郭家河煤礦綜放工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律研究

李艷清，王 冠

(1.陜西省煤炭科學(xué)研究所，陜西 西安 710001；2.陜西郭家河煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721505)

0 引言

郭家河煤礦上覆洛河組強(qiáng)含水層，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)展高度直接關(guān)系到礦井安全。目前在麟北礦區(qū)還缺乏完整的“三帶”發(fā)育研究成果，探索和研究冒落帶、裂隙帶的發(fā)育高度對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 采空區(qū)“三帶”發(fā)育規(guī)律

采空區(qū)上覆巖層在采后將會(huì)發(fā)生較為復(fù)雜的移動(dòng)和變形。根據(jù)采后巖體的破壞程度，可將上覆巖層自垂直方向大致分成3個(gè)區(qū)域，即冒落帶(跨落帶)、斷裂帶(裂隙帶)和彎曲下沉帶，如圖1所示?！叭龓А痹谒交蚓弮A斜煤層開采時(shí)表現(xiàn)得比較明顯。由于采厚、采空區(qū)大小、巖石性質(zhì)、頂板管理方法及開采深度等的不同，上覆巖層中的“三帶”不一定同時(shí)存在。

1.1 冒落帶

冒落帶是指在使用全部跨落法管理的頂板在放頂后產(chǎn)生的破壞范圍，其破壞特點(diǎn)如下：隨著工作面的推進(jìn)，直接頂在自重的影響下發(fā)生法向彎曲，而當(dāng)巖體拉應(yīng)力超過巖石的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生拉裂。

1-地面塌陷區(qū)；2-巖層開始移動(dòng)邊界線；3-巖層移動(dòng)穩(wěn)動(dòng)邊界線；Ⅰ-冒落帶；Ⅱ-裂隙帶；Ⅲ-彎曲下沉帶圖1 開采后巖層移動(dòng)概貌

冒落帶高度主要取決于采厚及上覆巖體的碎脹系數(shù)，一般來說冒落帶高度為采厚的3～5倍。薄煤層開采時(shí)，冒落帶高度一般為采厚的1.7倍左右。頂板巖體堅(jiān)硬時(shí)，冒落帶高度為采厚的5～6倍。當(dāng)頂板為軟巖時(shí)，冒落帶高度一般為采厚的2～4倍。一般來說冒落帶高度可用下式近似估算：

式中：h—冒落帶高度，m；m—開采厚度，m；k—覆巖碎脹系數(shù)；α—煤層傾角，(°)。

1.2 裂隙帶

裂縫帶是采空區(qū)上覆巖層中產(chǎn)生裂縫、離層及斷裂，但仍保持層狀結(jié)構(gòu)的那部分巖層。裂縫帶通常位于冒落帶與彎曲帶之間。

冒落帶和裂縫帶統(tǒng)稱為導(dǎo)水裂隙帶，兩者之間的分界線并不明顯。一般來說覆巖距采空區(qū)的距離越大，破壞程度就越小。在采深較小、采厚較大、采用全部跨落法管理頂板的情況下，兩帶高度有時(shí)甚至發(fā)展至地表。此時(shí)地表與采空區(qū)相互連通，呈現(xiàn)出塌陷或崩落狀態(tài)。兩帶高度與巖石性質(zhì)息息相關(guān)，一般來說，軟巖形成的兩帶高度較硬巖低。

1.3 彎曲帶

彎曲帶是指位于裂隙帶之上的巖體塑性變形區(qū)及彈性區(qū)。彎曲帶內(nèi)的巖石移動(dòng)特點(diǎn)為：在自重作用下，彎曲帶內(nèi)巖層產(chǎn)生層面法線方向上的彎曲，且在水平方向上處于雙向受壓的狀態(tài)，因此其壓實(shí)性較好，具有隔水的作用。

開采深度是影響彎曲帶高度的主要因素。在大采深情況下，彎曲帶高度可以遠(yuǎn)超冒落帶及裂隙帶高度總和。此時(shí)，裂隙帶不會(huì)發(fā)展至地表，地表的移動(dòng)及變形也相對(duì)平緩。有時(shí)在地表面可能會(huì)形成些許由于地表拉伸作用產(chǎn)生的裂縫，但這些裂縫一般達(dá)到一定深度后會(huì)自行閉合或消失，其通常不與井下裂縫相連通。

2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律

2.1 導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)及特征

導(dǎo)水裂隙帶往往起始于煤壁的前方或在煤壁上。對(duì)于軟弱覆巖來說，導(dǎo)水裂隙帶的形態(tài)通常為兩邊高中間低的“馬鞍型”。而對(duì)中硬或以上覆巖來說，其導(dǎo)水裂隙帶的“馬鞍型”更為明顯。隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層經(jīng)歷了彎曲、離層直至破壞的運(yùn)動(dòng)過程。而當(dāng)工作面推進(jìn)到一定程度，且經(jīng)過一定時(shí)間，隨著冒落巖石離層、壓實(shí)過程的完成，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)展將最終趨向穩(wěn)定。

