袁大灘煤礦覆巖破壞規律及頂板水害防治對策

2022-07-20 13:01:10劉瑞瑞梁向陽劉晨光

煤礦安全 2022年7期

劉瑞瑞，劉洋，方剛，4，梁向陽，黃浩，劉晨光

（1.榆陽中能袁大灘礦業有限公司，陜西榆林 719000；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；4.西安科技大學地質與環境學院，陜西西安 710054）

陜北侏羅紀煤田內煤炭資源豐富，分布有諸多大型井田，其中，榆橫北區內大多數礦井暫未開采，區內首采的2 號煤層埋深自東向西逐漸增大，根據侏羅紀煤田以往采掘經驗，各礦井普遍受到煤層頂板水害影響或威脅[1-2]，而對于此類水害問題，主要手段則是在工作面回采前進行頂板含水層水體疏放，因此，對于煤層開采后覆巖破壞規律方面的研究則顯得尤為重要，準確掌握煤層覆巖導水斷裂帶發育高度有助于指導相關防治水工作的高效開展，提高水害防治準確性，保證安全生產。

多年以來，業內學者們對于煤層覆巖導水裂隙帶開展的研究較為豐富，從不同領域、角度出發，采用不同方法手段，現已取得了豐碩成果[3-4]。郭文兵等[5]通過理論分析、模擬實驗等方法對覆巖導裂帶高度影響因素的敏感性及工作面尺寸關系進行研究，提出覆巖破壞充分采動程度的定義和判別方法；楊俊哲等[6]采用沖洗液漏失量和鉆孔彩色電視觀測結合的方法，對神東地區中埋大采高（埋深約200 余m、7.4 m 煤厚）一次采全高工作面進行地面鉆探采后實測；李磊[7]分析了陜北部分地區淺埋深厚紅土層薄基巖的“上軟下硬”覆巖結構，認為紅土層對導裂帶發育高度有抑制作用，經數值模擬及實踐開采驗證了“泥蓋效應”的規律；李奇等[8]綜合考慮采高、覆巖特性、采煤方法、工作面尺寸、煤層傾角等因子，并構建BP 神經網絡模型，預測覆巖“兩帶”高度，提出推進速度是“兩帶”高度發展的抑制因素；呂文斌等[9]采用分布式光纖和并行電法等手段，以此解決弱膠結巖體遇水易軟化劣化而難以實測覆巖“兩帶”發育高度的問題；楊達明等[10]采用CAN-II 大地電磁探測法分析工作面采后覆巖破壞情況及裂隙發育過程特征，并認為提高物探儀器對裂隙探測的敏感度及物探解譯準確度可推廣覆巖破壞研究成果；趙高博等[11]通過分析煤層覆巖初次垮落機制、巖層懸伸破斷機制和巖塊結構失穩機制，構建巖層懸空完整力學模型，經與回歸分析法和數值模擬法對比驗證，提出一種綜放開采覆巖導裂帶理論預測方法；王云廣等[12]基于高強度開采工作面覆巖短時間產生劇烈破壞、非連續變形明顯、不產生“蠕變”等特征，提出三維立體空間條件下“彈性薄板”+“平行壓力拱”復合機理模型，并揭示其覆巖運移變化過程和機理；陳凱等[13]通過分形幾何理論和離散元數值模擬的方法對采動覆巖裂隙分形演化規律進行研究，發現西部礦區巨厚煤層在分層開采條件下覆巖裂隙發育和擴展具有良好的自相似性。此外，還有學者們從高精度智能化方法（人工智能、5G 聯通技術、大數據平臺）[14]，覆巖破壞空間形態及機理[15]，模擬軟件方法利弊[16]，綜合方法對比應用[17]等方面進行探索研究。以上研究成果對于煤層覆巖導水斷裂帶發育高度的研究做出了貢獻，然而該項研究工作在陜北侏羅紀煤田中部的榆橫北區內開展的較少，袁大灘煤礦作為榆橫北區內的重點礦井，對其首采工作面開展覆巖導水斷裂帶發育高度的研究則具有重要意義。為此，通過對礦井水文地質條件進行分析，采用模擬實驗、現場實測的方法[18]，對礦井11201首采工作面2 號煤層覆巖“兩帶”發育高度進行研究，確定工作面回采后頂板覆巖破壞和含水層波及的情況，評價2 號煤層開采受上覆含水層的影響程度，以此為礦井后期的防治水工作提供依據，也可為區內尚未生產開采的條件類似礦井提供參考。

