弱固結地層特厚煤層綜放開采覆巖破壞及水害防控研究

李宣東，張風達，張春牛，曹路通，宋文杰，申晨輝，于忠升，蔡昌偉，李漢漢，周全超

(1.華亭煤業集團有限責任公司，甘肅 華亭 744100；2.天地科技股份有限公司，北京 100013；3.華能慶陽煤電有限責任公司，甘肅 慶陽 745006；4.扎賚諾爾煤業有限責任公司，內蒙古 滿洲里 021410；5.華能煤業有限公司，北京 100070；6.華能云南滇東能源有限責任公司，云南 曲靖 655500；7.華能煤業有限公司陜西礦業分公司，陜西 榆林 719000；8.華能煤炭技術研究有限公司，北京 100070)

0 引 言

隨著我國綜合機械化裝備的不斷升級，綜放開采方法已逐漸成為煤炭資源安全高效開采的主要方法之一。綜放開采具有開采強度大，覆巖移動變形較為劇烈等特點，在上覆巖層存在含水層時，綜放開采易誘發頂板水害事故。基于此，國內外專家針對綜放開采覆巖破壞規律開展了大量研究。王家臣[1]系統闡述了我國煤礦綜放采煤工藝特點及發展歷程；張宏偉等[2]、馬蓮凈等[3]分別采用微震監測、鉆孔沖洗液消耗量觀測法等方法獲取了老虎臺礦“弱-弱”結構覆巖的導水裂縫帶高度與采厚的比值分別為8.5和7.3，與堅硬覆巖、中硬覆巖類型相比較小；張冰等[4]以多倫煤礦為研究對象，分析得出白堊系覆巖下綜放開采裂采比為12.21；張玉鵬等[5]針對蒙西深部厚煤層綜放開采后的覆巖破壞高度進行實測，確定裂采比在17.10～22.06之間；張國奇等[6]運用鉆孔沖洗液漏失量觀測法確定半固結砂巖下綜放開采裂采比在11.16～13.09之間；張玉軍等[7]運用鉆孔沖洗液漏失量觀測法和鉆孔窺視法，獲取了中硬覆巖類型的綜放開采裂采比在16.15～18.03之間；張宏偉等[8]通過現場實測獲取同忻煤礦特厚煤層綜放開采裂采比在10.0～11.5之間。大量的現場實測研究為揭示厚煤層綜放開采覆巖破壞特征提供了重要支撐。

當導水裂縫波及范圍內存在含水層(體)時，易誘發工作面充水潰砂事故，尤其是侏羅系地層或白堊系地層的膠結性相對較差，在水壓作用下導致巖體崩解，形成水-砂混合物，涌入采動空間給礦井安全生產帶來威脅。為此，部分專家針對水體下綜放開采的水害防控技術開展了大量研究。張玉軍等[9-10]提出了控水采煤理論；劉生優等[11]運用并行電法的物探方法和鉆孔探放水方法，提前對導水裂縫帶內的含水層進行提前疏放；宋業杰等[12]針對積水采空區下厚煤層綜放開采，提出了“物探探查、鉆探驗證、疏干再采”的技術方案；劉治國[13]以限厚開采的方式實現了河下及砂礫巖含水層下的安全開采；李磊等[14]、王樂杰[15]從水害防治和地表巖移的角度對Ⅱ2-1煤層采空積水、基巖裸露地區河下安全開采可行性；王冠等[16]針對不同水害類型采取相對應的井上下鉆孔疏排防治水方法，確保了工作面安全回采；高虎等[17]針對極復雜水文地質條件的綜放工作面，提出了“走向‘波浪式’+傾向‘倒V式’+架后留疏水通道”控水工藝；朱開鵬[18]提出限厚開采是實現淺埋水體下安全開采的重要方法之一。以上研究為綜放開采覆巖破壞規律及水害防控提供了重要參考，但主要是針對單一煤層回采過程中水害防治技術開展的相關研究，在實際生產過程中，隨著淺部資源的日趨枯竭，煤炭資源開采轉入下水平開采或下組煤層開采時，不僅面臨著覆巖內含水層的影響，還面臨著上覆采空區水的影響，其覆巖破壞規律和水害防治技術等均與單一煤層開采存在較大的差異。

