采后10 a垮裂巖體自修復(fù)特征的鉆孔探測(cè)研究
——以神東礦區(qū)萬(wàn)利一礦為例

李全生，鞠金峰，曹志國(guó)，許家林，趙富強(qiáng)，王曉振

(1.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100011; 2.國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008; 4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008;5.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116;6.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

神東礦區(qū)位于西部干旱半干旱的毛烏素沙漠地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，但煤炭資源十分豐富。近年來(lái)，隨著礦區(qū)煤炭開發(fā)強(qiáng)度的不斷加大，生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高效采煤之間的矛盾日益凸顯;如何實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與資源開發(fā)的協(xié)調(diào)進(jìn)行是礦區(qū)目前亟待解決的重大技術(shù)難題[1-2]。

礦區(qū)環(huán)境損傷與生態(tài)破壞源自采動(dòng)覆巖的移動(dòng)變形與垮落破裂、及其引起的地下水流失[1-4]，采動(dòng)垮裂巖體的導(dǎo)水狀態(tài)(或其引起的失水程度)直接影響著區(qū)域生態(tài)環(huán)境受擾動(dòng)程度，也決定了后期生態(tài)治理與修復(fù)的實(shí)施難度及其對(duì)策選擇。目前已有不少研究發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)垮裂巖體在采后長(zhǎng)時(shí)間的殘余沉降、壓實(shí)[5-6]以及水-氣-巖相互作用[7-9]等過(guò)程影響下，會(huì)發(fā)生導(dǎo)水能力逐步降低的“自修復(fù)”現(xiàn)象，部分裂隙會(huì)出現(xiàn)閉合、甚至消失，一些破碎巖塊還會(huì)發(fā)生自膠結(jié)成巖現(xiàn)象，由此促使覆巖導(dǎo)水裂隙范圍不斷減小、失水程度逐步降低、地下水位緩慢回升。可見，這種自修復(fù)現(xiàn)象對(duì)于促進(jìn)礦區(qū)采動(dòng)損傷環(huán)境的恢復(fù)意義重大(尤其是類似神東的生態(tài)脆弱礦區(qū))。文獻(xiàn)[9]中提及的亭南煤礦204工作面的工程案例即是對(duì)上述自修復(fù)現(xiàn)象的最好驗(yàn)證。該工作面曾在回采完畢(2012年)和采后5 a時(shí)(2017年)分別進(jìn)行了覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育的鉆孔工程探測(cè)，對(duì)比2者鉆孔沖洗液漏失量變化曲線發(fā)現(xiàn)(詳見第3節(jié))，曾經(jīng)處于裂隙發(fā)育范圍的破壞巖體，其引起的鉆孔沖洗液漏失量顯著降低(埋深210～390 m段);說(shuō)明歷經(jīng)5 a時(shí)間的演變，采動(dòng)覆巖已發(fā)生明顯自修復(fù)。

“自修復(fù)”本是自然界萬(wàn)物變遷的客觀規(guī)律，目前雖主要集中在自然生態(tài)、水土保持等領(lǐng)域研究[10-11]，但可以推斷，它在采煤破壞地層中也應(yīng)普遍存在;研究揭示采后垮裂巖體在長(zhǎng)時(shí)間演變過(guò)程中的自修復(fù)特性和規(guī)律，必然能對(duì)礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與環(huán)境治理實(shí)踐起到積極的指導(dǎo)作用。文獻(xiàn)[7-9,12]采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)手段對(duì)裂隙巖樣的自修復(fù)機(jī)理和過(guò)程開展了研究，然而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)垮裂巖體在采后多年實(shí)際呈現(xiàn)的自修復(fù)狀態(tài)或特征如何，缺乏專門研究。筆者以神東礦區(qū)萬(wàn)利一礦為工程試驗(yàn)點(diǎn)，選取單一煤層開采和近距離煤層重復(fù)開采這2種典型條件，在工作面采后10 a左右時(shí)間，開展了垮裂巖體自修復(fù)特性的鉆孔探測(cè)，以期為區(qū)域生態(tài)修復(fù)研究與實(shí)踐提供依據(jù)。

1 萬(wàn)利一礦試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)開采條件

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

萬(wàn)利一礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市東勝區(qū)，屬典型的干旱半干旱礦區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10.0 Mt/a，主采3-1上煤、3-1煤和4-2煤，采用綜采一次采全高采煤工藝。本次研究試驗(yàn)區(qū)位于該礦東翼已采的一盤區(qū)，如圖1所示。該盤區(qū)工作面自2007年陸續(xù)開采，至2012年回采完畢，距今已近10 a(各工作面回采時(shí)間詳見圖1中的標(biāo)注)。受煤層賦存變異等因素的影響，一盤區(qū)全區(qū)主采煤層為4-2煤，而3-1煤僅為局部區(qū)域可采(僅1個(gè)工作面)。區(qū)內(nèi)3-1煤采高平均5.0 m，4-2煤采高平均4.8 m，兩煤層間距約50 m。