2.2 影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)展的因素

采厚與工作面參數(shù)：由于郭家河煤礦采用綜采放頂煤一次性采全高進(jìn)行開采，開采煤層厚度較大，則導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度也比較大。

采煤方法和頂板管理方法：郭家河煤礦采用綜采放頂煤一次性采全高開采工藝，全部垮落法管理頂板，由于煤層開采后冒落空間較大，將加劇上覆巖層的破壞，導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度較大。

巖性和地質(zhì)條件：根據(jù)郭家河井田勘探地質(zhì)報(bào)告，工作面煤層直接充水含水層為侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙含水層(Ⅸ)，以及侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及其頂板砂巖裂隙含水層(Ⅹ)，充水方式為頂板進(jìn)水，對(duì)工作面生產(chǎn)影響不大。但在距3煤工作面上方300 m左右的白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖孔隙～裂隙含水層涌水量較大，若其順導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入工作面，將對(duì)工作面的安全生產(chǎn)產(chǎn)生很大的影響。但在白堊系下統(tǒng)洛河組含水層下方有幾層厚度較大的砂質(zhì)泥巖和砂巖，由于砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度弱，可塑性較好，能有效阻止導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)展，而上覆砂巖巖層較厚且比較堅(jiān)硬，可有效支撐上覆軟巖阻止其破壞斷裂，通過砂質(zhì)泥巖和砂巖的組合，可有效阻止導(dǎo)水裂隙帶向上覆含水層的發(fā)展。

煤層賦存情況：煤層賦存情況對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的影響主要體現(xiàn)在煤層傾角上。隨著煤層傾角的變化，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)展過程、分布形態(tài)、高度等一系列特征都將產(chǎn)生變化。一般來說，由于煤層傾角的影響，冒落的巖塊將在采空區(qū)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而影響上覆巖層的破壞情況。對(duì)于綜放開采來說，由于其煤層傾角較小，因此對(duì)于導(dǎo)水裂隙帶的影響有限。但在向斜和背斜的軸部，煤層傾角較大，對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的程度還是有一定的影響，隨著工作面的推移，上覆巖層將逐漸破碎冒落，在向斜軸部附近，由于斷裂巖塊的相互咬合，可有效支承上覆巖層阻止其斷裂，且已冒落巖塊向向斜軸部滑落，可有效對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，可進(jìn)一步阻止上覆巖層的斷裂，對(duì)控制導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)展具有積極影響。在背斜的軸部附近，由于巖塊斷裂后旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)滑落，降低了對(duì)上覆巖層的支承作用，導(dǎo)致破碎巖層進(jìn)一步發(fā)展，而且由于軸部附近已冒落矸石向背斜翼部滑落，導(dǎo)致背斜軸部附近采空區(qū)冒落空間進(jìn)一步加大，加劇了導(dǎo)水裂隙帶向上覆巖層的發(fā)展。

地質(zhì)構(gòu)造：斷層與采空區(qū)的位置、斷層的透水性等因素將影響導(dǎo)水裂隙帶的最大高度及其破壞形態(tài)。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，斷層對(duì)導(dǎo)水裂隙帶影響主要體現(xiàn)在：隨著斷層與采空區(qū)相對(duì)位置的變化而變化；斷層面傾角越大，導(dǎo)水裂隙帶高度增長率就越大；當(dāng)不留設(shè)斷層防水煤柱時(shí)，開采斷層上盤所引起的導(dǎo)水裂隙帶增長比開采下盤時(shí)要?。涣粼O(shè)一定的防水煤柱而至開采斷層上盤或下盤的情況，與上下盤同時(shí)留設(shè)煤柱開采的情況相比，導(dǎo)水裂隙帶高度不會(huì)明顯增大。而在靠近斷層的一側(cè)，導(dǎo)水裂隙帶在橫向范圍上會(huì)有所縮小。

時(shí)間過程：根據(jù)郭家河煤礦綜放面生產(chǎn)計(jì)劃表，當(dāng)日平均推進(jìn)4～5 m，且工作面上覆巖層屬中硬巖層，約2個(gè)月時(shí)間，即當(dāng)工作面推進(jìn)長度約等于工作面傾向長度時(shí)，上覆巖層破壞范圍最大，導(dǎo)水裂隙帶也將達(dá)到最大。隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層將彎曲下沉，并有序地壓在已破碎巖層上，且工作面上方巖層為泥巖和砂巖互層，經(jīng)過上覆巖層的擠壓作用，有利于巖層中裂隙的閉合，致使導(dǎo)水裂隙帶高度有所降低。

2.3 理論基礎(chǔ)和研究方法

導(dǎo)水裂隙帶的高度：可認(rèn)為是由“冒落帶”和“斷裂帶”組成的。冒落帶的高度可通過冒落公式進(jìn)行計(jì)算，裂隙帶的高度則根據(jù)基本頂、主關(guān)鍵層及較厚的軟巖層的位置來斷定。隨著工作面的推移，直接頂將直接破碎冒落，形成冒落帶。在基本頂與主關(guān)鍵層之間的巖層則會(huì)發(fā)生破壞、斷裂、離層等現(xiàn)象形成裂隙帶。當(dāng)工作面推進(jìn)到一定的距離后，超過主關(guān)鍵層的承受極限，主關(guān)鍵層也將斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致裂隙帶向上發(fā)育。但隨著主關(guān)鍵層的斷裂，上覆在主關(guān)鍵層的巖層也將發(fā)生斷裂、彎曲下沉。以1303工作面為例，在主關(guān)鍵層的上方有一層64.06 m的軟弱巖層——砂質(zhì)泥巖，其對(duì)裂隙的發(fā)展將成主要抑制作用，從而阻止下位巖層裂隙傳遞至上位巖層。

