特厚煤層綜放開采底板破壞及阻隔水性能分析

楊本水，黃天緣，宣以瓊，劉結(jié)高，程愛民，翟恩發(fā)

(1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022；

2.國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234001；

3.唐家會煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

地處于鄂爾多斯盆地的唐家會煤礦，設(shè)計生產(chǎn)能力為4.0 Mt/a，主采煤層均厚為17.20 m，距離下層伏厚為180 m的奧灰含水層是為33.5 m～69.6 m，奧灰是通過垂直方向的裂隙對煤系地層進行滲透補給，對礦井的安全開采造成了嚴(yán)重威脅。若采用高效高產(chǎn)的綜采放頂煤開采技術(shù)，采動底板破壞深度時空如何演化？破壞深度下伏巖層阻隔水性能有何特征？能否帶壓開采？開采的安全機理何在？已經(jīng)成為唐家會煤礦乃至準(zhǔn)格爾礦區(qū)在開采深埋特厚煤層理論上和技術(shù)上急需解決的突出重要難題之一。為此，安徽建筑大學(xué)與淮南礦業(yè)西部公司合作，首先在首采61101綜放面風(fēng)機巷施工了7個井下采前水文檢查與巖層組合結(jié)構(gòu)探測孔，進行了抽水試驗、采用X光衍射、電鏡掃描等手段，對底板巖層微觀成份與阻隔水性能進行研究，獲取了脆弱性指標(biāo)，評價了采動底板突水危險性。到2017年底，已在近距離奧灰含水層上回采了61101等3個特厚綜放面，取得了奧灰含水層上大采高承壓水上綜放面帶壓開采成功經(jīng)驗，擴大了綜放開采的應(yīng)用范圍。

1 試驗工作面的采礦及水文地質(zhì)特征

1.1 采礦技術(shù)條件

位于唐家會煤礦首采區(qū)試驗的61101綜放工作面，地質(zhì)構(gòu)造簡單至中等，開采煤層為6煤層，含煤地層為石炭二迭系，煤層賦存狀況穩(wěn)定，傾角6度，采用了走向長壁綜放采煤方法。采放高度平均17.20 m，首采工作面標(biāo)高770 m～790 m，奧灰含水層水位標(biāo)高約為890 m，帶壓開采的水壓為1.4～1.8 MPa。

1.2 試驗工作面水文地質(zhì)特征

根據(jù)井田內(nèi)80多個鉆孔揭露資料表明，開采范圍內(nèi)可劃分為以下四大含水層：即奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(O2m)巖溶裂隙含水層；二疊系(P)～石炭系(C)砂巖裂隙含水層；白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)裂隙、孔隙含水層；第四系(Q)松散層潛水含水層。

奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(O2m)巖溶裂隙含水層：位于煤系地層基底的奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(O2m)，厚度不足250 m，巖性為淺灰色石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。首采工作面奧陶系灰?guī)r頂板埋深為503.00 m～625.85 m，發(fā)育標(biāo)高681.79 m～756.59 m見圖1，在礦井內(nèi)有23個鉆孔揭露該地層，揭露灰?guī)r1.00 m～234.12 m。根據(jù)礦井鉆孔資料，巖溶裂隙在奧陶系灰?guī)r頂板埋深600 m以下發(fā)育。抽水試驗資料見表1，巖溶裂隙的發(fā)育為單位涌水量為0.6095～5.0341 L/(s·m)，富水性為中等到強。

圖1 6煤底板砂巖薄片顯微照片

表1 奧陶系巖溶裂隙含水層水文地質(zhì)特征一覽表

二疊系(P)～石炭系(C)砂巖裂隙含水層：根據(jù)主檢2號鉆孔對6煤層頂板含水層的簡易抽水資料顯示，含水層的厚度為66.05 m，單位涌水量為0.0043～0.0052 L/s·m，滲 透 系 數(shù) 為 0.0072～0.0204 m/d，富水性弱。

白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)孔隙、裂隙含水層：首采工作面及周邊白堊系砂巖總體自北向南逐漸變薄，厚度114.49m～10.05 m，最厚點位于首采區(qū)中西部T04號孔，厚度達114.49 m；而位于東露頭附近的3水2號孔最薄處厚度10.50 m。

