綜放采煤工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究

賀亮亮，楊 磊，郭 云，王 飛，李貴娟

(1.陜西省一八六煤田地質(zhì)有限公司，陜西 西安 710065；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710061)

0 引言

煤層開(kāi)采后，上覆地層受重力作用逐漸向下移動(dòng)，自下而上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，通常將冒落帶和裂隙帶合稱為導(dǎo)水裂隙帶[1-3]。黃隴煤田永隴礦區(qū)各礦煤層普遍較厚，多采用綜放采煤工藝，全部垮落法管理頂板，對(duì)上覆地層結(jié)構(gòu)破壞較大。當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育進(jìn)入上覆地層不同位置會(huì)引起不同的含水體水涌入礦井，對(duì)礦井安全生產(chǎn)威脅較大。因而對(duì)本區(qū)煤礦防治水工作來(lái)說(shuō)具有現(xiàn)實(shí)研究意義的為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，其限制了工作面煤層采厚，對(duì)煤層回采率影響較大，是各礦所關(guān)心的關(guān)鍵水文地質(zhì)參數(shù)。

通常導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度因煤層采厚、工作面采寬、煤層頂板管理方式和上覆地層巖性的不同而差異較大，針對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作，取得了一些具有影響力的研究成果[4-8]。但這些成果對(duì)永隴礦區(qū)麟北區(qū)覆巖條件下的礦井防治水工作指導(dǎo)性不強(qiáng)。為此，通過(guò)對(duì)永隴礦區(qū)郭家河煤礦1302工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的實(shí)際探查，結(jié)合離散元數(shù)值模擬軟件對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育演化過(guò)程的模擬以及野外施工中發(fā)現(xiàn)的相關(guān)細(xì)節(jié)，綜合分析確定本區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，以期為國(guó)內(nèi)相似條件下的煤礦水害防治工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

郭家河煤礦位于陜西黃隴侏羅紀(jì)煤田永隴礦區(qū)麟游區(qū)北部，地層由老到新有三疊系中統(tǒng)銅川組(T2t)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)，新近系及第四系。主要含水層為白堊系洛河-宜君組砂礫巖孔隙-裂隙含水層和侏羅系直羅-延安組砂巖裂隙含水層。

本區(qū)延安組為含煤地層，含有可采煤層。郭家河煤礦主采3號(hào)煤層，1302工作面平均煤厚9.0 m，采用走向長(zhǎng)壁綜放采煤工藝，全部垮落法管理頂板。在近年來(lái)的生產(chǎn)過(guò)程中，礦井局部突水現(xiàn)象嚴(yán)重，涌水量較大，特別是在采動(dòng)影響下，煤層頂板上覆地層中的離層積水體和洛河組含水層水易通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶涌突入回采工作面，對(duì)礦井安全生產(chǎn)威脅較大。

2 煤層頂板上覆地層特征

2.1 侏羅系地層巖性特征

本次將郭家河煤礦1302工作面3號(hào)煤頂板與白堊系底界之間地層按含(隔)水性能劃分為泥巖類地層和砂巖類地層2類。其中泥巖類地層包括泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，可視作相對(duì)隔水層；砂巖類地層包括細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖和礫巖，可視為含水層。各地層巖性厚度占比詳見(jiàn)表1。

表1 煤層上覆地層巖性分類統(tǒng)計(jì)

由表1可知，安定組地層中泥巖類地層厚度116.76 m，占比70.28%，可將其視為穩(wěn)定隔水層。直羅組地層中砂巖類地層厚度22.72 m，占比57.19%，可將其視為弱含水層。延安組地層中泥巖類地層厚度7.69 m，占比71.54%，可將其視為相對(duì)隔水層。綜合來(lái)看，1302工作面3號(hào)煤頂板至白堊系底界之間平均厚度216.61 m，為砂、泥巖互層狀結(jié)構(gòu)，泥巖類地層厚度占比65.31%，砂巖類地層厚度占比34.69%。