1 研究區概況

袁大灘煤礦位于陜北侏羅紀煤田榆橫北區東北部，礦井采用立井-斜井聯合開拓，采用綜采一次采全高的采煤法，后退式回采，全垮落法管理頂板。礦井按煤組共劃分3 個水平，首采的2 號煤為第1 水平，3-1和4-2號煤為二水平，5、7、8 和9 號煤為三水平，井田面積近162 km2，生產規模5.00 Mt/a。礦井11201 首采工作面走向長度5 186 m、傾向長度300 m，開采的2 號煤層厚度為1.95～3.60 m、平均約3.2 m，埋深344.69～392.17 m、平均約372.23 m。井田地處鄂爾多斯臺向斜寬緩的東翼的陜北斜坡上，區內地質構造簡單，整體呈北東向南西傾斜的單斜構造，含煤地層近水平分布，無煤層露頭、未發現大型斷層構造、亦無巖漿活動。2 號煤上覆有侏羅系延安組、直羅組含水層，白堊系洛河組含水層，第四系松散含水層。研究主要目的為礦井首采2 號煤確定覆巖“兩帶”發育高度，指導礦井防治水工作的開展。工作面鉆孔柱狀示意圖如圖1。

圖1 工作面鉆孔柱狀示意圖Fig. 1 Working face drilling column diagram

2 研究方法

2.1 現場實測

2.1.1 鉆孔水文觀測

研究在地面施工T1、T2、T3 孔共3 個探查孔進行現場實測工作。平面上，3 個鉆孔所處的勘探線位置距離11201 工作面切眼以南300 m，為工作面初次見方后頂板充分垮落的位置；其中，采前孔1 個（T1 孔），在11201 工作面東側施工，距離工作面東側邊界150 m，根據相關要求[19-20]，基巖段按照巖移角70°計算，采空區影響范圍為120 m，不會影響到T1 孔；采后孔2 個（T2、T3），均在11201 工作面上方施工，T3 孔位于11201 工作面中部，T2 孔位于11201 工作面東邊界靠近煤柱內側的位置。鉆孔布置平面圖如圖2。

圖2 鉆孔布置平面圖Fig. 2 Drilling layout plan

T1 采前孔為背景值孔（終孔深度381.82 m），施工過程中對孔內進行了取心、抽水、測井、窺視、漏失量觀測等相關測試實驗，取得的測試成果作為后續T2 和T3 采后孔的參考背景值。沖洗液漏失量如下：

1）T1 采前孔。T1 孔深120～231.33 m，鉆孔漏失量較小，鉆井液正常返水，最小漏失量0.030 m3/h，單位時間單位進尺最小漏失量0.001 9 L/（s·m），最大漏失量0.268 m3/h，單位時間單位進尺最大漏失量0.006 4 L/（s·m），平均漏失量0.085 4 m3/h，單位時間單位進尺平均漏失量0.002 3 L/（s·m）。此階段鉆孔漏失量較小，屬于鉆進過程中鉆井液正常損耗，揭露地層完整，原生裂隙不發育。在孔深231.33～381.82 m，鉆孔漏失量出現2 次突增現象，分別為孔深242.89 m，漏失量達到了0.621 m3/h，單位時間單位進尺漏失量大于0.013 9 L/（s·m）；孔深311.82 m，漏失量1.258 m3/h，單位時間單位進尺漏失量0.035 7 L/（s·m）；孔深242.89、311.82 m 2 個漏失量突增點（段），說明原始地層中局部發育有單條、連通性弱的原生裂隙。

