司馬煤礦薄基巖導(dǎo)裂帶高度主控因素研究

王海波

(山西潞安集團(tuán) 司馬煤業(yè)有限公司，山西 長治 047105)

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司馬煤礦薄基巖導(dǎo)裂帶高度主控因素研究

王海波

(山西潞安集團(tuán) 司馬煤業(yè)有限公司，山西 長治 047105)

我國薄基巖區(qū)分布廣泛，司馬煤礦一采區(qū)屬于薄基巖區(qū)，3#煤層采動易導(dǎo)致煤層和第四系含水層聯(lián)通而引發(fā)頂板水害，其頂板黏土層是導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的主控因素。因此通過室內(nèi)壓汞實驗、土工實驗測試頂板黏土的滲透率和塑性指數(shù)，利用RFPA數(shù)值軟件分析頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。研究結(jié)果表明：黏土層是頂板水害防治的雙重保障，一方面，司馬煤礦黏土層在彎曲下沉帶存在低滲透率區(qū)域，可以有效防止第四系水進(jìn)入工作面；另一方面，黏土層具有良好的重塑性和再生性，是頂板水害防治的天然屏障。

薄基巖；導(dǎo)水裂隙帶；PFPA數(shù)值模擬；發(fā)育規(guī)律；黏土層；滲流特征；塑性

我國薄基巖、厚松散層地質(zhì)條件的煤層儲量非常豐富，例如神東礦區(qū)，是典型的薄基巖、厚松散層的煤層，儲量達(dá)2 236億t，占全國探明儲量的1/3，還有潞安、永城、兩淮和濟(jì)寧等礦區(qū)也都存在這種特殊地質(zhì)條件的煤層[1]. 此外，一些礦區(qū)為了充分挖掘礦井生產(chǎn)能力，延長服務(wù)年限，提高回采上限，縮小防水防砂煤柱，對原本屬于表外儲量的煤炭進(jìn)行開采，使得煤層基巖變薄，地質(zhì)條件成為薄基巖、厚松散層，例如安徽省的祁東煤礦等[2].

本文以潞安礦區(qū)司馬煤礦一采區(qū)3#煤層薄基巖區(qū)頂板水害防治為研究對象，采取室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析頂板采動導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，找出導(dǎo)水裂隙帶高度的主控因素，研究其主控因素的控水作用。

1 礦井地質(zhì)概況

潞安礦區(qū)司馬煤礦位于山西省長治縣境內(nèi)，該礦井處于沁水煤田長治一采區(qū)的東部邊緣地帶，地形總趨勢是南高北低，北部地勢較為平坦，地面標(biāo)高926.7～993.6 m. 井田面積29.494 km2，可采儲量96.56 Mt，煤質(zhì)為易選的瘦煤、貧瘦煤，是國內(nèi)外市場緊缺的優(yōu)質(zhì)煉焦配煤和優(yōu)質(zhì)動力用煤。目前，主采煤層為上組煤3#煤層，礦井設(shè)計產(chǎn)量為1.8 Mt/a.

1.1 薄基巖區(qū)地質(zhì)概況

司馬井田東北部3#煤層頂板為薄基巖厚表土層地層，薄基巖厚度變化為30～80 m. 部分地區(qū)基巖厚度約30 m，最厚處達(dá)到40～80 m(如圖1a所示)。薄基巖巖性主要由淺灰色-深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、灰白色砂巖組成。

圖1 第四系和薄基巖等厚線圖

司馬井田東北部第四系廣泛分布，第四系厚度變化不大，埋深基本在150～200 m，第四系厚度變化的總體趨勢為一單斜構(gòu)造，局部有小的隆起和凹陷(如圖1b所示)。第四系主要由亞砂土、亞黏土、黏土、砂組成，底部含礫石層。

1.2 薄基巖區(qū)水文地質(zhì)概況

司馬煤礦一采區(qū)含水層由深到淺主要包括：奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、石炭系太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層、二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層、基巖風(fēng)化帶裂隙含水層和第四系沖洪積孔隙含水層?；鶐r風(fēng)化帶和第四系含水層位于3#煤層頂板，基巖風(fēng)化帶含水層巖性破碎，水位標(biāo)高為857.85 m，單位涌水量為0.003 6 L/s·m，屬于弱富水含水層。第四系含水層孔隙度大，接受補(bǔ)給條件好，單位涌水量為0.02～0.17 L/s·m，屬于弱富水-中等富水含水層。

司馬煤礦的主要隔水層包括：石炭系中上統(tǒng)底部隔水層組、二疊系砂巖含水層層間隔水層和第四系黏土隔水層。其中，第四系黏土隔水層位于3#煤層頂板，其整體垂向越流能力差，底部沙層含導(dǎo)水性能弱、垂向越流能力更差。