2.2 白堊系地層巖性特征

本區(qū)白堊系洛河組含水層為礦井主要充水含水層，平均厚度141.94 m，以中砂巖、礫巖為主，中砂巖厚度平均75.23 m，占53%；粗砂巖厚度平均49.68 m，占35%，各類巖性詳細(xì)占比如圖1所示。從垂向來(lái)看，洛河組含水層下段泥巖、泥質(zhì)粉砂巖厚度和層數(shù)明顯大于上段，雖未構(gòu)成穩(wěn)定隔水層，但也能夠說(shuō)明上段富水性強(qiáng)于下段。

圖1 洛河組含水層巖性組合特征示意Fig.1 Lithologic combination characteristics of Luohe formation aquifer

2.3 地質(zhì)與水文地質(zhì)條件的表現(xiàn)

綜上，永隴礦區(qū)郭家河煤礦1302工作面地質(zhì)與水文地質(zhì)條件主要表現(xiàn)為：①主采延安組煤層巨厚，平均煤厚9.0 m；②主要含水層為白堊系洛河組砂巖含水層，富水性中等但厚度較大，一般141.94 m，靜態(tài)儲(chǔ)水量大；③安定組地層厚度166.13 m，其中泥巖類地層厚度116.76 m，占比70.28%，可視為本區(qū)穩(wěn)定的隔水層。正是這種特殊的地質(zhì)與水文地質(zhì)特征，決定了在本區(qū)綜放開(kāi)采條件下，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度一般較大，局部已發(fā)育進(jìn)入白堊系含水層，具有不同于其他地區(qū)的特殊規(guī)律。

3 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探查

3.1 探查方法

本區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探查常用沖洗液漏失量觀測(cè)法和孔內(nèi)電視窺視法。沖洗液漏失量觀測(cè)法是通過(guò)對(duì)鉆機(jī)施工中沖洗液消耗量的觀測(cè)，間接判斷導(dǎo)水裂隙發(fā)育的最高位置；孔內(nèi)電視窺視法是通過(guò)鉆孔窺視系統(tǒng)，將帶有攝像頭的探頭放入孔內(nèi)對(duì)孔壁情況進(jìn)行直觀查看分析，用以確定地層巖性、巖石結(jié)構(gòu)和鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)育等情況[9-13]。

3.2 實(shí)際探查中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

3.2.1 沖洗液漏失量觀測(cè)法

由于沖洗液漏失量觀測(cè)法是一種間接判斷導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育位置的方法，在觀測(cè)結(jié)果分析時(shí)需首先排除對(duì)結(jié)果有影響的細(xì)節(jié)，才能得到真實(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)據(jù)。在野外鉆機(jī)施工過(guò)程中，沖洗液本身會(huì)在孔壁上形成薄而致密的泥皮，能夠防止孔壁坍塌、涌水和漿液漏失，但會(huì)對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的間接判斷造成影響。因此，在對(duì)漏失量的統(tǒng)計(jì)中需剔除這部分影響，結(jié)合鉆機(jī)鉆進(jìn)中的異?，F(xiàn)象，綜合判斷導(dǎo)水裂隙帶高度的頂點(diǎn)。此外，鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中有正常的沖洗液消耗量，在漏失量統(tǒng)計(jì)過(guò)程中也需將這部分?jǐn)?shù)據(jù)除去。鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)沖洗液循環(huán)還存在一種“假中斷”現(xiàn)象，會(huì)對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的判斷產(chǎn)生誤導(dǎo)。結(jié)合采后覆巖破壞理論，在導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度之上一定距離發(fā)育有離層，當(dāng)鉆進(jìn)至此處時(shí)沖洗液會(huì)大量進(jìn)入離層空間，造成沖洗液循環(huán)中斷。易被誤認(rèn)為此處是導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的最高點(diǎn)，這在之后的漏失量總體分析過(guò)程中需注意甄別。

