巨厚古近系含水層下工作面導(dǎo)水裂隙帶高度探查

余志彪，趙寶峰，李德彬，張澤源

（1.寧夏寶豐能源集團(tuán)股份有限公司，寧夏 銀川 750000；2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)） 有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710177）

0 引 言

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是確定工作面開采上限、預(yù)測涌水量及制定防治水方案等工作的重要依據(jù)，也是工作面受頂板水害威脅程度評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因素。目前大多學(xué)者認(rèn)為厚煤層、巨厚煤層開采條件下頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育較高，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中的經(jīng)驗(yàn)公式僅適用于單層采厚1～3 m、累計(jì)采厚不超過15 m 的綜采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)[1]。由于地層巖性的差異性、采煤厚度、回采方式及經(jīng)驗(yàn)公式的局限性等，導(dǎo)水裂隙帶實(shí)際高度往往與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果存在較大偏差，對(duì)此我國學(xué)者針對(duì)開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了大量的研究。許延春[2-3]等基于回歸分析法得到了綜放開采覆巖“兩帶”高度與采厚之間的經(jīng)驗(yàn)公式；許家林[4-5]等提出了一種基于關(guān)鍵層位置預(yù)計(jì)覆巖“兩帶”高度的方法；翟志偉等[6]基于FLAC3D 對(duì)工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行了數(shù)值模擬；孫慶先等[7]運(yùn)用地表鉆孔沖洗液漏失量觀測、鉆孔彩色電視觀測和井下瞬變電磁法物探3 種技術(shù)手段對(duì)工作面“兩帶”高度進(jìn)行了探查；楊玉亮[8]等利用理論分析、相似材料模擬和數(shù)值模擬對(duì)大采高工作面導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行了探查；盛奉天[9]等采用數(shù)據(jù)分析的方法研究了彬長礦區(qū)內(nèi)工作面導(dǎo)水裂隙帶高度；康國彪[10]等采用經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值模擬和工程類比法分析了大采高工作面導(dǎo)水裂隙帶高度及其影響因素；王振榮[11]等提出了多煤層重復(fù)采動(dòng)條件下導(dǎo)水裂隙帶高度觀測方法；柴華彬[12]等、婁高中[13]等、徐樹媛[14]等分別利用GA-SVR、PSO-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF 核ε-SVR 分析了導(dǎo)水裂隙帶高度；張建民[15]等提出了采動(dòng)-爆裂模型的導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算方法；吳鐵衛(wèi)[16]等采用鉆井液漏失量觀測法、井下鉆孔電視、超聲成像對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了探查；姜偉[17]采用數(shù)值模擬對(duì)工作面導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了研究。上述研究對(duì)于工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶高度及發(fā)育規(guī)律探查具有重要意義，有效指導(dǎo)了頂板水害防控工作。

紅四煤礦是寧夏寶豐能源的主力生產(chǎn)礦井，也是寧東煤化工基地的供煤產(chǎn)地，含煤地層頂板賦存巨厚古近系含水層，厚度為288.50～386.34 m，鉆孔單位涌水量0.072 8～0.153 7 L/（s·m），富水性弱—中等，為了確定巨厚古近系含水層是否為主采煤層5 煤的直接充水水源，需要分析5 煤工作面回采后產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶是否能夠波及至古近系含水層。以往紅四煤礦未開展過導(dǎo)水裂隙帶實(shí)測工作，由于5 煤工作面采厚超過了3 m，無法采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶，故亟需進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶實(shí)測，為后續(xù)5 煤工作面開采上限確定、涌水量預(yù)測及防治水工程設(shè)計(jì)提高科學(xué)合理的依據(jù)。

1 研究區(qū)及工作面概況

1.1 研究區(qū)概況

寧東煤田紅墩子礦區(qū)紅四煤礦位于寧夏回族自治區(qū)銀川市東北部，井田南北長約4.8 km，東西寬約5.3 km，井田面積約22.300 5 km2。設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量194.07 Mt，建設(shè)規(guī)模為2.4 Mt/a，服務(wù)年限為50.5 a。井田可采煤層以薄—中厚煤層為主，共有8 層可采煤層，根據(jù)煤層間距可劃分為2 個(gè)煤組，2、4、5-1、5-2 煤為上組，8、9-1、9-2、10 煤為下組，其中5-2、9-1、9-2 煤為井田的主采煤層。

1.2 HI0503 工作面概況

HI0503 綜采工作面作為紅四煤礦5 煤的首采工作面，位于井田西翼的南部，開采5-2 煤，傾向長度220 m，走向長度1 006 m，煤層總厚度為3.4～5.4 m，采厚為3.8 m。工作面標(biāo)高+512.562—+603.706 m，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高+1 155.44—+1 203.57 m。由于HI0503 工作面埋深超過600 m，采用地面鉆孔探查導(dǎo)水裂隙帶工程量大、投資費(fèi)用高、實(shí)施周期長，擬采用井下鉆孔對(duì)工作面導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行探查。

2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度綜合判別

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

根據(jù)資料，5-2 煤層頂板巖石抗壓強(qiáng)度一般在13～38 MPa，屬中硬巖石。HI0503 工作面采厚為3.8 m，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》推薦的導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗(yàn)公式不適用于采厚大于3 m 的條件，因此采用《煤礦防治水手冊》 （2013 年6 月版） 中提供導(dǎo)水裂隙帶高度的經(jīng)驗(yàn)公式（1） 對(duì)HI0503 工作面開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行初步預(yù)計(jì)。

