煤工作面造成礦井涌水。

3.1.2 模型和參數及邊界條件

為進一步研究過溝開采地表水沿導水裂隙帶入滲規律，采用COMSOL 數值軟件，將圖5 中提取得到的采動裂隙導入，構建煤層過溝開采地表水入滲數值計算模型，研究地表水入滲規律。以推采50 m和300 m 為例，地表水入滲數值計算模型如圖6。

圖6 地表水入滲數值計算模型Fig.6 Numerical model of surface water infiltration

地表水主要沿著采動形成的斷裂帶進入礦井，其余采動裂隙未溝通地表的區域地表水很難進入礦井。為簡化模型，可將除采動裂隙外的區域視作1 個整體，并定義整個地層的參數進行相應地數值計算。根據現場注水試驗，測試得到滲透系數，取平均值定義數值模型中地層滲透系數為0.034 m/d。按照表1中的各巖層的孔隙率取其平均值，定義整個地層孔隙率為0.05。

模型上邊界設置2 處溝谷，當雨季來臨時，溝谷內形成季節性河流，雨季時實測溝谷內的水位約為1 m。因此，按照實際情況，模型溝谷處的邊界設定為1 m 的水頭，模型左右邊界與底部邊界設置為無流動邊界。

3.2 數值模擬結果

通過采動裂隙提取與數值模型構建，對不同推采距離下的地表水入滲模型進行數值計算，分析煤層過溝開采地表水入滲規律。工作面推采至200 m，采動裂隙溝通地表溝谷。因此，以工作面推采距離200、300 m 的2 種工況為例，給出的不同推采距離下地表水入滲規律如圖7。

由圖7 可以看出，紅色表示采動裂隙中地表水的體積分數為100%，即地表水充滿采動裂隙，藍色表示地表水的體積分數為0，即沒有地表水進入。工作面推采200 m 時，采動裂隙發育至地表溝谷2。當t=1 h 時，溝谷2 中的地表水開始沿采動裂隙入滲至工作面，工作面及上方大裂隙中地表水的體積分數明顯大于其余裂隙。隨著時間增加，采動裂隙中的地表水量逐漸增大，其在采動裂隙中的體積分數隨之增加。工作面推采300 m 時，采動裂隙發育至地表溝谷1，溝谷內的地表水沿采動裂隙入滲至工作面，并在工作面及上方大裂隙中匯聚，隨著時間增加，采動裂隙及工作面的地表水體積分數逐漸增加并趨于穩定。

圖7 不同推采距離下地表水入滲規律Fig.7 Infiltration law of surface water under different advancing mining distances

為進一步量化地表水進入采煤工作面的水量，對工作面域內Ω 的流速u（m/h）進行實時積分，即Q=?uaΩ，得到地表水入滲工作面的水量Q（m3/h）。得出的不同推采距離下采煤工作面水量隨時間變化曲線如圖8。

圖8 不同推采距離下采煤工作面水量隨時間變化曲線Fig.8 Variation curves of water volume in coal face with time under different advancing distances

由圖8 可知，當工作面推采至50 m 時，采動裂隙未溝通地表，地表水未能進入工作面，因此工作面的水量為0 m3/h。當工作面推采至200 m 時，采動裂隙溝通地表，地表水沿裂隙入滲至工作面，水量增加至10.4 m3/h 左右后達到穩定狀態。同樣地，當工作面推采至250、300 m 時，地表水入滲工作面的水量分別增加至14.3、19.7 m3/h 左右后達到穩定。此外，隨著推采距離的增加，地表水入滲至工作面的穩定水量相應地增大，這是因為隨著推采距離的增加，上覆巖層采動裂隙發育更為充分，形成的導水通道較多，地表水入滲至工作面的水量更多。

為進一步驗證數值計算的可靠性，以工作面推采300 m 為例，對比分析現場實測與數值計算得到的數值，數值計算與現場實測采煤工作面水量對比曲線如圖9。

圖9 數值計算與現場實測采煤工作面水量對比曲線Fig.9 Comparison curves between numerical calculation and field measurement of water quantity in coal face

由圖9 可以看出，隨著時間的增長，數值計算得到的工作面水量首先快速增大后逐漸穩定，推采300 m 后工作面最終穩定后的水量為19.7 m3/h。現場采用水泵排量法測定了采煤工作面的水量，實測工作面穩定水量為20.7 m3/h。現場實測水量略高于計算值，分析原因主要是數值計算中的水量只包含地表水入滲工作面的情況，實測水量中除地表水外，上覆含水層中的殘余水會沿著采動裂隙進入工作面，雖然煤層開采前對上覆含水層進行了提前疏干，但仍可能殘留少許水量，因此造成實測水量略高于數值計算水量。現場實測與計算的工作面水量相差不大，表明數值計算得到的地表水入滲工作面的水量具有一定的可靠性。

4 結 語

1）基于研究區典型工作面工程地質條件及地層性質，采用UDEC 建立了煤層過溝開采數值模型。隨著工作面推采，導水斷裂帶逐漸向地表發育，當工作面推采至200 m 時，導水斷裂帶發育至地表。數值計算中導水斷裂帶最大高度為230～250 m，現場實測導水斷裂帶高度為225～245 m，數值計算與現場實測結果基本吻合。

2）以煤層過溝開采覆巖破壞數值模擬結果為基礎，提取覆巖采動裂隙并導入COMSOL，構建了煤層過溝開采地表水入滲模型，分析了工作面不同推距離下的地表水入滲規律。當工作面推采200、250、300 m 時，地表水沿裂隙入滲至采煤工作面，穩定后的水量分別為10.4、14.31、9.7 m3/h。以工作面推采300 m 為例，對比分析了數值計算與現場實測的穩定水量，數值計算與現場實測穩定后的水量分別為19.7、20.7 m3/h，兩者所得結果相差較小。