第四系(Q)松散層潛水含水層：受地形地貌限制及影響的首采工作面及周邊第四系松散層，厚度分布不均勻，一般為2.0 m～90.6 m。最厚處處于首采工作面東北面1水1號孔，厚度達到96.0 m；而位于首采工作面南面T30號孔最薄處厚度只有2.0 m。

實驗研究工作面奧灰富水性中等到強，究其原因：一是由于垂向上缺失峰峰峰組，且頂部無相對隔水層，上馬家溝組灰?guī)r是直接揭露的，上馬家溝組灰?guī)r自頂板至端孔巖溶裂隙均比較發(fā)育；二是出水段距奧灰頂板距離近，最大86.53 m(補Ⅲ水2號孔)，最小僅為0.10 m(1水2)；三是位于黃河地表水滲漏補給的井田是處于有利位置的。位于東部黃河西岸3 km～6 km的泥沙充填帶以西的井田，徑流通道比較暢通，構(gòu)造裂隙、溶蝕裂隙發(fā)育，由于龍口水庫和萬家寨水庫建成，使水位抬升8 m左右，表明區(qū)內(nèi)巖溶地下水易于接受黃河地表水的滲漏補給，富水性較強。

2 試驗工作面底板巖層阻隔水性能測試及成果分析

由于唐家會煤礦位于生態(tài)脆弱的準(zhǔn)格爾煤田，地面施工環(huán)境較差。為此，在首采61101工作面上下風(fēng)巷、機巷施工了7個采前水文檢查孔，孔距300～350m，進行了部分簡易抽水試驗，全面采取了煤層底板至奧灰含水層上部的巖樣，采用X光衍射、電鏡掃描等手段，研究了底板巖層阻隔水性能，進行了巖石力學(xué)性能、水理性質(zhì)、微觀成分分析測試，獲得如下成果：

2.1 底板巖層組合特征及煤巖柱質(zhì)量評價

(1)根據(jù)7個采前鉆孔揭露資料統(tǒng)計可知，61101綜放工作面煤層底板至奧灰含水層距離為43.5 m～69.6 m見表2，在統(tǒng)計以泥巖類巖石為主的7個鉆孔中，泥巖類最小大于64%，但煤層直接底板巖層20 m范圍內(nèi)砂巖占比較高，30 m以下巖層厚度較大且多以泥巖及砂質(zhì)泥巖為主，在采動影響下阻隔水性能較好且采動裂隙容易彌合。

(2)煤層底板3 m的范圍內(nèi)在室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)表明；砂巖巖性巖石的吸水率1.75%～6.85%，含水率 0.32%～6.34%，視密度 2640～2900 kg/m3，真密度為 2180～2880 kg/m3，孔隙率 0.18%～19.15%，自然 狀 態(tài) 下 抗 壓 強 度 13.64～97.56 MPa，平 均39.06 MPa，普氏系數(shù) 1.4～9.8，內(nèi)磨擦角 39.5 °～48.2 °，凝聚力 0.56～7.17 MPa，彈性模量 1898.49～17585.98 MPa，泊松比 0.01～0.47，抗拉強度 0.08～2.69 MPa，屬于軟弱～中硬巖層，微觀成份測試結(jié)果表明：石英成份含量較高，見圖2，巖石試驗測試成果還表明：61101工作面直接頂?shù)装鍘r石的干抗壓強度較高，飽和抗壓強度偏低，抗剪與抗拉強度也偏低，平均干抗壓強度為38.51 Mpa，平均飽和抗壓強度為22.00 Mpa，平均抗拉強度為2.07 Mpa。吸水狀態(tài)下的砂質(zhì)泥巖類抗壓強度很低，多數(shù)巖石遇水后會變形軟化，巖石的軟化系數(shù)平均為0.47，極易破裂，呈現(xiàn)脆性巖石的破壞特征，不易彌合見圖3；30 m以下巖層，粘性土含量較高，塑性較強，見圖4，具有抑制采動裂隙的發(fā)展，與奧灰接觸的奧灰頂部鋁土泥巖，厚度均在5 m以上，分布穩(wěn)定，巖樣的礦物組份及微觀組構(gòu)分析可知，鋁土泥巖粘土礦物含量很大，均在70%以上。煤系地層巖石中并沒有見到易溶水的礦物，且微裂隙及微孔洞不發(fā)育的。測試成果表明：巖石的浸水試驗表明，被古風(fēng)化影響后的同種巖石，巖石的隔水能力以及再生隔水性能都比未風(fēng)化的巖石強；鋁土泥巖具有較好的隔水性。