2）T2 采后孔。T2 采后孔為“兩帶”發育高度測試鉆孔（終孔深度351.62 m），在11201 回采經過該孔所在位置6 個月后開始施工。孔位選擇在距離T1采前孔附近西75 m 左右進行施工。在施工過程中，對鉆孔進行取心及漏失量觀測等相關測試實驗。該孔終孔層位位于2 號煤內。T2 孔的全孔段漏失量變化曲線大致分為3 個階段：①第1 階段：孔深120～124.39 m，120 m 之前鉆孔漏失量相對較小，鉆井液正常返水，當孔深達到124.39 m，漏失量發生突變，最大漏失量1.137 m3/h，單位時間單位進尺最大漏失量0.051 4 L/（s·m），此階段鉆孔漏失量較T1 采前孔相比較，鉆孔液漏失量和單位時間單位進尺漏失量均有1 個數量級上的增大，說明煤層開采對上覆彎曲下沉帶巖層產生擾動影響，導致原巖完整性受到破壞，發育有層隙、裂隙，但連通性差；②第2 階段：孔深124.39～282.32 m，鉆孔漏失量呈震蕩規律變化，鉆井液返水量明顯減小，最小漏失量1.127 m3/h，單位時間單位進尺最小漏失量0.028 4 L/（s·m），最大漏失量1.684 m3/h，單位時間單位進尺最大漏失量0.056 6 L/（s·m），平均漏失量1.378 m3/h，單位時間單位進尺平均漏失量0.036 1 L/（s·m），此階段漏失量和單位時間單位進尺漏失量均明顯增大，表明此段巖層局部發育有裂隙，連通性較強；③第3 階段：孔深282.32～351.62 m，鉆孔漏失量達到最大值，鉆井液不返水，漏失量≥9 m3/h，單位時間單位進尺漏失量0.085 4～1.442 L/（s·m），較第2 階段相比，漏失量已達到最大觀測值，單位時間單位進尺漏失量增大1 倍，隨著鉆探進尺的不斷增加，單位時間單位進尺漏失量不斷波動，呈震蕩規律變化。

3）T3 采后孔。T3 孔為“兩帶”發育高度測試鉆孔（終孔深度361.00 m），在11201 回采經過該孔所在位置6 個月后開始施工。孔位選擇在T1 孔偏西225 m 處附近進行施工。在施工過程中，對鉆孔進行取心及漏失量觀測等相關測試實驗，該孔終孔層位位于2 煤采后垮落帶內。T3 孔的全孔段漏失量變化曲線大致分為3 個階段：①第1 階段：孔深120～124.79 m，120 m 之前鉆孔漏失量相對較小，鉆井液正常返水，當孔深達到124.39 m，漏失量發生突變，最大漏失量0.471 m3/h，單位時間單位進尺最大漏失量0.022 8 L/（s·m），此階段鉆孔漏失量較T1 采前孔相比較，鉆孔液漏失量和單位時間單位進尺漏失量均有1 個數量級上的增大，說明煤層開采對上覆巖層和黃土覆蓋層產生的擾動影響，導致原巖完整性受到破壞，發育有層隙、裂隙，但連通性差；②第2 階段：孔深124.79～287.52 m，鉆孔漏失量逐漸增大，鉆井液返水量降低，最小漏失量0.471 m3/h，單位時間單位進尺最小漏失量0.012 8 L/（s·m），最大漏失量1.783 m3/h，單位時間單位進尺最大漏失量0.026 2 L/（s·m），平均漏失量0.986 m3/h，單位時間單位進尺平均漏失量0.025 3 L/（s·m），相同層段與T1 采前孔漏失量對比，鉆孔液漏失量和單位時間單位進尺漏失量均有明顯增大，充分說明煤層開采對該段巖層和產生的擾動影響，導致原巖完整性受到破壞，發育有層隙、裂隙；③第3 階段，孔深287.52～361.00 m，鉆孔漏失量突然增加，漏失量達到大于9 m3/h，平均漏失量為6.857 m3/h，單位時間單位進尺平均漏失量0.192 L/（s·m），漏失量和單位時間單位進尺漏失量增大明顯。隨著鉆探進尺的不斷增加，鉆孔漏失量達到最大，鉆井液不返水。