1 工作面概況

根據含水層賦存特征，將Ⅱ3煤層頂板砂巖含水層定義為一含，一含滲透系數為0.186～0.247 m/d，單位涌水量為0.05 L/(s·m)，是Ⅱ3煤層開采的直接充水含水層；一含上部隔水層稱為一隔，一隔與Ⅱ2-1煤層底板之間砂巖含水層稱為二含(1)，單位涌水量為0.007 5～0.020 9 L/(s·m)，屬于弱富水含水層，且富水性不均一；Ⅱ2-1煤層與二含(1)之間稱為二隔(1)；Ⅱ2-1煤層頂板砂巖含水層依次稱為二含(2)、三含，二含(2)單位涌水量為0.003 7～0.097 0 L/(s·m)，屬弱富水含水層；二含(2)與Ⅱ2-1煤層之間的隔水層稱為二隔(2)，三含與二含(2)之間稱為三隔，三隔之上為三含，三含單位涌水量為0.4 L/(s·m)，滲透系數4.44 m/d，富水性中等，具體如圖1所示。

圖1 礦井各含、隔水層的劃分示意圖Fig.1 Demarcation of water-bearing and water-resisting layers in mine

靈東煤礦Ⅱ3煤層厚度為8.64～26.08 m，由東北部向西南部逐漸變薄，并向東南部煤層埋深逐漸增大，煤層埋深423.58～492.18 m。煤層頂板為細粒砂巖或粉砂巖，底板為細粒砂巖。Ⅱ3煤層首采工作面寬287 m，上覆Ⅱ2-1煤層埋深為359 m，煤層厚度為12 m，放頂煤層一次采全高；Ⅱ3煤層平均埋深為469.15 m，煤層厚度為24 m，分兩層開采，一次開采厚度12 m；Ⅱ3煤層與Ⅱ2-1煤層平均間距為98.6 m。距Ⅱ2-1煤層頂板75 m處為三含，Ⅱ3煤層安全回采自下而上面臨著一含、二含(1)、Ⅱ2-1煤層采空區水、二含(2)、三含等含水(層)體。 Ⅱ3煤層所處的西采區賦存呈現出西北高東南低的特點，首采工作面位于西采區東南側，工作面埋深430～472 m，工作面走向長3 070 m，傾斜寬276 m。

2 覆巖破壞特征研究

覆巖破壞高度預計及其破壞特征研究已成為水害防控的關鍵，為研究弱固結覆巖類型、重復采動條件下的覆巖破壞特征，采用類比分析法、相似模擬法和數值模擬法等進行綜合分析。

2.1 類比分析法

根據扎賚諾爾礦區開采的實踐經驗，總結了放頂煤開采厚度與導水裂縫帶發育高度之間，關系圖如圖2所示。 由圖2可知，煤層開采厚度介于2～17 m之間，裂采比為5～10。類比經驗數據可知，靈東煤礦西采區Ⅱ3煤層頂分層采厚12 m，綜放開采時的導水裂縫帶高度預計值為75 m，首采工作面Ⅱ3煤層與上層Ⅱ2-1煤層間距約為98 m，即Ⅱ3煤層頂分層綜放開采時采動裂縫不會波及Ⅱ2-1煤層采空區。

圖2 扎賚諾爾礦區類比預計的采厚與裂高關系圖Fig.2 Relationship between mining thickness and fracture height predicted by analogy in Zhalainuoer Mining Area

2.2 相似模擬

采用相似模擬手段研究Ⅱ2-1煤層與Ⅱ3煤層頂分層重復開采的覆巖破壞特征及導水裂縫帶高度。

2.2.1 Ⅱ2-1煤層開采覆巖破壞特征分析

當工作面推進200 m時，在Ⅱ2-1煤層頂板上覆38 m處產生離層，下部離層空間閉合。當工作面推進215 m處，導水裂縫帶高度為50 m，其下部離層空間逐漸閉合。工作面開挖250 m時，導水裂縫帶高度為72.4 m，并保持穩定。工作面開挖262.5 m和362.5 m時，Ⅱ2-1煤層頂板上覆分別在100 m和115 m處產生離層，下部離層空間閉合。在工作面不斷推進過程中，上覆巖層裂隙呈現“階梯式”垮塌特征(圖3)；工作面附近裂隙動態發育，裂隙發育高度隨著推進距離不斷增加。除開切眼附近及工作面附近裂隙動態發育外，采空區中部采動空間迅速壓實，垮落巖體裂隙空間大部分閉合。

2.2.2 Ⅱ3煤層頂分層開采覆巖破壞規律分析

當工作面推進212.5 m時，Ⅱ3煤層頂板導水裂縫帶高度在40 m左右。當工作面推進250 m時，采空區上覆離層空間閉合，Ⅱ3煤層與Ⅱ2-1煤層層間巖層同步協調彎曲下沉，工作面后方層間巖層內無離層空間(圖4)。此后隨著工作面繼續推進，工作面后方層間巖層呈現相同的運動規律，始終同步協調彎曲下沉。除工作面及開起眼附近存在較大離層空間外，其他位置層間巖層同步協調彎曲下沉，能夠迅速填滿開采空間，采空區裂隙迅速閉合。