司馬煤礦含隔水層示意圖見圖2. 3#煤層頂板基巖厚度僅為40～80 m，煤層厚度約為7 m，在采動影響下頂板導(dǎo)水裂隙帶極有可能穿越頂板基巖而進(jìn)入第四系。但基巖裂隙含水層為弱富水含水層，如果僅基巖裂隙含水層出水，可能會影響煤層的回采進(jìn)度，而不會造成大型突水事故。然而，第四系含水層為中等富水含水層，若頂板導(dǎo)水裂隙帶穿越黏土層聯(lián)通第四系含水層，則很有可能導(dǎo)致礦井安全事故。因此，3#煤層的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和第四系含水層的阻隔水能力是司馬煤礦一采區(qū)頂板水害防治的研究重點。

圖2 含隔水層示意圖

2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律研究

2.1 導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗公式

12個鉆孔資料顯示：一采區(qū)3#煤層頂板覆巖抗壓強(qiáng)度44.41 MPa，根據(jù)《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》[3]規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，近煤層的頂板巖層組合類型為堅硬型(40～80 MPa)，其冒落帶厚度為：

其中：

H—導(dǎo)水裂隙帶高度，m；

ΣM—煤層總厚度，司馬煤礦一采區(qū)3#煤層厚度為7 m.

根據(jù)式(1)計算得到冒落帶高度為28～35 m.

其導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗公式為：

根據(jù)式(1)和式(2)分別計算得到一采區(qū)3#煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為58.4～76.2 m和89.3 m.

司馬煤礦一采區(qū)部分3#煤層基巖厚度僅為30～40 m，其頂部主要為黏土層，近煤層的頂板的巖層組合類型為極軟弱型，其導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式為：

計算得到導(dǎo)水裂隙帶高度僅為47.3 m. 因此，司馬礦薄基巖區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度在47.3～89.4 m. 但是，考慮到薄基巖區(qū)基巖厚度變化、巖層組合等條件的差異，不能僅通過經(jīng)驗公式得到合理的結(jié)果，因此，必須用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行具體分析和計算。

2.2 導(dǎo)水裂隙帶數(shù)值模擬

采用RFPA軟件進(jìn)行司馬煤礦一采區(qū)3#煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度分析，根據(jù)綜采工作面鉆孔柱狀圖以及礦區(qū)巖石力學(xué)測試資料，整理得出的各煤系地層的力學(xué)參數(shù)見表1，并建立了與實際情況基本吻合的數(shù)值計算模型，見圖3. 煤層埋深為233 m，煤層厚7 m，直接頂砂質(zhì)泥巖為厚7 m的細(xì)粒砂巖。數(shù)值模型水平方向為400 m，垂直方向為270 m. 數(shù)值計算時此模型被劃分為1 m×1 m的正方形網(wǎng)格，共400×270=108 000個。模擬煤層從左到右開挖，開挖長度為200 m，每個開挖步距為10 m，共20步。巖層與巖層之間設(shè)有強(qiáng)弱不等的層理。模型中巖層亮度越高，說明其彈性模量越大。

表1 數(shù)值模擬計算參數(shù)表

圖3 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度數(shù)值模擬力學(xué)模型圖

RFPA數(shù)值模擬頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度見圖4. 由圖4可知：隨著3#煤采場的不斷向前推進(jìn)，頂板裂隙帶不斷向上發(fā)育。3#煤采場推進(jìn)到50 m左右時，發(fā)生初次來壓；推進(jìn)到100 m時，頂板裂隙達(dá)到65 m；推進(jìn)到150 m后，頂板裂隙高度最終達(dá)到85 m左右；此后，隨著采場的推進(jìn)，頂板裂隙高度變化趨于平緩。這是因為隨3#煤層上部巖層跨落巖層的不斷堆積，逐漸具有較強(qiáng)承載能力，因此司馬煤礦一采區(qū)3#煤層的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為85 m，處于經(jīng)驗公式計算范圍內(nèi)。

圖4 導(dǎo)水裂隙高度隨工作面推進(jìn)距離變化曲線圖

2.3 薄基巖區(qū)劃分

方新秋[4]等基于“上三帶”理論給出了薄基巖的定義：當(dāng)基巖厚度小于冒落帶高度時，稱為超薄基巖；當(dāng)基巖厚度大于冒落帶高度而小于裂隙帶高度時，稱為薄基巖。司馬煤礦的一采區(qū)3#煤層基巖厚度鉆孔統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2，大部分區(qū)域基巖厚度大于冒落帶高度35 m，除補(bǔ)8鉆孔外均小于導(dǎo)裂帶高度。因此，可將司馬煤礦一采區(qū)定義為薄基巖區(qū)。

表2 一采區(qū)3#煤頂板基巖厚度統(tǒng)計表

3 導(dǎo)水裂隙帶主控因素研究

綜上分析，司馬煤礦一采區(qū)3#煤層大部分導(dǎo)裂帶會進(jìn)入第四系，黏土隔水層的隔水能力對于安全開采至關(guān)重要。因此，對司馬煤礦第四系黏土取樣并進(jìn)行室內(nèi)實驗測試，分析黏土層的滲流和塑性特征，及正常綜采過程中，導(dǎo)水裂隙帶是否會穿越黏土層導(dǎo)通第四系含水層而引發(fā)突水事故。