圖2 脆性砂巖應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3 塑性鋁土泥巖應(yīng)力應(yīng)變曲線

綜上所述，與奧灰含水層相鄰的鋁土礦泥巖具有更好的阻水性能和更好的抗裂性和抗?jié)B性。中國具有相似條件的礦山實測數(shù)據(jù)也表明，當(dāng)采礦裂縫進入古風(fēng)化帶時，采動破壞深度遠小于正常條件下的破壞深度。

2.2 綜放開采礦壓顯現(xiàn)特點與底板破壞深度探測

由于煤層開采而誘發(fā)的底板破壞是很普遍的工程災(zāi)害問題，其中與采動礦壓的具有復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性，煤層底板的隔水層厚度的減少是由于底板采動破壞，使底板阻水能力降低，將突水的風(fēng)險增大，針對特厚煤層采動底板破壞深度大，開采煤層距奧灰近，奧灰強富水、隱伏構(gòu)造發(fā)育等問題，在唐家會煤礦的首采工作面布設(shè)了礦壓觀測線；且在收作線附近施工了底板采動破壞觀測孔3個，采用的測試方法及手段主要為鉆孔注水法、預(yù)埋分布式光纖感應(yīng)法和孔間電阻率CT法等進行探測，見圖4和圖5，

圖4 BOTDR應(yīng)變測量原理圖

圖5 孔間電法成像工作示意圖

同時對綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其與底板破壞之間的內(nèi)在聯(lián)系進行了全面研究，并通過相似材料模擬試驗及計算機的數(shù)值分析進行了理論探討，形成了一個綜合的礦井底板損傷時空演化研究系統(tǒng)。

2.2.1 規(guī)程計算

礦壓擾動破壞帶使底板有效隔水層厚度變薄，有可能造成底板突水或者誘發(fā)構(gòu)造突水。斷層帶附近的礦壓破壞帶深度是正常巖層中的0.5～1.0倍。

工作面的礦壓作用決定了底板破壞程度，影響因素有開采深度、煤層傾角、開采工藝、工作面斜長和煤層厚度等。對底板采動導(dǎo)水破壞帶深度的計算公式是采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的。

通過計算6煤底板采動導(dǎo)水破壞帶。計算公式如下：

h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

式中：

H——開采深度。

α——煤層傾角。煤層傾角一般地段約為5°；

L——工作面斜長。工作面斜長首采面為240 m。

根據(jù)上述經(jīng)驗公式計算，計算得出611101綜放面6煤底板礦壓擾動破壞深度為25.49～26.42 m。

2.2.2 現(xiàn)場測試

綜合礦壓與底板破壞深度測試成果，唐家會煤礦綜放開采工作面礦壓及頂?shù)装迤茐难莼攸c為：變形量大、下沉速度快、影響范圍廣、底板破壞深度深、回縮壓密快、突水潰砂能力強等采動裂隙生成、貫通與突水潰砂通道形成、閉合與控制作用特征，采動底板破壞深度為26.3～26.8 m，與規(guī)程計算相比是比較符合的。底板時空演化特點如下：

(1)根據(jù)工作面煤層底板鉆孔深度的不同，采礦礦壓力在底板淺部有較大的變形和破壞，深部破壞和變形有著相對較小的特點。礦井壓力劇烈，具有超前和滯后的特征，采礦過程中，應(yīng)變誘導(dǎo)嚴(yán)重，存在大范圍的劇烈波動。也就是說，當(dāng)工作表面靠近測量點時，測量點開始顯示出嚴(yán)重的應(yīng)變感應(yīng)。工作面被推過一定距離后，嚴(yán)重的應(yīng)變傳感現(xiàn)象消失。