1.2 鉆探試驗(yàn)區(qū)選取

綜合考慮煤層開采地質(zhì)賦存與地表布鉆施工條件，選取42104工作面ZK1717鉆孔附近作為單一煤層開采條件的鉆探試驗(yàn)區(qū)，即T1鉆場(chǎng);選取31101和42112工作面疊加區(qū)W4鉆孔附近作為近距離煤層重復(fù)開采條件的鉆探試驗(yàn)區(qū)，即T2鉆場(chǎng)。相比T1鉆場(chǎng)所處的整個(gè)一盤區(qū)中部的相對(duì)壓實(shí)區(qū)，T2鉆場(chǎng)處于盤區(qū)邊界保護(hù)煤柱附近;考慮到盤區(qū)邊界采動(dòng)覆巖破壞及裂隙發(fā)育程度相對(duì)充分，在T2鉆場(chǎng)專門設(shè)置2個(gè)探測(cè)鉆孔，T2-1，T2-2鉆孔距離31101工作面膠運(yùn)巷分別25和35 m，如圖1所示。T1，T2兩個(gè)鉆探區(qū)域?qū)?yīng)巖層賦存情況如圖2所示。

現(xiàn)場(chǎng)鉆探工作于2020年6月開展，即T1鉆場(chǎng)在4-2煤開采12 a后實(shí)施探測(cè)，T2鉆場(chǎng)在3-1煤開采9 a、4-2煤開采8 a后實(shí)施探測(cè);歷時(shí)多年，根據(jù)已有研究推斷[6-9]，上覆垮裂巖體應(yīng)已發(fā)生明顯自修復(fù)。

1.3 鉆探區(qū)采后導(dǎo)水裂隙初始發(fā)育情況

由于萬(wàn)利一礦試驗(yàn)區(qū)工作面回采當(dāng)年未曾開展覆巖導(dǎo)水裂隙初始發(fā)育情況的探測(cè)，因而采用理論判別方法對(duì)2個(gè)鉆探區(qū)對(duì)應(yīng)42104工作面單煤層開采和31101，42112工作面重復(fù)開采的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了判斷。

選取目前較為可靠的“基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)新方法”進(jìn)行了判別，該方法的可靠性已得到多個(gè)工程實(shí)踐的驗(yàn)證[3,13]。即，通過(guò)計(jì)算煤層上覆7～10倍采高之外是否存在關(guān)鍵層來(lái)判斷導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度;若存在，則“導(dǎo)高”為7～10倍采高范圍外第1層關(guān)鍵層底界面至煤層間的距離;若不存在，則“導(dǎo)高”將大于或等于基巖厚度。對(duì)于T1鉆探區(qū)，根據(jù)圖2所示的ZK1717鉆孔柱狀及其關(guān)鍵層位置，取10倍采高進(jìn)行計(jì)算，該范圍之外僅存在1層關(guān)鍵層(主關(guān)鍵層)，所以工作面開采4-2煤引起的導(dǎo)水裂隙帶將發(fā)育至主關(guān)鍵層底界面，對(duì)應(yīng)“導(dǎo)高”66.9 m;對(duì)于T2鉆探區(qū)，類似地，根據(jù)W4鉆孔柱狀，可判斷首先開采3-1煤時(shí)其導(dǎo)水裂隙即已發(fā)育至基巖頂界面(即松散層中)，而后再開采4-2煤導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度將保持不變，對(duì)應(yīng)“導(dǎo)高”168.1 m。

2 鉆孔探測(cè)結(jié)果與分析

鉆孔施工過(guò)程中，對(duì)沖洗液漏失量和孔內(nèi)水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，終孔后利用鉆孔電視對(duì)孔內(nèi)圍巖進(jìn)行攝像測(cè)量，以直觀反映其破壞狀態(tài)。

2.1 T1鉆場(chǎng)——單一煤層采動(dòng)覆巖探測(cè)

T1鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中的沖洗液漏失量及孔內(nèi)水位變化曲線如圖3所示。在初始鉆進(jìn)的13 m范圍內(nèi)，孔口一直能正常返漿，對(duì)應(yīng)沖洗液漏失量普遍低于0.15 L/(m·s)，而后至孔深15 m左右時(shí)，開始出現(xiàn)孔口不返漿現(xiàn)象，沖洗液漏失量升高至0.55 L/(m·s)，孔內(nèi)水位也開始出現(xiàn)緩慢下降;說(shuō)明這一位置開始發(fā)育有采動(dòng)導(dǎo)水裂隙，這與前述的理論判別結(jié)果基本相符。后續(xù)鉆進(jìn)直至孔深58 m范圍，沖洗液漏失量始終保持在0.3～0.7 L/(m·s)，孔內(nèi)水位變化也不明顯，基本維持在孔口以下6～10 m。直至鉆進(jìn)至孔深59 m位置，沖洗液漏失量開始快速增高，在孔深60.3 m位置達(dá)到3.42 L/(m·s)的峰值，但孔內(nèi)水位并未即刻出現(xiàn)下降;當(dāng)繼續(xù)鉆進(jìn)至孔深63 m后，沖洗液漏失量有所回落，基本穩(wěn)定在1.0～1.5 L/(m·s)直至鉆進(jìn)終孔深度82.2 m，在此期間孔內(nèi)水位則持續(xù)快速下降，終孔時(shí)水位處于孔口以下69.7 m(即距4-2煤底板12.5 m，水位并未降至孔底)。