煤厚區(qū)劃分：根據(jù)1303煤層厚度賦存規(guī)律，從切眼向前300 m范圍內(nèi)煤層較厚，平均煤厚約18 m；從G16-3鉆孔至工作面采面的中部，平均煤厚約15 m；從采面中部到設(shè)計(jì)停采線位置，平均煤厚約12 m。為了研判整個(gè)1303首采綜放面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，按煤層厚度將工作面劃分3個(gè)段落，分別為18 m煤厚區(qū)、15 m煤厚區(qū)和12 m煤厚區(qū)。通過研究3種煤厚區(qū)的覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，來體現(xiàn)整個(gè)1303工作面的覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.4 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測(cè)

18 m煤厚區(qū)(煤層開采厚度為18 m)：1303工作面直接頂巖層大部分為砂巖，因此巖石的碎脹系數(shù)取1.25，來粗略估算采高h(yuǎn)對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)的影響。根據(jù)冒落空間計(jì)算公式，冒落帶的高度即為頂煤到i層之間巖層的厚度，參照3種煤厚區(qū)的煤層厚度，來分別計(jì)算不同的采高對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)的影響，以確定其導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。

KAmi>Si=h+m1+m2+…+mi-KAm1-KAm2-…-KAmi-1

根據(jù)冒落空間公式計(jì)算到3煤層上方第21層(粗粒砂巖)冒落空間為

S21=h+m1+m2+…+m21-KAm1-KAm2-…-KAm20=3.005 m

m21冒落后充填厚度為

KAm21=KA×m21=1.25×2.90=3.625 m

因KAm21>S21，故m21巖層不冒落。

煤層上方18層巖層厚度之和為66.55 m，即冒落帶高度可以達(dá)到離3煤頂板66.55 m處；由于第22層主關(guān)鍵層粉砂巖可看作基本頂或者認(rèn)為較接近基本頂，因此隨著工作面的推移主關(guān)鍵層也很快隨之?dāng)嗔?，則對(duì)裂隙發(fā)育起抑制作用的軟巖(64.06 m厚的砂質(zhì)泥巖)將阻止裂隙發(fā)育到上位巖層，因此裂隙帶的高度為離3煤頂板66.55～175.31 m。

15 m煤厚區(qū)(煤層開采厚度為15 m)：根據(jù)冒落空間公式計(jì)算到3煤層上方第19層(泥巖)冒落空間為

S19=h+m1+m2+…+m19-KAm1-KAm2-…-KAm18=10.495 m

m13冒落后充填厚度為

KAm18=KA×m18=1.3×6.25=11.275 m

因KAm19>S19，故m19巖層不冒落。

煤層上方16層巖層厚度之和為47.90 m，即冒落帶高度可達(dá)到離3煤頂板為47.90 m處；根據(jù)柱狀圖可知第20層中粒砂巖為其基本頂，且主關(guān)鍵層第22層20.26 m厚的粉砂巖對(duì)裂隙的發(fā)育也有一定的抑制作用，在一定程度上降低了裂隙的發(fā)育，因此裂隙帶的高度為離3煤頂板47.90～111.25 m。

12 m煤厚區(qū)(煤層開采厚度為12 m):根據(jù)冒落空間公式計(jì)算到3煤層上方第17層(炭質(zhì)泥巖)冒落空間為

S17=h+m1+m2+…+m17-KAm1-KAm2-…-KAm16=1.00 m

m17冒落后充填厚度為

KAm17=KA×m17=1.25×1.2=1.50 m

因KAm17>S17，故m17巖層不冒落。

煤層上方14層巖層厚度之和為40.45 m，冒落帶高度為可達(dá)到離3煤頂板40.45 m處，則第18層中粒砂巖為基本頂。根據(jù)柱狀圖及關(guān)鍵層計(jì)算知第20層中粒砂巖為亞關(guān)鍵層，第22層粉砂巖為主關(guān)鍵層，關(guān)鍵層在一定程度上抑制裂隙的發(fā)育，阻止裂隙發(fā)育到上位巖層，因此裂隙帶的高度為離3煤頂板40.45～89.71 m。

3 結(jié)語

根據(jù)理論計(jì)算可知，煤層開采厚度為18 m時(shí)，冒落帶高度為66.55 m，裂隙帶發(fā)育高度最大為175.31 m；煤層開采厚度為15m時(shí)，冒落帶高度為47.90 m，裂隙帶高度最大為111.25 m；煤層開采厚度為12 m時(shí)，冒落帶高度為40.45 m，裂隙帶高度最大為89.71 m。