告成礦滑動構造下導水裂隙帶高度分析

宋常勝,郝宇,孫恒山

(河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000)

0 引 言

當前，我國經濟發(fā)展進入新常態(tài)，全面實現(xiàn)科學采礦的目標迫在眉睫，但由于煤礦開采地質條件十分復雜，開采難度不斷增大，面臨的各種采動災害使我國煤礦安全生產問題依然十分嚴峻，其中，開采技術不完全適應復雜的開采地質條件是我國煤礦安全生產形勢嚴峻的一個重要原因[1]?；瑒訕嬙焓巧媳P巖層在重力作用下沿著傾斜面由高向低滑動而形成的[2]。由以往研究可知，在該地質構造下往往賦存大量的煤炭資源[3-4]。如河南省西部煤田大量的煤炭賦存[5]是由于新生代時期的斷塊掀斜將煤炭抬升，同時又將斷塊內的次級斷層向深部推移形成滑動構造，使滑動構造成為豫西煤炭賦存的標志。蘆店滑動構造區(qū)是豫西滑動構造的典型案例，在復雜的地殼運動下，早期的上覆系統(tǒng)由北向南滑動，晚期由南向北滑動，造成了滑體上盤覆巖傾向與煤層反傾即覆巖反傾的特殊地質構造[6]。

隨著煤炭的大量采出，采空區(qū)附近上覆巖層應力重新分布，上覆巖層發(fā)生移動與破壞，發(fā)育形成的冒落帶和裂隙帶都會成為含水層的水源涌入井下的通道，影響礦井的安全生產。水體下保水采煤技術是煤炭綠色安全開采的重要內容，掌握地層中含水層的水源類型、覆巖特征和采動后導水裂隙帶發(fā)育高度至關重要。當前，水體下采煤理論和工程實踐已經取得了大量研究成果，錢鳴高院士等[7]提出了關鍵層理論，詳盡闡釋了關鍵層對于上位巖層的控制作用；王曉振等[8]、許家林等[9]基于關鍵層理論，對采動覆巖導水裂隙的動態(tài)發(fā)育規(guī)律進行了系統(tǒng)研究，得到上覆巖層中不同區(qū)域關鍵層破斷結構形態(tài)及其穩(wěn)定性對導水裂隙發(fā)育的影響。通過理論研究、數值模擬和相似材料模擬，輔助以鉆探和物探等多種方法加以驗證，可以較為準確地確定導水裂縫帶發(fā)育高度。文獻[10-11]為確定導水裂隙帶的上限及其是否導通地表水體，采用地面鉆孔中進行超聲成像觀測和井下鉆孔中進行并行網絡電法CT觀測；文獻[12-14]獲取導水裂隙帶高度利用了鉆孔進行中沖洗液漏失量變化及鉆孔鉆進工程中掉鉆、卡鉆的位置等信息。近年來，也涌現(xiàn)了許多諸如PCA-BP神經網絡模型[15]，GA-SVR預測模型[16]，QGA-RFR模型[17]等預測方法。《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》[18](以下簡稱《規(guī)范》)也推薦了一組計算導水裂隙帶高度的經驗公式，在我國的華北、西北等地區(qū)且煤層賦存狀態(tài)較為簡單的地質條件下得到了較好的應用，但在特定開采條件下，如巨厚煤層下的放頂煤開采[9]，非充分采動堅硬頂板條件下開采[19-20]及深埋特厚煤層下的綜放開采[21]等，預計的導高與實際有時偏差較大。近年來，學者研究了滑動構造條件下的煤炭開采理論。例如，王興開等[22]研究了滑動構造區(qū)極松軟煤層巷道圍巖大變形控制機制；許國勝等[23]發(fā)現(xiàn)了滑動構造下開采地表移動變形的特殊現(xiàn)象；王志榮[4]深入研究了原煤和構造巖頂板遇水后的泥化特征以及主滑面斷層泥的隔水作用；王恩營等[24]分析了豫西白坪礦滑動構造帶的應力分布與動力現(xiàn)象，等等。本文將滑動構造這一特殊地質構造作為研究對象，將上覆巖層信息數字化，建立了GMS(grounder modeling systems)三維地質模型，研究滑動構造的分布狀況等重要信息，并基于此分析滑動構造下的導水裂隙帶發(fā)育高度。