3.2.2 孔內(nèi)電視窺視法

受觀測(cè)條件限制，窺視在鉆孔內(nèi)無(wú)水或清水時(shí)效果較好，能夠通過(guò)攝像頭清晰看到孔內(nèi)狀況。但在實(shí)際觀測(cè)時(shí)，常因孔內(nèi)地下水流出阻擋攝像頭使得觀測(cè)效果變差，或是因?yàn)殂@孔變形導(dǎo)致攝像頭無(wú)法下入孔底。因此，孔內(nèi)電視窺視法通常要配合其它觀測(cè)方法使用。在識(shí)別導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育頂點(diǎn)的問(wèn)題上，由于本區(qū)安定組地層中上部、宜君組地層內(nèi)部、洛河組含水層下部易形成“空腔型”離層，而“空腔型”離層上下位巖層沉降距離相對(duì)較大，易造成離層上位巖層內(nèi)也發(fā)育部分裂隙。但此裂隙并不通過(guò)“空腔型”離層之下的導(dǎo)水裂隙帶與采空區(qū)連通，因而不能將此裂隙看作導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最高點(diǎn)，在觀測(cè)結(jié)果分析時(shí)還應(yīng)注意區(qū)分。

3.3 實(shí)際探查結(jié)果分析

3.3.1 沖洗液漏失量觀測(cè)法

在1302工作面采后“兩帶”觀測(cè)孔的施工過(guò)程中對(duì)鉆孔沖洗液消耗量進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)洛河組地層內(nèi)211.79～216.78 m，299.8～300.56 m，341.86～343.28 m，353.34～357.3 m處沖洗液全部漏失，宜君組地層內(nèi)361.85～365.77 m，372.77～373.79 m處沖洗液全部漏失，進(jìn)行簡(jiǎn)易堵漏后尚能繼續(xù)鉆進(jìn)。自396.17 m向下，沖洗液全部漏失且無(wú)法進(jìn)行堵漏，只能采取頂漏鉆進(jìn)施工至目的層位。

3.3.2 孔內(nèi)電視窺視法

“兩帶”觀測(cè)孔施工至目的層位后，隨即便進(jìn)行了孔內(nèi)電視窺視，清晰地觀測(cè)了孔內(nèi)情況。在孔深358 m、362 m、366 m和376 m處發(fā)現(xiàn)了較明顯的橫向裂隙，未見(jiàn)明顯豎向裂隙，386 m開(kāi)始至387 m有明顯垮落現(xiàn)象。

3.3.3 對(duì)比分析

綜合上述2種實(shí)際探查結(jié)果，結(jié)合1302工作面“兩帶”觀測(cè)孔巖芯編錄資料，洛河組地層底部在356.8 m處，宜君組地層底部在386.32 m處。分析認(rèn)為洛河組、宜君組地層內(nèi)6處沖洗液全部漏失的位置為離層空間，由于孔內(nèi)電視窺視只觀測(cè)到了橫向裂隙，未見(jiàn)豎向裂隙，可認(rèn)為這些位置處在彎曲沉降帶內(nèi)，是由地層的不均勻沉降引起，且導(dǎo)水裂隙帶最大高度未發(fā)育至此位置，應(yīng)在該段地層以下。386～387 m處巖性為泥巖，此處的垮落是由泥巖泥化引起。396.17 m以下沖洗液全部漏失且無(wú)法堵漏，可認(rèn)為此位置為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最大高度?！皟蓭А庇^測(cè)孔煤層底板距孔口615 m，可知郭家河煤礦1302工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度為209.83 m，已經(jīng)進(jìn)入安定組地層上部，約為采厚的23.31倍。

4 數(shù)值模擬及驗(yàn)證

4.1 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度數(shù)值模擬

4.1.1 覆巖地層概化厚度

在1302工作面“兩帶”鉆孔施工過(guò)程中對(duì)不同巖性巖樣分別采取了物理力學(xué)試驗(yàn)樣，并及時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試。由于煤層頂板上覆地層整體為砂泥巖互層組合結(jié)構(gòu)，故采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法將測(cè)試結(jié)果按巖性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，采用統(tǒng)計(jì)值作為離散元軟件模擬的基礎(chǔ)值，基本能夠反映地層分層分段力學(xué)特性，覆巖地層概化厚度見(jiàn)表2。