鉆孔施工完畢后，采用鉆孔電視進(jìn)行了探測(cè)，部分位置的拍攝截圖如圖3所示。由圖3可知，雖然在鉆孔不同深度均觀測(cè)得到了孔壁明顯的裂隙發(fā)育痕跡，但其引起的沖洗液漏失量及孔內(nèi)水位變化并不顯著，尤其是在孔深15～58 m;由此反映出采動(dòng)垮裂巖體較弱的水滲流能力，其裂隙通道應(yīng)已發(fā)生一定程度的封堵或彌合。而從鉆孔施工完畢后孔內(nèi)積水水位的變化情況也能佐證這一點(diǎn)。鉆孔電視觀測(cè)顯示，施工完畢后孔內(nèi)水位降低緩慢，孔內(nèi)積水在3 d后才完全漏干。這顯然與垮裂巖體在采后長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的自修復(fù)過(guò)程有關(guān)，具體將在下文詳細(xì)討論。

綜合鉆孔沖洗液漏失量、孔內(nèi)水位變化曲線以及鉆孔電視觀測(cè)結(jié)果，可判斷該區(qū)域42104工作面單一煤層開采引起的覆巖導(dǎo)水裂隙應(yīng)發(fā)育至孔深15 m左右位置，對(duì)應(yīng)“導(dǎo)高”即為理論判別的67 m;根據(jù)鉆孔電視在孔深65 m左右拍攝得到的孔壁顯著破壞和裂隙發(fā)育情況、以及在該位置出現(xiàn)的水位突降現(xiàn)象，可判斷該位置應(yīng)為垮落帶頂界面，對(duì)應(yīng)垮落帶高度約為17 m，如圖3所示。而在孔深60.3 m位置出現(xiàn)的沖洗液漏失量峰值，則應(yīng)是由于覆巖導(dǎo)水裂隙帶向垮落帶過(guò)渡引起。

2.2 T2鉆場(chǎng)——多煤層重復(fù)采動(dòng)覆巖探測(cè)

T2鉆場(chǎng)2個(gè)鉆孔的探測(cè)結(jié)果如圖4所示，2個(gè)鉆孔的探測(cè)結(jié)果分述如下。

2.2.1T2-1鉆孔

如圖4(a)所示，在初始鉆進(jìn)的45 m左右范圍內(nèi)，沖洗液漏失量普遍偏低，僅在孔深8和21 m位置出現(xiàn)短暫的漏失量峰值(2.53 L/(m·s)左右)，期間孔內(nèi)水位基本處于孔口以下6 m。直至孔深46 m位置，沖洗液漏失量快速增大，并一直持續(xù)至孔深59 m，對(duì)應(yīng)漏失量峰值3.48 L/(m·s)，但孔內(nèi)水位降幅并不顯著。后續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程沖洗液漏失量出現(xiàn)降低，在孔深66～93 m，其值僅為0.09～0.18 L/(m·s)，孔內(nèi)水位則持續(xù)緩慢降低。當(dāng)鉆進(jìn)至孔深93.4 m時(shí)，沖洗液漏失量顯著增大，并持續(xù)至孔深106 m，對(duì)應(yīng)漏失量峰值4.4 L/(m·s)，期間孔內(nèi)水位曾在孔深102.9 m處降至孔底。后續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程中，在孔深110～150 m，沖洗液漏失量普遍不高，孔內(nèi)水位也未見明顯降低;直至鉆進(jìn)至孔深152 m，沖洗液漏失量及水位降幅均明顯增大，并一直持續(xù)至終孔170.3 m;期間漏失量峰值4.4 L/(m·s)，終孔后的孔內(nèi)水位為孔口以下149 m(即距孔底21.3 m)。

通過(guò)鉆孔電視觀測(cè)，拍攝得到了不同孔深位置對(duì)應(yīng)孔壁圍巖的破壞情況。在孔深118 m左右位置拍攝得到了孔壁破碎煤體(圖4(a))，根據(jù)圖2(b)所示的W4鉆孔柱狀推斷，該位置應(yīng)為當(dāng)年3-1煤31101工作面開采時(shí)遺留的底煤。同時(shí)，根據(jù)拍攝得到的孔壁顯著破壞位置，并結(jié)合沖洗液漏失量和孔內(nèi)水位變化曲線，可判斷兩煤層開采引起的垮落帶范圍分別為孔深99～118 m和孔深152～170 m，如圖4所示。