對比3 個鉆孔鉆進過程中沖洗液漏失量，T1 孔代表地層原生孔隙、裂隙發育程度，T2、T3 孔在代表采動影響，頂板巖層收到擾動和破壞后孔隙裂隙的發育程度，可以看到，在垂深280 m 以上，T2、T3 孔漏失量和T1 孔差別不大，表明巖層受破壞程度小，垂深280 m 以下，T2、T3 孔漏失量隨著孔深（H）增大而注漿增大，直至孔內不反水，沖洗液全部漏失，表明巖層受破壞程度不斷增大，根據沖洗液漏失量，初步判斷導水斷裂帶頂界位于垂深280 m 以下[17-18]，具體的位置還需要通過壓水試驗進一步確定。鉆孔沖洗液漏失量對比圖如圖3。圖中：Q 為沖洗涌失量；H 為孔深。

圖3 鉆孔沖洗液漏失量對比圖Fig. 3 Contrast diagram of loss of drilling flushing fluid

2.1.2 鉆孔壓水試驗

壓水試驗采用鉆孔雙端封堵測漏裝置[17-18]，通過分析覆巖漏失量變化情況可以確定煤層采后“兩帶”發育高度。

在T1～T3 鉆孔壓水測試現場工作中，完成注入水量、注水壓力、孔口水量變化等原始記錄，獲取了相應的資料。每個鉆孔測試時間為10 d，測試段為260～320 m 層段，測試段個數各60 個。

T2～T3 鉆孔為11201 煤層回采后覆巖地層漏失量觀測孔。各鉆孔測試均自上而下進行，按1 m 間距進行壓水試驗。通過觀察鉆孔不同位置漏水量，判斷導水斷裂帶發育高度。期間，多次發生由于塌孔影響使膠囊膨脹后破損，無法封堵住孔壁出水的現象，增加了測試難度。

在T1 鉆孔壓水測試中，260～265 m 孔段在最大水壓力1 MPa 情況下無法注入水量，同時增加測量測試段出水；260～265 m 在1、1.5 MPa 壓力下無法注入水量；273～276、293～295 m 層段時可聽到孔內有咕隆聲，孔口有吸風現象。

在T2 鉆孔壓水測試中，孔深277～278、290～291、297～298 m 孔段由于塌孔無法進行壓水測試；261～263、267～269 m 孔段在最大水壓力1、1.5 MPa情況下無法注入水量；271～274、277～278、290～291 m 層段時可聽到孔內有咕隆聲，孔口有吸風現象；272～273、290～291、297～298 m 在2 MPa 發生膠囊沒封住和塌孔現象；312～320 m 壓水試驗過程中水量漏失嚴重。

在T3 鉆孔壓水測試中，孔深264～265、266～267、292～293、293～294、297～298 m 孔段由于壓力為2 MPa 時塌孔無法進行壓水測試；260～264、265～266 m 在注水壓力1、1.5 MPa 時注不進水；274～276 m注水壓力穩不住，孔內涌水顯著增大，無法測試。314 m 以后的孔段水量漏失嚴重。

導水斷裂帶發育高度實測圖如圖4。壓水量對比圖如圖5。

圖4 導水斷裂帶發育高度實測圖Fig.4 Measured drawing of development height of water-conducting fracture zone

圖5 壓水量對比圖Fig.5 Contrast diagram of water pressure

鉆孔壓水試驗成果分析如下：

1）根據T2 鉆孔壓水試驗過程漏失情況，結合孔口標高為+1 233.54 m，煤層頂板標高為+842.18 m，計算得出T2 鉆孔導水斷裂帶頂界為孔深287 m，標高+946.54 m，可得導水斷裂帶發育高度為104.36 m，測試區域煤層厚度3.6 m，采高3.2 m，裂采比為32.61 倍。