3.1 黏土層物理力學(xué)滲流特性分析

為了分析司馬煤礦黏土層的滲透率變化規(guī)律，在黏土層不同埋深處取樣進(jìn)行壓汞實驗，試驗測得司馬煤礦黏土隨埋深的變化規(guī)律，見圖5. 由圖5可知；在淺埋深70～80 m處和深埋125～150 m處滲透率較大，最大達(dá)到了10-8m2數(shù)量級，其隔水性能較弱；在埋深90～125 m處存在低滲透率區(qū)域，其隔水性能接近大孔隙巖石的隔水性能，可以看作相對隔水層，而埋深90～125 m區(qū)域處于采動導(dǎo)水裂隙帶頂部的彎曲下沉帶，受采動影響較小，可以有效防止第四系含水層水進(jìn)入工作面，是煤層頂板的天然防水屏障。

圖5 黏土層隨埋深的變化規(guī)律圖

3.2 黏土層的塑性指數(shù)分析

為了分析司馬煤礦的黏土層塑性特征，從埋深60～155 m分別取樣進(jìn)行室內(nèi)土工實驗，測試黏土的液限和塑限分析其塑性指數(shù)：

其中：

Ip—黏土的塑性指數(shù)；

wL—黏土的塑限；

wp—黏土的液限。

司馬煤礦黏土層的液限、塑限和塑性特征見圖6. 由圖6可知：司馬煤礦的塑性指數(shù)Ip>10，而通常Ip>10代表土的顆粒較細(xì)，比表面積大，土的黏?；蛴H水礦物(如蒙脫石)含量較高，土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍就較大。即黏土層在外力作用下具有良好的重塑性和再生性，當(dāng)頂部導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入黏土層后，由于黏土層具有良好的重塑性和再生性，在采動破壞后可以再次形成天然的隔水屏障，可確保司馬煤礦一采區(qū)3#煤層的安全生產(chǎn)，是司馬煤礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的主控因素。

圖6 塑限、液限和塑性指數(shù)隨埋深的變化曲線圖

4 結(jié) 論

通過室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬等方法對司馬煤礦一采區(qū)3#煤層開采過程中頂板水害防治進(jìn)行研究，得到以下主要結(jié)論：

1) 司馬煤礦一采區(qū)3#煤層開采頂板水害防治的關(guān)鍵是分析采動導(dǎo)水裂隙帶高度是否能夠穿越第四系黏土層而聯(lián)通第四系含水層。

2) 數(shù)值模擬和經(jīng)驗公式計算結(jié)果顯示，司馬煤礦一采區(qū)3#煤層的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為85 m，大于一采區(qū)大部分地區(qū)的基巖厚度，為薄基巖區(qū)。

3) 頂板黏土層為頂板水害防治的主控因素，黏土層具有較低的滲透率，良好的重塑性和再生性是頂板水害防治的雙重保障。

[1] 涂 敏，桂和榮，李明好，等.厚松散層及超薄覆巖厚煤層防水煤柱開采試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(20)：3494-3497.

[2] 杜 鋒，白海波，黃漢富，等.薄基巖綜放采場基本頂周期來壓力學(xué)分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013,42(3):362-369.

[3] 宣以瓊.薄基巖淺埋煤層覆巖破壞移動演化規(guī)律研究[J].巖土力學(xué),2008,29(2):512-516.

[4] 方新秋,黃漢富,金 桃,等.厚表土薄基巖煤層開采覆巖運(yùn)動規(guī)律[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(S1):2700-2706.

Research on Major Controlling Factors of Water Guiding Fracture Zone Height with Thin Bedrock in Sima Coal Mine

WANG Haibo

Thin bedrock exists in Sima coal mine just as in many other coal field all over the country, mining activities in No.3 coal seam are prone to connect the upper roof water in the Fourth aquifer which may cause Roof water hazard, the clay layer of its roof is the main controlling factor of the height in the water guiding fractured zone. The specification for penetration rate and plasticity of the clay inside roof were tested under the condition of indoor mercury engineering, by which the height of the water guiding fracture zone was analyzed with RFPA numerical software. The results show that the roof clay layer plays the roles of waterproof wall. One point, the roof clay layer in Sima coal mine has the property of low permeability in the bending zone, which can prevent the water in Fourth aquifer effectively from entering the working face. Another point, the roof clay layer has the property of Good remodeling and regeneration, consists of the natural waterproof wall.

Thin bedrock; Water guiding fracture zone; PFPA numerical simulation; Developmental law; Clay layer; Seepage characteristics; Plasticity

2017-03-13

王海波(1973—)，男，山西黎城人，2014年畢業(yè)于東北大學(xué)，助理工程師，主要從事煤炭生產(chǎn)技術(shù)管理工作

(E-mail)466457313@qq.com

TD325

B

1672-0652(2017)04-0012-04