(2)5#鉆場光纖測試7.20 m深度范圍內(nèi)顯現(xiàn)的破壞區(qū)域特征，電法測試10.5 m深度范圍顯現(xiàn)的破壞區(qū)域特征，判斷5#鉆場位置破壞區(qū)取大值為10.5 m；2#鉆場光纖測試6.6 m深度范圍顯現(xiàn)的破壞區(qū)域特征，電法測試結(jié)果顯現(xiàn)7.2 m深度范圍顯現(xiàn)的破壞區(qū)域特征，判斷2#鉆場位置破壞區(qū)取大值7.2 m。底板巖體發(fā)生彈性形變是隨著深度的增加形成采動擾動區(qū)，該區(qū)域依然保持巖體結(jié)構(gòu)完整性和抗?jié)B性但巖體發(fā)生小變形，其5#鉆場光纖測試擾動影響深度不超過21.5 m，電法測試擾動影響深度不超過23.1 m，判斷擾動影響深度取大值23.1 m；2#鉆場位置光纖測試擾動區(qū)域最大深度為26.3 m，電法測試最大擾動深度為26.8 m，判斷開采擾動影響最大深度為26.8 m。

3 綜放工作面帶壓開采奧灰水突水危險性評價

(1)突水系數(shù)：煤層底板突水是一個復(fù)雜的問題。突水系數(shù)法主要考慮兩個因素：煤層底板隔水層厚度和水壓。通過計算突水系數(shù)值來評估煤層底板突水的風(fēng)險性大小。

突水系數(shù)計算公式為(根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》)：

式中：

T——突水系數(shù)(MPa/m)；

P——隔水層承受的水壓(MPa)；

M——底板隔水層厚度(m)。

依據(jù)采前檢查孔計算結(jié)果見表2

表2 61101工作面探查孔突水系數(shù)計算一覽表

(2)奧灰水突水危險性評價：根據(jù)風(fēng)機巷7個鉆孔隔水層厚度，結(jié)合煤層底板隔水層承受的水壓值，按突水系數(shù)公式計算，煤層底板奧灰水突水系數(shù)為0.025～0.033 MPa/m。由東南向西北逐漸增大，西北部邊界鉆孔突水系數(shù)最大，為0.033 MPa/m，相對安全區(qū)被評價為正常塊段。由于61101綜放面6號煤層均是帶壓的，奧灰含水層鉆孔單位涌水量0.6095～5.0341 L/m·s，含水層富水性中等～極強。受斷層帶的影響，隔水層厚度變薄，突水系數(shù)相應(yīng)增大，因此，綜合考慮奧灰含水層富水性、地質(zhì)構(gòu)造、突水系數(shù)、突水通道形成的難易程度、底板巖層阻隔水性等因素，采用GIS擬合將唐家會6煤底板突水可能出現(xiàn)的地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)即褶皺軸部、斷層、陷落柱等塊段評價為危險區(qū)，見圖6，首采的61101工作面位于突水危險性較小的區(qū)域。

圖6 6煤底板奧灰水突水危險性分區(qū)圖

4 結(jié)論

通過對61101綜放面底板巖層取樣所進行的物理、力學(xué)和水理性質(zhì)試驗分析，結(jié)論如下：

(1)實驗結(jié)果表明，采動底板破壞深度以下至奧灰含水層之間巖層的含粘量較高，垂直滲透能力較差，為綜放工作面帶壓安全開采創(chuàng)造了良好條件。

(2)奧灰含水層距61101綜放面距離為33.5～69.6 m，砂巖類的平均抗壓強度為39.1 Mpa，泥巖類的平均抗壓強度為16.8 Mpa，屬軟弱及中硬覆巖類型。

(3)分布在奧灰含水層上覆鋁土泥巖是穩(wěn)定的，粘土礦物含量較大(均大于60%)，這些粘土礦物具有強吸水性，吸水后體積膨脹，再生隔水能力較強的特征，具抑制和阻水底板破壞深度繼續(xù)向下發(fā)展的雙重作用，并且為特厚綜放面帶壓安全開采提供了內(nèi)在保證。

(4)首采面6煤層底板奧灰水突水系數(shù)為0.025～0.033 MPa/m，正常塊段底板突水危險性小，但是構(gòu)造塊段突水危險性大。

(5)將鉆孔注水法、孔間電法成像及光纖探測等新的方法和手段用于測試底板破壞的發(fā)育特征；將顯微技術(shù)用于底板巖層阻隔水性能評價取得了綜放開采采動底板巖體裂隙滲流時空演化觀測研究，形成了特厚煤層采動底板破壞演化規(guī)律的綜合研究技術(shù)體系，對生態(tài)脆弱區(qū)域水害威脅煤層采動底板破壞深度的探測具有推廣應(yīng)用價值。