2）根據T3 鉆孔壓水試驗過程漏失情況，結合T3鉆孔孔口標高為+1 233.58 m，煤層頂板標高為+842.21 m，計算得出T3 鉆孔導水斷裂帶頂界為孔深281 m，標高+952.58 m，可得導水斷裂帶發育高度為110.37 m，測試區域煤層厚度3.6 m，采高3.2 m，裂采比為34.49 倍。

3）對比3 個鉆孔壓水試驗成果，T1 孔代表地層原生孔隙、裂隙發育程度，T2、T3 孔在代表采動影響，頂板巖層受到擾動和破壞后孔隙裂隙的發育程度，在垂深280 m 以上，T2、T3 孔漏失量和T1 孔差別不大，表明巖層受破壞程度小；在垂深280 m 以下，T2、T3 孔壓水量隨著深度增大而逐漸增大，表明巖層受破壞程度不斷增大，根據壓水試驗成果，初步判斷T2 孔導水斷裂帶頂界位于垂深287 m，T3 孔導水斷裂帶頂界位于垂深281 m[17-18]。

綜合對比本次袁大灘煤礦2 煤開采導水斷裂帶發育高度實測結果（包括沖洗液漏失量和壓水試驗成果），本次在11201 工作面壓水測試獲取的煤層采后頂板導水斷裂帶高度為104.36～110.37 m，裂采比為32.61～34.49，導水斷裂帶頂界發育在直羅組地層范圍內。

2.2 數值模擬

數值模擬采用3DEC 非連續介質（節理巖體）的三維離散元軟件研究2 號煤回采后覆巖破壞情況。

根據現場地質資料，構建數值模型，其外形尺寸（長×寬×高）=600 m×100 m×340 m，模型中由下往上的傾斜巖層依次定義為第1 層至第24 層，其中第3層為2 號煤。模型底部第1 層與第2 層為煤層底部巖層，分別為最底層中粒砂巖與煤層底板泥巖。

通過對模型中11201 工作面依次開采過程中的速度矢量加以分析，比較工作面開采過程中的裂隙場分布規律，研究工作面開采的導水斷裂帶發育高度及范圍。并結合數值模型11201 工作面開采過程中的覆巖演化特征，綜合分析模型11201 工作面開采過程中“兩帶”高度范圍。

1）當工作面回采至560 m 時，頂板巖層裂隙場向上擴展至地表，裂隙場集中分布區域呈“梯狀”分布，巖層變形區域主要集中在模型長度40～560 m高度65～191 m 范圍內，其導水斷裂帶的最大高度約為107.5 m。

2）當11201 工作面回采至560 m 時，由于40～560 m 范圍內的工作面頂板充分垮落，垮落帶的高度位于24.3～25.4 m 范圍內，采空區上部巖層產生破壞較為明顯，存在明顯的彎曲變形，裂隙向上擴展，使得導水斷裂帶的高度位于101.6～107.5 m 范圍內。

在數值模型中所測“兩帶”主要形成于工作面回采至50 m 出現的頂板初次垮落時，此時，垮落巖層僅為采空區中間部位的頂板下分層，垮落高度在2.0～2.2 m 范圍內，而后逐漸增加，至工作面開采167 m 后，垮落帶基本保持穩定，其穩定后的垮落帶高度范圍為24.0～25.4 m；斷裂帶在工作面回采至50 m 初次形成時的高度位于27.3～28.1 m 范圍內，而后隨開采進行而逐漸向上發育，至工作面回采至300 m 后基本保持穩定，其穩定后的導水斷裂帶高度范圍為101.6～107.5 m，約為采高的31.75～33.59倍。

2.3 相似材料模擬

根據袁大灘煤礦11201 工作面實際原型，本次相似模擬實驗平臺模型尺寸為：長×寬×高＝3 000 mm×300 mm×1 500 mm，根據相似原理及準則，得出主要相似參數條件為：幾何相似系數αl=1/120，時間相似系數αt=7/100，速度相似系數αt=7/100，重力相似系數αγ=2/3，強度、彈性、黏結力相似系數αR=αE=αC=1/300，內摩擦角相似系數αΦ=1/1，作用力相似系數αf=8×10-8。