圖4 T2鉆場(chǎng)兩鉆孔探測(cè)結(jié)果(采后8～9 a探測(cè))Fig.4 Detection results of boreholes No.T2-1 and No.T2-2 (tested 8 to 9 years after coal mining)

2.2.2T2-2鉆孔

相比而言，T2-2鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程的沖洗液漏失量和孔內(nèi)水位變化曲線與T2-1鉆孔有所不同，尤其體現(xiàn)在初始鉆進(jìn)的45 m孔深范圍內(nèi)，如圖4(a)所示。

從T2-2鉆孔開始鉆進(jìn)，即出現(xiàn)孔口不返漿現(xiàn)象，沖洗液漏失量相比T2-1鉆孔也要偏大;一直持續(xù)至孔深53.3 m，期間沖洗液漏失量峰值4.47 L/(m·s)，孔內(nèi)水位持續(xù)下降至孔口以下43 m。在孔深54～94 m鉆進(jìn)范圍，沖洗液漏失量普遍較低，僅在孔深78.5 m位置出現(xiàn)4.12 L/(m·s)的漏失量峰值，期間水位變化也不明顯。而后與T2-1鉆孔類似，在孔深94～103 m，沖洗液漏失量顯著增大，峰值為4.43 L/(m·s)，孔內(nèi)水位則略有降低。繼續(xù)向下鉆進(jìn)至104～130 m時(shí)，沖洗液漏失量又衰減至較低水平，孔內(nèi)水位變化也不明顯;此后直至終孔，沖洗液漏失量逐步由1.80 L/(m·s)增大至4.26 L/(m·s)的峰值，孔內(nèi)水位也由孔口以下32.1 m降低為孔口以下155.4 m。

而鉆孔電視的觀測(cè)除了揭露了孔壁顯著破壞的采動(dòng)垮落帶范圍(與T2-1鉆孔揭露的基本相同)，還得到了淺部45 m孔深范圍鉆進(jìn)沖洗液漏失量相對(duì)T2-1孔明顯偏大的原因，如圖4(c)所示。由截圖可知，在抓取的孔深23，24，32 m幾個(gè)典型位置，2個(gè)鉆孔揭露的孔壁圍巖狀況截然不同，T2-2鉆孔孔壁破壞顯著，“空洞”、裂隙等采動(dòng)破壞痕跡發(fā)育明顯[3]，這顯然是由兩鉆孔位置對(duì)應(yīng)的覆巖破斷結(jié)構(gòu)差異性造成的，具體將在第3節(jié)詳細(xì)討論。

2.2.3兩孔探測(cè)的垮裂高度

綜合T2鉆場(chǎng)2個(gè)鉆孔的探測(cè)結(jié)果，可判斷該區(qū)域3-1煤和4-2煤重復(fù)開采后的覆巖導(dǎo)水裂隙已發(fā)育至地表，對(duì)應(yīng)導(dǎo)水裂隙帶高度約為170 m，這與前述理論判別結(jié)果也基本相同;兩煤層開采引起的垮落帶高度分別為孔深21和18 m(T2-2孔揭露的3-1煤開采垮落帶范圍稍大些，孔深97～118 m);3-1煤覆巖垮落帶高度相對(duì)偏大，這可能與4-2煤開采對(duì)3-1煤采動(dòng)覆巖的二次擾動(dòng)有關(guān)。

值得說(shuō)明的是，與T1鉆孔類似，在T2鉆場(chǎng)2個(gè)鉆孔內(nèi)均拍攝得到了孔壁明顯的裂隙發(fā)育等破壞痕跡，但其引起的沖洗液漏失量及孔內(nèi)水位變化并不顯著，尤其是在孔深54～94，104～130 m等范圍;同時(shí)，2個(gè)鉆場(chǎng)的鉆進(jìn)沖洗液漏失量絕對(duì)值也有所不同，T2鉆場(chǎng)2個(gè)鉆孔的漏失量值相對(duì)偏高些。這些差異顯然與2個(gè)區(qū)域煤層采后持續(xù)的自修復(fù)累積時(shí)間密切相關(guān)。

3 采后10 a垮裂巖體的自修復(fù)特征討論

自萬(wàn)利一礦一盤區(qū)煤層開采完畢，距現(xiàn)場(chǎng)鉆探實(shí)施已有10 a左右時(shí)間，從前述第2節(jié)的觀測(cè)結(jié)果可以看出，無(wú)論是位于盤區(qū)中部的T1鉆孔探測(cè)區(qū)，還是位于盤區(qū)邊界附近的T2-1，T2-2鉆孔探測(cè)區(qū)，上覆垮裂巖體均表現(xiàn)出明顯的自修復(fù)現(xiàn)象，且探測(cè)位置處于不同地質(zhì)開采條件時(shí)，對(duì)應(yīng)垮裂巖體的自修復(fù)效果(或程度)也有所差異;具體討論如下:

(1)鉆孔揭露覆巖導(dǎo)水裂隙時(shí)呈現(xiàn)的沖洗液漏失量水平整體偏低，體現(xiàn)出垮裂巖體較弱的水滲流能力及較好的自修復(fù)效果。沖洗液漏失量大小直接表征著鉆孔揭露巖體的裂隙通道發(fā)育程度，覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙的發(fā)育將引起鉆孔沖洗液漏失量的顯著增大。根據(jù)神東或周邊類似礦區(qū)導(dǎo)水裂隙的鉆探經(jīng)驗(yàn)[14-18]，鉆孔揭露導(dǎo)水裂隙區(qū)引起的沖洗液漏失量絕對(duì)值普遍會(huì)超過(guò)5～6 L/(m·s)，且峰值甚至能達(dá)到10～-30 L/(m·s)。因此，由圖2所示的導(dǎo)水裂隙帶高度判別結(jié)果推斷，T1和T2區(qū)域分別在鉆進(jìn)深度12 m左右以及地表附近就會(huì)因揭露導(dǎo)水裂隙而表現(xiàn)出較大的沖洗液漏失現(xiàn)象，然而事實(shí)卻與此相反。T1鉆孔雖在鉆深15 m位置出現(xiàn)不返漿現(xiàn)象，但其漏失量卻保持低于1 L/(m·s)的水平，且在后續(xù)鉆進(jìn)中出現(xiàn)的峰值也僅為3.48 L/(m·s);而T2鉆場(chǎng)2個(gè)鉆孔也與其類似，雖然出現(xiàn)沖洗液漏失量峰值的區(qū)域相對(duì)多些，但其峰值也僅為4.46 L/(m·s)，其他鉆進(jìn)階段漏失量也普遍低于1 L/(m·s)。由此可見，原先在覆巖中受采動(dòng)影響而發(fā)育的裂隙/空隙等導(dǎo)水通道，在歷經(jīng)多年的自修復(fù)作用后，已發(fā)生一定程度的封堵或閉合，從而使得鉆孔沖洗液漏失量值出現(xiàn)明顯降低。雖然萬(wàn)利一礦試驗(yàn)探測(cè)區(qū)在煤層開采當(dāng)年未曾實(shí)施覆巖垮裂狀況的鉆探工作，導(dǎo)致本次鉆探的沖洗液漏失量曲線無(wú)法像亭南煤礦案例那樣進(jìn)行不同時(shí)期的縱向?qū)Ρ?，但其較低的漏失量已能一定程度證實(shí)這種自修復(fù)現(xiàn)象。

(2)遠(yuǎn)離開采邊界的垮裂巖體，自修復(fù)效果相對(duì)更好。通過(guò)將T1鉆孔以及T2鉆場(chǎng)的2個(gè)鉆孔進(jìn)行沖洗液漏失量變化曲線的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是漏失量的具體數(shù)值大小還是較大漏失量出現(xiàn)的區(qū)域范圍，T1鉆孔都是最小的，其次為T2-1鉆孔，最大為T2-2鉆孔;這顯然是由鉆孔探測(cè)的不同區(qū)域覆巖的垮裂狀態(tài)差異引起的。根據(jù)采動(dòng)巖層破斷運(yùn)移及裂隙發(fā)育的一般規(guī)律[3,19]，處于開采邊界附近的巖層，由于其僅經(jīng)歷1次單向破斷回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，破斷塊體回轉(zhuǎn)角始終存在，因而產(chǎn)生的破斷裂隙也始終處于張開狀態(tài);而對(duì)于采區(qū)中部巖層，其破斷將經(jīng)歷雙向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，相鄰塊體間已無(wú)回轉(zhuǎn)角差異，因而破斷裂隙表現(xiàn)為閉合狀態(tài)。因此，相比而言，采區(qū)邊界附近的采動(dòng)裂隙發(fā)育密度更高、通道尺寸更大，其所能獲得的自修復(fù)效果自然偏低。也就是說(shuō)，遠(yuǎn)離開采邊界的垮裂巖體，自修復(fù)效果相對(duì)更好。

進(jìn)一步地，可用圖5所示的物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖對(duì)上述差異作更直觀的解釋。參照試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)開采條件，并對(duì)巖層賦存作一定簡(jiǎn)化，構(gòu)建相似材料模擬模型。上下煤層開采完畢后，覆巖垮裂形態(tài)如圖5所示。若將現(xiàn)場(chǎng)施工的3個(gè)探測(cè)鉆孔的位置類比投放到該模擬圖上，則A孔位置相當(dāng)于T1鉆孔，B，C孔位置相當(dāng)于T2-1和T2-2鉆孔。受不同層位巖層破斷步距以及巖層破斷角的影響，開采邊界附近采動(dòng)覆巖的裂隙顯著發(fā)育區(qū)呈現(xiàn)下窄上寬的類似“斜梯形”狀分布(圖5中的陰影區(qū))[19]。處于上述區(qū)域之外的垮裂巖體，受充分采動(dòng)的壓實(shí)作用，裂隙/空隙等導(dǎo)水通道趨于閉合，發(fā)育程度相對(duì)偏低。正因?yàn)楦矌r垮裂在采后初始發(fā)育形成時(shí)就存在這種導(dǎo)水通道分布的差異，才造成多年后不同區(qū)域鉆孔探測(cè)結(jié)果的不同。所以，遠(yuǎn)離開采邊界、靠近中部壓實(shí)區(qū)的垮裂巖體，采后初始發(fā)育的導(dǎo)水通道本身偏小，裂隙自修復(fù)效果更好。而對(duì)于開采邊界附近的B，C孔，受裂隙顯著發(fā)育區(qū)這種斜向上擴(kuò)展分布特征的影響，鉆孔淺部區(qū)域揭露的導(dǎo)水通道更為發(fā)育，且距離邊界越近，揭露顯著發(fā)育裂隙的范圍越大，裂隙自修復(fù)效果相應(yīng)變差。這就合理解釋了T2-1和T2-2鉆孔在初始鉆進(jìn)45 m范圍內(nèi)出現(xiàn)的沖洗液漏失差異。