本文采用GMS三維地質建模軟件，研究了告成煤礦滑動構造分布特征，結合“巖層拉伸率”分析、離散元數值模擬軟件3DEC(3-dimension distinct element code)，與《規(guī)范》中的經驗公式進行對比分析，深入研究滑動構造條件下導水裂隙帶發(fā)育高度，以期為開采設計提供科學依據，提高井下安全生產水平。

1 告成礦滑動構造地質特征

告成礦屬鄭州煤電股份有限公司，其井田屬于登封煤田，華北沉積類型。礦區(qū)內二1和一1煤層為可采煤層，且近乎全礦均位于蘆店滑動構造區(qū)內(圖1)，具體表現(xiàn)為二1煤層附近地層發(fā)生構造破碎，特別是煤層上部地層普遍存在較厚的構造破碎帶，呈現(xiàn)破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育等特點。告成礦25采區(qū)除了具有滑動構造的典型特征外，在地殼運動的作用下，滑體上盤覆巖傾向與下伏二1煤層相對而傾，形成了覆巖反傾的特殊地質構造[6]，如圖2所示。

1.1 25采區(qū)GMS三維地質模型

為了獲知滑動構造帶及反傾覆巖的構造影響范圍，使用GMS軟件中的三維地質建模模塊，經鉆孔數據資料數字化，并引入虛擬鉆孔及空間插值算法，得到告成礦25采區(qū)的三維地質模型圖[25](圖3)。圖3中可清晰看出各巖層由下至上的分布情況，其中，標注的工作面位置為其真實位置在地表上的投影。

圖1 蘆店滑動構造分布

Fig.1 Distribution of Ludian sliding structure

圖2 A-A′剖面圖

圖3 25采區(qū)三維地質模型

1.2 25采區(qū)反傾覆巖的產狀研究

對比圖4和圖5，利用已經得到的GMS三維地質模型進行分析，可直觀測算告成礦地質構造中的反傾夾角。據詳細測算，25采區(qū)內二1煤層與上覆巖層南北方向反傾夾角為3°～32°，東西方向反傾夾角為2°～29°。25采區(qū)內全部為滑動構造壓煤，在整個采區(qū)內，滑動構造破碎帶以較厚且軟弱的斷層角礫巖及斷層泥的形式賦存，最大厚度可至64.6 m。

圖4 沿正西方向的煤層與巖層夾角測算圖

圖5 沿正北方向的煤層與巖層夾角測算圖

2 告成礦滑動構造下導水裂隙帶高度分析

由資料可知，滑動構造主滑面主要位于二1煤層之上，上覆巖層因重力沿滑面由高向低滑動，造成了頂板的泥巖、砂質泥巖等破損嚴重。告成礦現(xiàn)場地質報告和揭露頂板等資料顯示，大部分頂板巖層節(jié)理較發(fā)育，巖體強度低且呈易碎裂特征。在復雜的地殼運動下，滑動構造區(qū)滑體附近伴有地層缺失現(xiàn)象，大約有75%的煤層頂板受其影響。資料顯示，在告成礦滑動構造影響下，主要賦存2種類型頂板，即由砂質泥巖為主構成的原生頂板和由重力滑動形成的極為破碎的構造頂板。兩者的覆巖強度及節(jié)理發(fā)育程度均有較大差別。從影響因素看，覆巖破壞高度與其力學性質密切相關。在相同的采煤條件下，覆巖強度是決定覆巖破壞的主要因素，也是影響導水裂隙帶發(fā)育高度的主要因素。從預計方法的角度出發(fā)，當煤炭采出后，上覆巖層發(fā)生彎曲下沉，巖體內隨之產生離散性隨機分布的裂隙，發(fā)育程度是表征導水裂隙帶發(fā)育高度的重要參數；規(guī)范中的經驗公式是預計導水裂隙帶高度的常用方法，在我國煤炭開采實踐中廣泛應用。本節(jié)選取告成礦2種不同頂板條件的工作面為研究對象，采用多種方法對其導水裂隙帶發(fā)育高度進行深入研究。