模型主要材料為：砂；輔料：大白粉、熟石膏、云母、水，其中在對煤層進行配比時要加入粉煤灰。由于模型材料的主料是砂，輔料所占比重較少，不影響模型材料的密度，所以，除煤層外，其它各層的密度均按1 600 kg/m3計算。

在模型上共布設12 條觀測線，324 個觀測點位。主要為了觀測導水斷裂帶內巖層下沉量、導水斷裂帶頂部附近巖層下沉量、數值法預計的導水斷裂帶頂部發育位置附近巖層下沉量和模型頂部巖層下沉量。在模型的兩邊對稱的留20 cm（原型24 m）的邊界，模擬推進長度為260 cm（原型312 m），使其達到充分采動，采空區采用垮落法處理。

當工作面推進至51.8 cm 時，發生初次來壓，但監測點無位移變化。當工作面推進至71.3 cm 時，發生第1 次周期來壓。由上至下I～IX 行的監測點無變化，X、XI 行的3～8 號監測點有顯著的位移變化，下沉曲線向推進方向延伸，4 號監測點為最大下沉點。當工作面推進至79.2 cm 時，發生第2 次周期來壓，下沉曲線與第1 次周期來壓曲線無明顯變化，但8號監測點發生位移，5 號監測點為最大下沉點，下沉曲線向推進方向繼續延伸。當工作面推進至132.8 cm 時，發生第8 次周期來壓。工作面上方巖層位移較為明顯，裂隙從第XII 行的11 號監測點左右向上發育到第III 行11 號監測點。采空區后方巖層無明顯變化，隨著工作面的推進，下沉曲線將會繼續延伸。當工作面推進至217.5 cm 時發生第15 次周期來壓。工作面上方巖層位移有明顯變化：第XI 行18～23 號監測點有明顯下沉現象，第XII 行17～20號監測點明顯下沉。采空區后方巖層無明顯位移變化。當工作面推進至232.6 cm 時發生第17 次周期來壓，頂板垮落。當工作面推進至241.5 cm 時發生第18 次周期來壓，工作面上方巖層有明顯位移：第X 行的19～23 號監測點有位移變化，第XI 行的22～24 號監測點有位移變化，第XII 行的21～25 號監測點有位移變化，均有下沉現象。采空區后方巖層無明顯位移現象。當工作面推進至263.5 cm 時發生第19次周期來壓。工作面上方巖層位移變化明顯，下沉曲線沿工作面推進方向延伸，地表下沉現象明顯，裂隙發育明顯，近似正梯形。采空區后方巖層無明顯位移變化，表明此時煤層頂板覆巖垮落充分。綜上所述，當工作面推進至263.5 cm（相當于工作面實際推采長度為316.2 m）時，頂板覆巖破壞高度達到最大，之后不在有明顯變化。相似材料模擬覆巖破壞最終形態圖如圖6。

圖6 相似材料模擬覆巖破壞最終形態圖Fig.6 Final shape diagram of overburden failure by similar materials simulation

通過室內模擬實驗，分析11201 工作面頂板覆巖變形破壞規律如下：

1）隨著工作面推進，覆巖發生垂直位移變化均呈現出“細微下沉→V 型凹陷→U 型穩定沉陷”的漸變過程，其中煤層直接頂位移漸變過程略早于直接頂與關鍵層之間的中間巖層略早于關鍵巖層。在工作面回采至310 m 左右時位移變化后的采空區中部關鍵層頂板基本穩定，煤層上覆巖層位移也基本穩定，采空區上覆巖層隨工作面推進呈現出明顯的階梯狀擴展演化過程。

2）11201 首采工作面在0～280 m 的推進過程中，導水斷裂帶的發育高度隨工作面的推進逐漸升高，同時覆巖上方裂隙發育明顯，而在280～300 m的推進過程中，導水斷裂帶的發育高度基本隨工作面的推進沒有明顯變化。工作面在初次來壓后垮落帶高度基本保持穩定，高度位于24.0～25.4 m，約為采高的7.5～7.9 倍，導水斷裂帶向上發育過程則明顯長于垮落帶；導水斷裂帶初次形成時的高度為27.2～28.3 m，而后隨開采進行而逐漸向上發育，至工作面回采至316 m 左右達到充分采動后基本保持穩定，穩定后的導水斷裂帶高度為106 m，約為采高的33.13 倍，與現場實測相比基本一致。