圖5 試驗(yàn)區(qū)采動(dòng)覆巖垮裂形態(tài)的模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of the mining-damaged form in the overlying strata of the test area

由此可見，在實(shí)際實(shí)施采動(dòng)巖體人工修復(fù)的生態(tài)治理等措施時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)開采邊界附近難以發(fā)生自修復(fù)的垮裂巖體進(jìn)行干預(yù)修復(fù)，以提高工程治理效率及實(shí)施效果。

(3)處于垮落帶中下部和導(dǎo)水裂隙帶中上部的垮裂巖體，自修復(fù)效果相對(duì)更好;垮落帶向?qū)严稁н^(guò)渡的交界區(qū)域，自修復(fù)效果相對(duì)偏差。從3個(gè)探測(cè)鉆孔在進(jìn)入垮落帶前后的沖洗液漏失量及孔內(nèi)水位變化可以看出，垮落帶中下部破碎巖體滲透性明顯低于垮落帶上部及其向?qū)严稁н^(guò)渡的交界區(qū)域。T1鉆孔進(jìn)入4-2煤垮落帶前出現(xiàn)沖洗液漏失量峰值，而進(jìn)入垮落帶后漏失量明顯降低，且當(dāng)鉆進(jìn)終孔至煤層底板時(shí)，距孔底12.5 m的水位在歷時(shí)3 d后才緩慢消失。類似地，T2-1和T2-2鉆孔在進(jìn)入3-1煤垮落帶過(guò)程中除了有沖洗液漏失量衰減的同樣現(xiàn)象外，在鉆進(jìn)至3-1煤底煤位置附近時(shí)，距孔底50.1 m(T2-1孔)和33 m(T2-2孔)的水位在暫停施工12 h后也未見明顯降低。鉆孔電視照片雖顯示垮落帶孔壁巖體明顯破壞痕跡，但巖塊間裂隙/空隙等通道受封堵、彌合的現(xiàn)象也很顯著，如圖3，4(b)所示。由此可見，上部規(guī)則垮落帶巖體的自修復(fù)效果反而低于中下部的不規(guī)則垮落帶，推斷這可能與不同位置巖層的破碎塊度及其巖性有關(guān)。巖層破碎塊度越小、所含泥質(zhì)礦物占比越多，巖塊的受壓實(shí)程度越好、自由空隙越易被水解泥化物、化學(xué)衍生物等充填[9]，從而其自修復(fù)效果越好。圖2所示的柱狀也說(shuō)明了這一點(diǎn)。T1探測(cè)區(qū)對(duì)應(yīng)ZK1717鉆孔位置，4-2開采煤層垮落帶范圍均為砂巖賦存，且上部巖層厚、下部巖層薄，T2探測(cè)區(qū)W4鉆孔位置3-1開采煤層垮落帶巖層賦存與此類似，且其下部還賦存有薄層泥巖，由此才造成了垮落帶中下部的低滲現(xiàn)象。而對(duì)于W4鉆孔4-2開采煤層的垮落帶，由于其巖層賦存恰與上述相反，所以未出現(xiàn)類似的低滲現(xiàn)象。

對(duì)于導(dǎo)水裂隙帶，除了它與垮落帶交界處的過(guò)渡區(qū)，其他區(qū)域巖體的裂隙發(fā)育相對(duì)規(guī)則、分布密度相對(duì)稀疏(主要是巖層周期性破斷產(chǎn)生的張拉裂隙)，且豎向上所處層位越高、橫向上越靠近采區(qū)中部，受采煤擾動(dòng)程度越低、裂隙通道尺寸越小，因而能達(dá)到相對(duì)較好的自修復(fù)效果。如，T1鉆孔由探測(cè)的導(dǎo)水裂隙帶頂界面(孔深15 m)直至孔深60 m之間范圍，以及T2-1鉆孔由孔口直至孔深93 m、由3-1煤底板(孔深118 m)直至孔深150 m范圍，均表現(xiàn)出較低的沖洗液漏失量以及較穩(wěn)定的水位變化曲線。