2.1 滑動構造下工作面頂板覆巖強度分析

圖6和圖7分別是位于25001及21031工作面內，距頂板100 m以內的鉆孔柱狀圖。分析可知：25001工作面的原生直接頂被軟弱破碎的斷層角礫巖所替代，其上方被細粒砂巖、砂質泥巖等覆蓋；21031工作面則保留了原生直接頂，上方巖層被軟弱破碎的滑動構造帶所侵蝕。根據研究，在水體下采煤覆巖可按堅固性系數f進行強度分類，覆巖的堅固性系數計算式為

f=R/10，

(1)

式中，R為巖石的單軸抗壓強度，MPa。

圖6 12802鉆孔柱狀圖

巖石的單軸抗壓強度由實驗室力學試驗得到，斷層角礫巖節(jié)理發(fā)育且軟弱破碎，在試驗中無法制成巖樣，屬軟弱型巖層。經計算可得，以砂質泥巖為主的頂板巖層堅固性系數f為4.73，屬于堅硬型巖層。從頂板組合類型看，25001工作面直接頂板為軟弱巖層，基本頂為堅硬巖層，屬軟弱-堅硬型頂板；21031工作面直接頂板為堅硬巖層，基本頂為斷層角礫巖構成的軟弱巖層，屬堅硬-軟弱型頂板。

2.2 巖層拉伸角度下導水裂隙帶發(fā)育高度分析

煤炭開采后為上覆巖層的彎曲下沉提供了空間，當巖層的可下沉空間為0時，巖層沒有足夠的下沉空間，此時下部巖層的垮落將采空區(qū)全部填充，巖層不會發(fā)生變形，也不會產生貫通的導水裂隙。因此，判斷某巖層是否應劃入導水裂隙帶范疇的必要前提是該巖層的最大可下沉量須大于0。研究可知，各個巖層的最大可下沉量與其殘余碎脹系數密切相關，煤層之上的第i層巖層的最大可下沉量Si[26]由式(2)計算，即

圖7 12606鉆孔柱狀圖

Fig.7 12606 borehole columnar section

(2)

式中：M為開采煤層的厚度，m；hz為直接頂的厚度，m；Kz為直接頂的碎脹系數；hi為下位第i層巖層厚度，m；Ki為下位第i層巖層的碎脹系數。

根據研究，巖層的中間層[27]是指距上、下層面距離相等，且在其縱向剖面上既不受拉、又不受壓的過渡層面的中間層面。巖層裂隙發(fā)育導水性能與巖層中間層拉伸變形之間存在著直接的因果關系。巖層的拉伸破壞特征可通過巖層中間層邊緣曲線拉伸段的拉伸量與其原有長度的比值，即巖層拉伸率ε界定[28]，

ε=Δl/l0,

(3)

其中，

Δl=l1-l0,

(4)

式中：Δl為巖層邊緣曲線拉伸段的拉伸量，m；l1為曲線拉伸段中間層的弧長，m；l0為曲線拉伸段變形前的長度，m。

假設以直接頂之上的第n層為分析巖層，則l0與l1可由式(5)～(6)計算[27]：

l0=H(cotδ0+cotψ3)，

(5)

π/(180×2wi)，

(6)

其中wi及H由式(7)～(8)得

wi=Si，

(7)

(8)

式中：H為所分析巖層的中間層層位高度，m;hi(i=1，2，…，n)為煤層之上的第i層層厚，m；wi為煤層之上第i層巖層的中間層最大可下沉量；h0為所分析巖層的層厚，m；δ0為煤層采動邊界角，(°)；ψ3為充分采動角，(°)。

文獻[22]通過對大量工作面數據進行測算,給出了層向臨界拉伸率的判據值，即軟弱巖層大于0.4%，中硬巖層為0.1%～0.24%，堅硬巖層為0.04%。導水裂隙帶發(fā)育高度主要有2個判據,即巖層最大可下沉量和巖層拉伸率得出。將式(2)和式(3)分別進行計算，當結果均滿足判據時，可計算出導水裂隙帶發(fā)育高度。