圖3 Ⅱ2-1煤層開采覆巖破壞過程Fig.3 Mining rock failure process of Ⅱ2-1 coal seam

圖4 Ⅱ3煤層頂分層開采覆巖破壞過程Fig.4 Failure process of roof strata mining in Ⅱ3 coal seam

Ⅱ3煤層頂分層開采工作面推進過程中裂縫帶發育高度變化見表1。 由表1可知，工作面推進87.5～175 m期間，裂縫帶發育高度逐漸增加，采空區中部裂縫帶發育速度最快，高于工作面附近。

表1 Ⅱ3煤層頂分層開采裂縫帶發育高度變化Table 1 Variation of development height of fracture zone in top stratification mining of Ⅱ3 coal seam

2.3 數值模擬研究

為保證工作面達到充分采動，且考慮模型計算效率，將Ⅱ3煤層上覆未模擬的巖層3 MPa載荷替代施加在模型頂部，最終確定模型尺寸長×寬×高為700 m×500 m×323 m。分析Ⅱ2-1煤層與Ⅱ3煤層分別回采500 m時，上覆巖層破壞特征如圖5和圖6所示。

圖5 Ⅱ2-1煤層推進500 m塑性區分布圖Fig.5 Distribution map of plastic zone of 500 m advancing in Ⅱ2-1 coal seam

圖6 Ⅱ3煤層頂分層開采12 m推進500 m塑性區分布圖Fig.6 Distribution map of plastic zone of 12 m advancing 500 m in top slicing mining of Ⅱ3 coal seam

由圖5可知，Ⅱ2-1煤層開采時，隨著推進長度增加，頂板上部破壞發育呈現兩側高，中間低的“馬鞍型”形態，工作面兩側覆巖破壞高度要大于中部，推進500 m時，頂板覆巖破壞發育達到穩定，導水裂縫帶高度最大值為73 m。由圖6可知，Ⅱ3煤層頂分層采12 m，工作面推進500 m時，導水裂縫帶高度發育至74 m，兩側邊界最高位置與Ⅱ2-1煤層的底板采動破壞帶未溝通，此時采空區積水不會對頂分層開采造成直接充水影響，上部Ⅱ2-1煤層導水裂縫帶高度發育無明顯增加。

根據類比分析法、相似模擬法和數值模擬法綜合分析，Ⅱ2-1煤層在煤層厚度為12 m開采的情況下，預計導水裂縫高度為75 m；Ⅱ3煤層頂分層采用12 m附近的綜放開采工藝，預計導水裂縫帶高度為75 m，導水裂縫帶尚未導通上覆Ⅱ2-1煤層采空區。

3 水害防治技術

3.1 水害防治原則

為了實現正常綜放開采，對垮落帶范圍內的砂巖含水層采用“先疏后采”的措施，要求在采前疏干，以防止工作面潰砂、潰泥等災害；對導水裂縫帶范圍內的砂巖含水層采用“先疏后采”與“邊采邊疏”相結合的措施，要求在采前預先疏降以降低回采期間的涌水壓力，通過“邊采邊疏”予以疏干或基本疏干，為實現疏干(降)開采創造條件，對處于導水裂縫帶范圍之上的含水層采用頂水開采措施。

首采工作面Ⅱ3煤層頂分層開采時，對于二含(2)及以上含水層現階段按照留設防水安全煤巖柱考慮，防止二含(2)及以上含水層對工作面產生直接充水影響；對于二含(1)開采前需要將含水層水位疏降到含水層頂板以下；由于一含距離煤層較近，對工作面有充水潰砂影響，開采前需要將一含進行疏干處理；對于Ⅱ2-1煤層采空區積水，在開采前上采取疏干處理措施。

3.2 物探探查

3.2.1 一含含水層富水區分析

以工作面推進自右向左進行遞減式編號，以米為單位進行計數，最右側為開切眼，物探結果如圖7所示。 采用音頻電透視法獲取的一含視電導率探測結果變化范圍在7.42～10.02 S/m期間的變化，該層段異常閾值為9.22 S/m，大于該值的設為異常范圍。

圖7為礦井瞬變電磁法在運輸順槽的水平方向剖面圖和礦井瞬變電磁法在回風順槽的水平方向剖面圖，中間陰影充填區域為音頻電透視方法推斷的富水異常，網格狀充填區域為基于礦井瞬變電磁法推斷的富水異常。