2.4 綜合確定

主要通過鉆孔漏失量消耗觀測、壓水試驗、數值模擬及相似材料模擬試驗，4 個方面綜合確定11201工作面“兩帶”發育高度。

1）鉆孔漏失量消耗觀測。對比3 個鉆孔鉆進過程中沖洗液漏失量可知，在垂深280 m 以上，T2、T3孔漏失量和T1 孔差別不大，表明巖層受破壞程度小，垂深280 m 以下，T2 和T3 孔漏失量隨著深度增大而注漿增大，直至孔內不反水，沖洗液全部漏失，表明巖層受破壞程度不斷增大，根據沖洗液漏失量，初步判斷導水裂隙帶頂界位于垂深280 m 以下。

2）壓水試驗。對比3 個鉆孔壓水試驗成果可知，在垂深280 m 以上，T2、T3 孔漏失量和T1 孔差別不大，表明巖層受破壞程度小，垂深280 m 以下，T2、T3 孔壓水量隨著深度增大而逐漸增大，表明巖層受破壞程度不斷增大，根據壓水試驗成果，初步判斷T2 孔導水斷裂帶頂界位于垂深287 m，T3 孔導水斷裂帶頂界位于垂深281 m。壓水測試獲取的煤層采后頂板導水斷裂帶高度為104.36～110.37 m，裂采比為32.61～34.49，導水斷裂帶頂界發育在侏羅系直羅組地層范圍內。

3）數值模擬。通過數值模擬11201 工作面回采過程中覆巖破壞規律，“兩帶”主要形成于工作面回采至50 m 出現的頂板初次垮落時，此時，垮落巖層僅為采空區中間部位的頂板下分層，垮落高度在2.0～2.2 m 范圍內，而后逐漸增加，至工作面開采167 m 后，垮落帶基本保持穩定，其穩定后的垮落帶高度范圍為24.0～25.4 m；裂隙帶在工作面回采至50m 初次形成時的高度位于27.3～28.1 m 范圍內，而后隨開采進行而逐漸向上發育，至工作面回采至300 m 后基本保持穩定，其穩定后的導水斷裂帶高度范圍為101.6～107.5 m，約為采高的31.75～33.59 倍。

4）相似模擬實驗。導水斷裂帶初次形成時的高度為27.2～28.3 m，而后隨開采進行而逐漸向上發育，至工作面回采至316 m 達到充分采動后基本保持穩定，其穩定后的導水斷裂帶高度為106 m，約為采高的33.13 倍。

綜上所述，通過開展鉆孔漏失量消耗觀測、壓水試驗、物理相似模擬實驗及數值相似模擬實驗來確定袁大灘煤礦2 煤開采導水斷裂帶發育高度，4 種方法測試得到的結果差別不大，最終以實測數據為主，確定袁大灘煤礦2 煤采后頂板導水裂隙帶高度為104.36～110.37 m，裂采比為32.61～34.49，導水斷裂帶頂界發育在侏羅系直羅組地層范圍內。

2.5 對比分析

研究區所處的陜北侏羅紀煤田還有其他礦區已開展過覆巖導水斷裂帶高度探查研究，如榆神礦區內榆陽煤礦、金雞灘煤礦、榆樹灣煤礦、杭來灣煤礦的裂采比為20.54～27.78、平均24.73[21]；神北礦區內大柳塔煤礦、上灣煤礦、石圪臺煤礦的裂采比約13～18、一般為15 左右[22]。而根據本次研究成果，其裂采比遠高于上述地區礦井，由此可見，榆橫北區煤層采后覆巖破壞規律與該煤田內其他礦區礦井均存在一定的差異性。