2.3 基于巖層拉伸率的導水裂隙帶發(fā)育高度計算

基于上述分析，選取區(qū)域內25001和21031工作面為對象進行研究。根據以往研究可知，在一定高度范圍內，巖層平均碎脹系數k0與距開采煤層距離hm間的關系[29]可參考式(9)，

k0=kz-0.017lnhm，(hm<100)，

(9)

式中：k0為所分析巖層的平均碎脹系數；kz為直接頂的殘余碎脹系數；hm為所分析巖層距離開采煤層的距離，m。

研究可知，覆巖的平均堅固性系數f可以表征覆巖類型。其中當f>6，巖層為堅硬巖層；當f為3～6，巖層為中硬巖層；f<3，巖層為軟弱地層?！兑?guī)范》中覆巖平均堅固性系數f可由式(10)得到，

(10)

式中：f為覆巖平均堅固性系數；di為覆巖第i層巖層的法向厚度，m；Ri為第i層的單向抗壓強度，MPa.

經式(10)計算，可得25001工作面上覆巖層平均堅固性系數f=5.97，21031工作面上覆巖層平均堅固性系數f=4.97。其計算得到的f均位于3～6，表明其覆巖類型均屬于中硬巖層。由于缺少本礦區(qū)參數的經驗值，參考《煤礦開采損害與保護》[30]中峰峰礦區(qū)的典型曲線預計參數，在中硬覆巖條件下，兩工作面的cotψ3取0.577，25001工作面cotδ0可取0.7，21031工作面cotδ0可取0.577。直接頂的平均碎脹系數參考《礦山壓力與巖層控制》[31]并結合現(xiàn)場得出，其中，25001工作面直接頂平均碎脹系數取1.08，21031工作面直接頂平均碎脹系數取1.15。

依據上述公式計算，可分別得到25001工作面及21031工作面的不同頂板類型下的巖層拉伸率，如表1和表2所示。

表1 12802鉆孔柱狀圖的巖層拉伸率計算結果

表2 12606鉆孔柱狀圖的巖層拉伸率計算結果

由表1和表2可知，隨著中間層層位高度變大，其各巖層的層向拉伸率越來越小。由上述分析可知，兩工作面上覆巖層均屬于中硬巖層，因此，參考層向臨界拉伸率的判據值，以大于0.2%作為導水裂隙帶巖層層向拉伸率的判據。

結果顯示，如表1所示，4號砂質泥巖厚度較大，其最大可下沉空間相較巖層厚度較小，計算結果層向拉伸率小于0.2%。而3號細粒砂巖中間層可下沉量大于0，為3.01 m，有足夠的下沉空間，其層向拉伸率為1.08%，大于0.2%。因此，3號細粒砂巖應劃入導水裂隙帶的范疇，4號砂質泥巖則不在其列，導水裂隙帶最終發(fā)育高度應為1～3號巖層層厚之和，即距頂板23.7 m；同理，如表2所示，10號砂質泥巖應劃入導水裂隙帶范疇，11號中粒砂巖則應劃入彎曲下沉帶，導水裂隙帶最終發(fā)育高度應為1～10號巖層的層厚之和，即距頂板48.98 m。

2.4 基于經驗公式的導水裂隙帶發(fā)育高度計算

《規(guī)范》[18]中為水體下開采成功的礦區(qū)提供了兩個計算導水裂隙帶高度的參考公式。從安全角度出發(fā)，實際生產中往往將計算結果中的最高值作為導水裂隙帶高度選取的參考?？紤]到兩工作面上覆巖層主要由泥巖與砂巖構成，經巖層平均堅固性系數計算后，可知地層屬于中硬巖層，引用式(11)和式(12)對工作面采后的導水裂隙帶進行預計，

(11)

(12)

式中：H導為導水裂隙帶高度，m；∑M為累積采厚，m。

經式(11)～(12)計算，可得25001工作面導水裂隙帶預計高度，分別為35.1～46.3 m和50.98 m，選取最高值，25001工作面導水裂隙帶預計高度為50.98 m；21031工作面導水裂隙帶預計高度分別為43.2～54.4 m和66.78 m，選取最高值，21031工作面導水裂隙帶預計高度為66.78 m。