(4)煤層埋深越大、采后歷時(shí)年限越長(zhǎng)，垮裂巖體自修復(fù)效果越好。反觀亭南煤礦204工作面的工程案例(圖6)[9]，工作面采高6 m，同樣屬于大采高開采條件;盡管其探測(cè)鉆孔也布置于工作面和整個(gè)采區(qū)的邊界附近(距邊界35 m)，但在歷時(shí)5 a左右時(shí)間后，卻獲得了相比萬(wàn)利一礦T2鉆場(chǎng)探測(cè)覆巖更好的自修復(fù)效果;在原先導(dǎo)水裂隙發(fā)育的210～390 m埋深段，沖洗液漏失量普遍小于0.3 L/(m·s)，也未出現(xiàn)因開采邊界附近覆巖顯著裂隙發(fā)育區(qū)而引起的較大漏失現(xiàn)象。這種差異與204工作面明顯偏大的埋深密切相關(guān)(埋深增大約400 m)。顯然，埋深越大，垮裂巖體在采后受到的采動(dòng)應(yīng)力壓實(shí)作用越強(qiáng)，處于其中的裂隙/空隙通道自然更易實(shí)現(xiàn)閉合、修復(fù);尤其是在開采邊界附近，較大的埋深和采動(dòng)支承壓力會(huì)迫使開采邊界外側(cè)的超前煤巖體發(fā)生大范圍塑性壓縮，從而使得邊界破斷巖層發(fā)生反向回轉(zhuǎn)，促使張拉裂隙開度減小或趨于閉合[20](圖7)。這勢(shì)必能促進(jìn)裂隙的自修復(fù)進(jìn)程、提高自修復(fù)效果。

圖6 亭南煤礦204工作面采動(dòng)覆巖鉆探案例[9]Fig.6 A case of borehole detection in the mining-damaged overlying strata of 204 working face,Tingnan Coal Mine[9]

圖7 超前煤巖體壓縮引起張拉裂隙開度減小示意Fig.7 Aperture decrease of the opening fracture due to the failure and compression of anterior rock mass

當(dāng)然，巖性的軟硬差異也會(huì)對(duì)裂隙的自修復(fù)進(jìn)程產(chǎn)生影響，軟巖在采動(dòng)應(yīng)力作用下更易發(fā)生塑性變形而“壓密”裂隙。對(duì)比亭南煤礦[18]與萬(wàn)利一礦探測(cè)區(qū)的覆巖柱狀，兩者均主要以砂巖、泥巖等巖性賦存，但亭南礦覆巖還存在多層厚度偏大的礫巖層(埋深270～415 m)，礫石顆粒達(dá)2～5 mm;顯然，松散礫石的存在會(huì)顯著增加巖層孔隙度，從而大大提高其自修復(fù)難度。但即便在這種條件下，其自修復(fù)效果仍優(yōu)于萬(wàn)利一礦。由此更證實(shí)了大埋深條件對(duì)于確保自修復(fù)效果的優(yōu)勢(shì)。

同樣，采后歷時(shí)年限越長(zhǎng)，垮裂巖體受采動(dòng)應(yīng)力的壓實(shí)作用越充分，裂隙/空隙通道受水解泥化物或化學(xué)衍生物充填封堵的程度越高，最終的自修復(fù)效果越好。萬(wàn)利一礦鉆孔探測(cè)結(jié)果顯示，歷經(jīng)時(shí)間多出3～4 a，T1鉆場(chǎng)區(qū)域垮裂覆巖的自修復(fù)效果明顯好于T2鉆場(chǎng);同時(shí)，T2鉆場(chǎng)區(qū)域3-1煤早于4-2煤1 a時(shí)間開采，其垮裂覆巖的自修復(fù)效果相比煤層間的巖層也要好些。

(5)下煤層重復(fù)開采的擾動(dòng)作用，會(huì)一定程度影響上煤層垮裂巖體的自修復(fù)效果。受下煤層重復(fù)開采擾動(dòng)的影響，上煤層上覆已垮裂巖體會(huì)發(fā)生二次活化運(yùn)動(dòng);在此過(guò)程中，垮落巖塊會(huì)重新堆積，導(dǎo)水裂隙帶巖層會(huì)再次破斷回轉(zhuǎn)，這一方面會(huì)改變垮裂巖體中裂隙/空隙的分布特征及其通道尺寸，另一方面還會(huì)對(duì)其中已形成的自修復(fù)進(jìn)程產(chǎn)生破壞，從而影響到垮裂巖體最終的自修復(fù)效果;這種影響既可能有正面的也可能有負(fù)面的。也就是說(shuō)，下煤層開采后上煤層垮裂覆巖最終所能達(dá)到的自修復(fù)狀態(tài)有可能會(huì)比單獨(dú)只開采上煤層后的效果要好，也有可能會(huì)變差。當(dāng)下煤層重復(fù)開采的擾動(dòng)作用使得上煤層垮落巖塊堆積更密實(shí)、使得邊界張拉裂隙的開度更小，那么這種擾動(dòng)將能促進(jìn)上煤層垮裂巖體的自修復(fù)進(jìn)程，取得較好的自修復(fù)效果;反之則可能產(chǎn)生阻滯作用。而若上下煤層的采煤間隔時(shí)間較長(zhǎng)，在下煤層實(shí)施回采前，上煤層垮裂巖體已產(chǎn)生一定的自修復(fù)，那么下煤層的重復(fù)采動(dòng)必然會(huì)對(duì)上煤層已有自修復(fù)產(chǎn)生破壞，最終影響覆巖整體的自修復(fù)進(jìn)程。