根據近年來覆巖破壞規律方面的研究成果，發現其影響因素較多，如有煤層自身特征、圍巖賦存條件、礦井地質構造等自然因素，也有工作面布設（尺寸、位置等）、開采方式（采煤方法、開采煤厚、回采速度、頂板管理等）、周邊礦井采掘情況等人為因素，還有其它涵蓋時間、空間等變化不穩定因素。另外，當不同因素疊加、相互作用時，還有可能產生非同于原先單一因素所造成的常見效果。

榆神礦區、神北礦區內礦井煤層埋深基本在100～300 m 左右，且煤層賦存條件、覆巖分布及構成均與本研究區存在一定差異，尤其在神北礦區，由于其埋深淺、采厚大，部分礦井采煤后導裂帶即會導通至地表（計算的裂采比值雖不大，是因為導裂帶無法向上發育而停止計算），在榆橫北區內的煤層普遍埋藏深度較大，且其覆巖結構組合、煤層及圍巖物理特征等情況均有別于榆神礦區、神北礦區等其他礦井，因此，造成其采后覆巖破壞高度有可能較大。就本次研究而言，采用地面鉆探觀測、孔內封堵壓水試驗的方法，對榆橫北區內覆巖“兩帶”發育高度的現場探查工作提供較好的應用實例，在與數值模擬、相似材料模擬成果對比驗證后，最終確定的覆巖導水斷裂帶參數對礦井具有可靠、有效的指導作用，為礦井防治水工作提供基礎依據。然而，根據各地區煤礦開采經驗，覆巖破壞規律并非能夠在短期內完全得到透徹掌握，在同一井田內都還有可能發生采后不同的覆巖變化情況，因此，關于區內煤層覆巖破壞規律的探索研究工作還需繼續深入開展。

3 頂板水害分析及防治對策

3.1 充水水源分析

通過開展袁大灘煤礦2 煤開采導水斷裂帶發育高度實測工作，最終確定，導水斷裂帶高度為104.36～110.37 m，裂采比為32.61～34.49，導水斷裂帶頂界發育在直羅組地層范圍內，距離安定組地層底界41～46 m，距離白堊系地層底界151～157 m，距離第四系離石組地層底界180～186 m，距離第四系薩拉烏蘇組地層底界189～195 m，距離地表281～287 m。在導水斷裂帶發育范圍內，主要分布有侏羅系延安組砂巖孔隙裂隙承壓含水層和侏羅系直羅組砂巖孔隙裂隙承壓含水層。

通過分析，袁大灘煤礦2 煤采后頂板直接充水含水層為直羅組和延安組含水層，這2 層含水層富水性均較弱；直接充水含水層與上覆富水性中等的白堊系洛河組含水層之間有巨厚且分布穩定的安定組隔水層存在，厚度超過100 m，全區穩定分布，上下含水層之間水力聯系弱，使得白堊系和第四系含水層對煤層開采影響極小；通過分析地面觀測孔資料，進一步證實工作面采后充水水源為直羅組含水層，第四系含水層在工作面回采過程中水位未發生任何變化；11201 工作面的采后正常涌水量為240 m3/h，回采過程中最大涌水量341.10 m3/h，與周邊礦井（如小紀汗煤礦、大海則煤礦）相比，頂板含水層涌水量偏小，綜上所述，袁大灘煤礦2 號煤開采受上覆含水層影響程度小。

3.2 水害防治對策

通過以上分析，認為礦井未來生產過程中主要的頂板防治水工作，應著重于對導水斷裂帶發育范圍內的侏羅系延安組和直羅組含水層進行疏放，防止可能存在的局部富水異常區充水[23-25]。而對于研究區頂板含水層富水異常區的探查，現普遍采用的物探（井下直流電法、瞬變電磁法等）、鉆探（普通短鉆、長距離定向鉆等）手段[1-2,26-27]均較為成熟，礦井通過采前開展頂板超前探查、疏放頂板水的工作，可盡量消耗各含水層的靜儲量，結合引流、截流的方式減少動態補給量，在實現“消峰平谷”的同時減少采空區的涌水。