3 導水裂隙帶發(fā)育高度的數值模擬分析

3DEC是由美國ITASCA公司開發(fā)，基于離散模型的顯示單元法三維計算分析程序，可模擬各種煤巖體介質在動態(tài)及靜態(tài)載重下的受力及位移。研究中使用3DEC進行數值模擬計算，根據告成礦地質條件建立了2個數值模型，分別代表25001和21031工作面及上覆煤系地層的地質情況。模型大小均為長(X方向)×寬(Y方向)×高(Z方向)=300 m×2 m×100 m，模型兩側各預留50 m過渡區(qū)；正X方向代表回采作業(yè)空間推進方向，對模型添加約束條件后，在模型頂面施加垂向應力，以模擬模型上覆巖體重力。本次模擬的相關參數如表3～4所示。

圖8和圖9分別為模擬開采25001及21031工作面達到充分采動時的裂隙分布情況，并用線將裂隙的范圍圈出。其中，所圈區(qū)域既有沿層面產生的離層裂隙，也有貫穿巖層的豎向裂隙，圈外雖然存有少量裂隙，但是多為沿層面的離層裂隙，并不能與下方導水裂隙帶的裂隙連通，故不屬于導水裂隙帶范疇。

表3 覆巖物理力學參數

表4 覆巖接觸面力學參數

圖8 25001工作面裂隙分布

圖9 21031工作面裂隙分布

軟件模擬開采中，在各層巖層的中間層布置測線，得到如圖10～11所示的不同工作面開采后上覆巖層在豎直方向的位移量圖。

研究可知，可根據巖層位移的不協(xié)調性,分析導水裂隙帶高度[32]。以圖10為例，從整個過程看，距頂板約30 m的上部巖層移動過程具有連續(xù)性和整體性，符合彎曲下沉帶的巖層移動特征；而距頂板30 m下部巖層的下沉量具有不協(xié)調性，符合裂隙帶的巖層移動特征。因此，可以判斷12802鉆孔工作面上方30 m為裂隙帶和彎曲下沉帶的分界。同理，如圖11所示，可以判斷12606鉆孔工作面上方50 m為裂隙帶和彎曲下沉帶的分界。

圖10 25001工作面上覆巖層在豎直方向上的位移

圖11 21031工作面上覆巖層在豎直方向上的位移

4 導水裂縫帶發(fā)育高度的比較分析

將巖層拉伸率公式計算結果、經驗公式計算結果與數值模擬分析結果分別列于表5。

由表5簡單對比可知，《規(guī)范》中經驗公式計算導水裂隙帶最大高度值較其他2種方法的大。這是因為經驗公式是采厚及上覆巖層整體巖性的函數，代表了常規(guī)地質開采條件下導水裂隙帶發(fā)育高度，整體巖性強度的均化處理從計算結果中弱化了滑動構造帶的軟弱屬性，并沒有考慮頂板覆巖力學性質對覆巖破壞高度的影響。巖層拉伸率公式及3DEC數值模擬分別將每個巖層或每個離散塊體作為對象進行計算分析，考慮了頂板巖層在內的所有巖層，在一定程度上，能夠反映各個具體工作面的導水裂隙帶發(fā)育情況。

研究可知，上覆巖層中較厚的軟弱巖層，在采動影響下易產生變形但不易斷裂，導致巖體破壞高度較小。告成煤礦區(qū)域內滑動構造主滑動面一般距離煤層頂板較近，主要由斷層角礫巖及斷層泥帶組成，韌性較強，遇水則迅速泥化，軟弱破碎節(jié)理裂隙發(fā)育。從巖體的破壞高度看，上覆巖層有較厚的軟弱層時巖體的破壞高度比堅硬時小，對水體下采煤反而有利?！兑?guī)范》中的經驗公式是在大量實踐基礎上統(tǒng)計得到，滿足了我國大多數礦井條件水體下采煤設計的要求，在一定程度上其預計值可以視為常規(guī)地質條件下的導水裂隙帶發(fā)育高度。上述2個工作面的案例中，軟弱的滑動構造帶在導水裂隙向上發(fā)育過程中起到了適當的隔水作用，導致“巖層拉伸率”與數值模擬得到的導高值均在較大程度上小于《規(guī)范》中經驗公式預計結果，反映了滑動構造影響下的導水裂隙帶高度小于一般煤系地層下的。