表2 覆巖地層概化厚度統(tǒng)計(jì)

4.1.2 模擬結(jié)果及分析

采用離散元軟件對(duì)1302工作面煤層開(kāi)挖期間的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育演化過(guò)程進(jìn)行了模擬，主要模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在工作面回采至距切眼120 m左右時(shí)，宜君組地層、安定組地層上部開(kāi)始發(fā)育離層，導(dǎo)水裂隙帶已經(jīng)發(fā)育至安定組地層下部；在工作面回采至140～160 m左右時(shí)宜君組和安定組地層內(nèi)的離層空間規(guī)模逐漸擴(kuò)大，此時(shí)安定組地層下部的導(dǎo)水裂隙繼續(xù)向上延伸但并未進(jìn)入上部離層空間；在工作面回采至180 m左右時(shí)，已有少量導(dǎo)水裂隙導(dǎo)通安定組上部離層，存在離層積水下泄進(jìn)入回采工作面的風(fēng)險(xiǎn)，但這部分導(dǎo)水裂隙的發(fā)育規(guī)模和張開(kāi)程度均較小，在工作面繼續(xù)推進(jìn)引起的周期來(lái)壓及泥巖遇水軟化的作用下又能夠快速閉合。若將安定組地層上部離層空間內(nèi)的裂隙視作導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最高點(diǎn)，則導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為217.35 m，約為采厚的24.15倍；若將安定組地層上部離層空間的底部視作導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最高點(diǎn)，則導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為178.2 m，約為采厚的19.8倍。

圖2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育演化過(guò)程模擬結(jié)果Fig.2 Development and evolution of water conducting fracture zone

4.2 實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比研究

從導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育數(shù)值模擬過(guò)程可以看出，覆巖采后導(dǎo)水裂隙會(huì)從煤層頂板開(kāi)始逐漸向上發(fā)育，但在安定組地層上部離層形成的過(guò)程中，離層內(nèi)部及上部地層也會(huì)先發(fā)育部分裂隙。初始情況下這2部分導(dǎo)水裂隙并未連通，但當(dāng)煤層采厚較大且采空區(qū)范圍擴(kuò)大到一定程度，或是離層空間積水量增加到下位巖層不足以支撐其自重而“壓斷”下位巖層時(shí)，安定組地層下部裂隙會(huì)發(fā)育進(jìn)入上部離層空間并與上部裂隙相連，使得導(dǎo)水裂隙貫通為一個(gè)整體。在安定組上部離層積水未參與工作面涌突水的情況下可以認(rèn)為，野外實(shí)測(cè)得到的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最高點(diǎn)實(shí)際為安定組或是宜君組離層上部的裂隙最高點(diǎn)，而實(shí)際導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最高點(diǎn)仍在離層空間以下一定距離。由于1302工作面回采過(guò)程中的涌水量基本為生產(chǎn)用水量，并未發(fā)生大規(guī)模涌突水，因此可以確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度在安定組中上部離層空間以下。

綜合導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果，認(rèn)為應(yīng)將本區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最高點(diǎn)定為安定組地層上部的離層空間底，即導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度178.2 m，約為采厚的19.8倍。

5 結(jié)論

(1)洛河組含水層為郭家河礦區(qū)礦井主要含水層，其下段泥巖、泥質(zhì)粉砂巖的厚度和層數(shù)均大于上段，具有明顯的垂向非均質(zhì)特征，有必要進(jìn)一步開(kāi)展洛河組精細(xì)化探查研究，以確定含水層的垂向富水性。

(2)本區(qū)常用導(dǎo)水裂隙帶高度探查方法具有較大的局限性，在實(shí)際探查過(guò)程中需結(jié)合鉆機(jī)施工中的異常情況仔細(xì)分析，以得到真實(shí)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

(3)發(fā)現(xiàn)了安定組上部離層空間以上也易發(fā)育導(dǎo)水裂隙，但此部分裂隙通常只與離層空間相通而并不與采空區(qū)連通，這在本區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度確定時(shí)需引起注意。