當(dāng)然，本文T2鉆場(chǎng)的重復(fù)采動(dòng)探測(cè)區(qū)上下煤層開采間隔時(shí)間僅1 a左右，并未出現(xiàn)上述重復(fù)采動(dòng)對(duì)已修復(fù)巖層擾動(dòng)的不利現(xiàn)象。可見，在實(shí)際實(shí)施多煤層開采的接替規(guī)劃時(shí)，為了利于采動(dòng)垮裂巖體的自修復(fù)，應(yīng)盡量縮短上下煤層回采的時(shí)間間隔。

(6)由探測(cè)結(jié)果可見，受采動(dòng)垮裂巖體長(zhǎng)時(shí)間自修復(fù)過(guò)程的影響，在采煤當(dāng)年發(fā)育形成的導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)，已有較大范圍垮裂巖體呈現(xiàn)出弱導(dǎo)水性，這無(wú)疑能對(duì)減輕地下水流失、促進(jìn)區(qū)域生態(tài)恢復(fù)產(chǎn)生積極作用。利用上述自修復(fù)規(guī)律，能很好指導(dǎo)礦區(qū)生態(tài)治理與修復(fù)措施的制定與實(shí)施，因地制宜對(duì)自修復(fù)緩慢或困難區(qū)域重點(diǎn)進(jìn)行治理，勢(shì)必能取得事半功倍的效果。

4 結(jié) 論

(1)萬(wàn)利一礦一盤區(qū)煤層開采結(jié)束已近10 a，推測(cè)上覆采動(dòng)垮裂巖體應(yīng)已發(fā)生一定程度的自修復(fù);選取該盤區(qū)4-2煤?jiǎn)我幻簩娱_采以及3-1煤、4-2煤重復(fù)開采這2種典型條件，采用鉆孔原位探測(cè)方法開展了鉆進(jìn)沖洗液漏失量、孔內(nèi)水位、以及孔壁圍巖窺視等實(shí)測(cè)工作，揭示了盤區(qū)中部及邊界附近垮裂覆巖的自修復(fù)特征。

(2)受采后多年垮裂巖體逐步自修復(fù)演變的影響，無(wú)論是盤區(qū)中部還是邊界附近探測(cè)鉆孔，鉆進(jìn)揭露垮裂巖體表現(xiàn)出的沖洗液漏失量較采后即刻探測(cè)時(shí)的常規(guī)漏失程度明顯偏低，垮裂巖體呈現(xiàn)的導(dǎo)水滲透能力顯著下降;甚至在垮落帶中，孔內(nèi)仍可見能維持?jǐn)?shù)日的水位。

(3)討論了煤層開采地質(zhì)條件、采后歷時(shí)年限、采動(dòng)巖體初始垮裂程度等關(guān)鍵因素對(duì)垮裂巖體自修復(fù)程度(或效果)的影響規(guī)律。煤層埋深越大、采后年限越長(zhǎng)，越有利于垮裂巖體的自修復(fù);但多煤層的重復(fù)采動(dòng)會(huì)二次活化上部已采煤層垮裂巖體，從而可能改變裂隙發(fā)育及碎巖堆積狀態(tài)，也可能破壞上煤層垮裂巖體的已有自修復(fù)進(jìn)程，最終影響覆巖整體的自修復(fù)效果。采動(dòng)巖體裂隙初始發(fā)育的宏觀尺寸及其分布密度越低、垮落碎巖的塊度越小，自修復(fù)效果越好。因而，處于采區(qū)邊界附近的破斷張開裂隙相比中部壓實(shí)區(qū)的閉合裂隙其自修復(fù)難度更大，是采后人為干預(yù)修復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域。

(4)采動(dòng)垮裂巖體的自修復(fù)雖是自然演變的客觀規(guī)律，但受地質(zhì)、開采等條件影響其結(jié)果必然變化不一;萬(wàn)利一礦采后10 a垮裂巖體的自修復(fù)特征僅是其中的1個(gè)案例，后續(xù)仍有待對(duì)其他條件開展更為廣泛的研究。

致謝感謝神華包頭能源有限責(zé)任公司萬(wàn)利一礦智國(guó)軍、朱濤、劉潤(rùn)、楊瑞剛等領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作中提供的幫助與支持。