通過兩種物探方法推斷的異常范圍分布情況，以兩種方法吻合程度較高的區域、密集分布的區域為基準，結合其分布趨勢圈定了兩個重點的異常區域，分別是工作面點號為2090～2350區域及2450～2850區域這兩個重疊程度高的區域，認為這兩個范圍內其電性異常較為一致，富水異常的可能性較大，是防治水工作的重點區域。 而Y4區、Y6區和Y1區分布雖然兩種方法圈定范圍具有一定的差異性，但也是異常的分布區域，需采取鉆探等方法進行驗證。

3.2.2 Ⅱ2-1煤層采空富水區分析

礦井瞬變電磁法與音頻電透視法對Ⅱ2-1煤層采空富水區綜合探測成果如圖8所示。采用音頻電透視法獲取的，視電導率探測結果變化范圍在2.12～6.52 S/m期間的變化，該層段異常閾值為4.03 S/m。

綜合以上分析，通過兩種物探方法推斷的異常范圍分布情況，以兩種方法吻合程度較高的區域、密集分布的區域為基準，結合其分布趨勢圈定了兩個重點的異常區域，分別是點號為2070～2330區域及2400～2850的區域，認為這兩個范圍所在的區域其電性異常較為匹配，富水異常的可能性較大，是防治水工作的重點區域。

圖7 礦井瞬變電磁法與音頻電透視法對一含含水層綜合解釋圖Fig.7 Comprehensive interpretation chart of aquifer by transient electromagnetic method and audio electric perspective method in mine

圖8 礦井瞬變電磁法與音頻電透視法對Ⅱ2-1煤層采空富水區綜合解釋圖Fig.8 Comprehensive interpretation chart of mine transient electromagnetic method and audio electric perspective method for Ⅱ2-1 coal seam mining goaf rich water area

3.3 鉆探探查

首采工作面運輸順槽內依次施工疏放水鉆場，鉆場間距不大于100 m，鉆場內一含疏放水鉆孔間距以含水層富水性為依據進行調整，每個鉆場布置鉆孔1～3個。回風順槽按照100 m間距向煤壁方向依次施工疏放水鉆孔。一含探放水鉆孔初始疏放水量主要介于1～4 m3/h，個別鉆孔初始疏放水量達到24 m3/h。二含(1)主要借助Ⅱ2-1煤層采空區積水疏放水孔進行疏放，針對工作面中部二含(1)厚度較大的、且未施工Ⅱ2-1煤層采空區積水疏放水孔的區域，在一含疏放水鉆場內布置1～2個鉆孔進行補充疏放。受松軟地層影響，Ⅱ2-1煤層采空區積水疏放水孔鉆孔成孔率較低，鉆孔施工完成后基本無水。

為了便于實現對井下疏放水鉆孔的調整，一含鉆孔的終孔層位為一含頂板。兼做二含(1)疏放水的Ⅱ2-1煤層采空區積水疏放水孔以穿過Ⅱ2-1煤層底板5 m為準，Ⅱ2-1煤層采空區積水疏放水孔重點布置在地勢低洼處等疑似積水區，尤其是區段煤柱附近，作為二含(1)補充疏放水鉆孔的終孔層位為Ⅱ2-1煤層底板的隔水層。

3.4 水害防治效果

通過鉆孔預先疏放上覆含水層的富水性，確保了首采工作面的安全回采，工作面一次見方期間，工作面涌水量為8～26 m3/h，說明針對不同含水層(體)，采取針對性的水害防治措施，有助于提升疏放水效率、改善工作面作業環境，提高工作面安全開采水平。

4 結 論

1) 弱固結地層特厚煤層綜放開采過程中Ⅱ2-1煤層回采時，存在“階梯式”垮塌特征；特厚煤層頂分層重復采動至250 m以后，上覆巖層呈現出與Ⅱ2-1煤層層間巖層同步協調彎曲下沉，工作面后方巖層內無離層空間的特點。

2) 采用類比分析法、相似模擬法和數值模擬法，研究得出Ⅱ2-1煤層在煤層厚度為12 m開采時，預計導水裂縫高度為75 m；Ⅱ3煤層頂分層采用12 m左右的綜放開采工藝，預計導水裂縫帶高度為75 m，小于Ⅱ2-1煤層和Ⅱ3煤層之間的間距，即Ⅱ3煤層頂分層開采的導水裂縫帶尚未導通上覆Ⅱ2-1煤層采空區。

3) 以采前疏干垮落帶內含水層、疏降導水裂縫帶內含水層、不波及導水裂縫帶以外的含水層為原則，采用“音頻電透視+瞬變電磁”疊加分析的方法探查Ⅱ3煤層導水裂縫帶內含水層富水性和Ⅱ2-1煤層采空區水，并采用鉆孔進行探放，保證了工作面安全回采。