表5 多方法下導水裂隙帶發(fā)育高度的預計結果對比

從影響因素看，上覆巖層的層位狀況及頂板的覆巖組成同樣對導水裂隙帶高度有較大影響。25001工作面屬于軟弱-堅硬型頂板類型，其直接頂在滑動構造的影響下被侵蝕，在煤體開挖后，直接頂隨采隨冒，由于其平均碎脹系數較小，冒落后為上覆巖層留下較大的下沉空間。裂隙繼續(xù)向上發(fā)育至4號砂質泥巖時，其中間層可下沉量僅剩2.46 m。由于25001工作面上方的4號砂質泥巖近32 m厚，使4號砂質泥巖主要以變形為主，不易發(fā)生斷裂形成由下至上貫通的導水裂隙，繼而符合彎曲下沉帶的巖層移動特征，說明了巨厚巖層裂隙的貫通與否也極大地影響著覆巖破壞高度，反映了上覆巖層層位狀況對覆巖破壞高度的影響。這種影響在巖層拉伸率公式及數值模擬中表現(xiàn)得尤為突出：表1中砂質泥巖構成的4號巖層拉伸率僅為0.15%，小于拉伸率判據，且在25001工作面裂隙分布圖中顯示4號巖層沒有豎直向上的貫通裂隙；21031工作面頂板屬于堅硬-軟弱型，煤體開挖后，直接頂隨之垮落，其平均碎脹系數較大，且具有一定的承載能力，一定程度上減小了上覆巖層的可下沉空間。由于垮落過程得不到充分發(fā)展，斷裂帶高度較小。從層位狀況角度看，工作面上方有厚至15.35 m的滑動構造帶，在采動影響下，其裂隙形成后又被重新壓實閉合，在導水裂隙帶向上發(fā)育過程中起到“隔水”作用，也導致其導水裂隙帶高度相對較小。

從預計結果看，在滑動構造下的導高值預計結果中，巖層拉伸率公式與數值模擬的結果相互印證，有較高的準確度。與《規(guī)范》中的經驗公式預計結果相比，其預測值較小，特別是25001工作面導水裂隙帶高度經驗計算值是其他方法結果的近2倍，這反映在滑動構造條件下，傳統(tǒng)經驗計算公式已不適合分析計算其“兩帶”高度，而巖層拉伸率公式及數值模擬能為工程提供較為可靠的數據參考。考慮到數值模擬計算的參數可會造成計算值與真實值存在一定的誤差，因此，在工程應用中應結合礦井的實測資料，拉伸率計算及數值模擬的方法對“兩帶”高度進行探測，確保工程安全可靠。

5 結 論

(1)利用GMS軟件得到25采區(qū)三維地質模型上覆反傾巖層的沉積情況：25采區(qū)內二1煤層與上覆巖層南北方向反傾夾角為3°～32°，東西方向反傾夾角為2°～29°，且25采區(qū)全部為滑動構造壓煤，滑動構造具有較厚且軟弱的特點，其厚度最大可達64.6 m。

(2)通過巖層拉伸率計算，得到25001和21031工作面導水裂隙帶高度，可達到距頂板23.7 m和48.98 m，數值模擬試驗結果與其基本吻合，結果相互驗證，反映了從巖層拉伸率及數值模擬角度進行滑動構造條件下導水裂隙帶高度預計的可行性。

(3)滑動構造條件下，較厚的軟弱層主要以變形為主，不易發(fā)生斷裂，不能形成由下至上的貫通型導水裂隙，該情況下導水裂隙帶高度小于一般煤系地層下的。《規(guī)范》中經驗公式應用時應需要考慮覆巖的層位狀況、覆巖的力學性質和頂板覆巖的組成。滑動構造主滑面韌性較強，遇水迅速泥化，本身是較好的隔水層，且距離煤層較近。在采掘過程中，需要遵循以防為主，有疑必探，先探后掘的放水原則。