式中：M為采厚，m。帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得5-2 煤層采后形成導(dǎo)水裂隙帶最大高度為59.79 m，可作為探查鉆孔設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2.2 導(dǎo)水裂隙帶高度觀測方案

在H10503 工作面回風(fēng)巷布置鉆場施工4 個(gè)鉆孔，其中1 號(hào)和3 號(hào)鉆孔為工作面采前對(duì)比孔，主要探查工作面覆巖中的原生裂隙；2 號(hào)和4 號(hào)孔為煤層采后頂板導(dǎo)水裂隙帶高度探測鉆孔。1 號(hào)孔工作面停采線向外側(cè)煤柱施工，2、3、4 號(hào)向采空區(qū)施工。2、3、4 號(hào)在水平上終孔間距約15 m 左右，盡可能控制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育形態(tài)，鉆孔垂高為70 m。鉆孔布置剖面如圖1 所示。

圖1 井下鉆孔布置剖面圖Fig.1 The profile of underground drilling hole layout

2.2.1 井下壓水探測法

自2021 年3 月11 日至4 月5 日陸續(xù)施工1號(hào)、3 號(hào)采前探查鉆孔，自2021 年8 月4 日至8月19 日陸續(xù)施工2 號(hào)、4 號(hào)采后探查鉆孔，分別用0.5、1.0、1.5 MPa 的水壓進(jìn)行井下壓水試驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)資料，采前背景孔1 號(hào)、3 號(hào)鉆孔中，在裂隙相對(duì)發(fā)育段，當(dāng)注水水壓為1.5 MPa時(shí)，注水量0.2～0.35 L/min；在原生裂隙一般發(fā)育段，注水水壓為1.5 MPa 時(shí)，注水量0.15～0.2 L/min；在原生裂隙不發(fā)育段，注水水壓為1.5 MPa時(shí)鉆孔注水量小于0.15 L/min；總體采前鉆孔注水量較小，在最高壓力條件1.5 MPa 下，平均注水量0.15 L/min 左右。統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場壓水試驗(yàn)資料，采后2號(hào)孔（如圖2a） 在工作面采后覆巖裂隙發(fā)育區(qū)壓水量為采前3 號(hào)孔（如圖2b） 的2～6 倍，并且采后鉆孔單位時(shí)間壓水量柱狀圖呈現(xiàn)成明顯的“單峰”形態(tài)。

圖2 2 號(hào)、3 號(hào)鉆孔不同水壓條件下試驗(yàn)孔深與壓水量關(guān)系Fig.2 The relationship between test hole depth and water pressure under different water pressure conditions in No.2 and No.3 drilling holes

根據(jù)工作面采后2 號(hào)和4 號(hào)鉆孔的現(xiàn)場壓水測試結(jié)果，并對(duì)比分析1 號(hào)孔和3 號(hào)鉆孔測試的原始地層天然狀態(tài)下注水量，并結(jié)合孔斜和地層傾角，確定HI0503 工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為65.6～67.4 m，詳見表1。

表1 壓水試驗(yàn)法探查導(dǎo)水裂隙帶結(jié)果Table 1 Result of water conduction fracture zone detection by water pressure test

2.2.2 鉆孔彩色電視法

對(duì)采后2 號(hào)和4 號(hào)鉆孔進(jìn)行了鉆孔窺視，利用鉆孔窺視儀對(duì)裂隙進(jìn)行觀測，推送過程中觀測到裂隙、塌落巖（泥） 塊及較完整層段等較為明顯。其中在2 號(hào)鉆孔63.33 m 處開始出現(xiàn)巖層破碎，106.88 m 處巖層破碎程度較高，107.86 m 處破壞程度變小僅剩縱向小裂隙，113.31 m 處孔壁完整。在4 號(hào)鉆孔62.78 m 處發(fā)現(xiàn)巖層破碎、孔徑變大，96.6 m 處次生裂隙明顯，97.47 m 處孔壁完整，無裂隙發(fā)育。

鉆孔窺視儀在導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育區(qū)域觀測到的裂隙較為明顯（圖3），可以作為導(dǎo)水裂隙帶高度探查的輔助依據(jù)。通過鉆孔窺視得到導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為66.5～68.1 m，詳見表2。

表2 鉆孔窺視探查導(dǎo)水裂隙帶成果Table 2 Result of water conduction fracture zone detection by drilling peeping

圖3 導(dǎo)水裂隙帶的鉆孔窺視Fig.3 Water conduction fracture zone detection by drilling peeping

2.3 數(shù)值模擬計(jì)算

基于FLAC3D 建模原理，根據(jù)紅四煤礦HI0503 工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)條件，根據(jù)402 鉆孔建立數(shù)值模型。模型邊界條件為固定數(shù)值模型的底部位移與側(cè)面位移，采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。模型沿Y 方向760 m，Y 方向兩側(cè)各留80 m 煤柱，X方向372 m，X 方向兩側(cè)各留80 m 煤柱，Z 方向長240 m。

此次模擬開采方案采用走向長壁式采煤方法，全部垮落法管理頂板。首先運(yùn)行模擬至穩(wěn)定狀態(tài)再開采煤層，推進(jìn)方向是每次開挖步長20 m，計(jì)算循環(huán)至巖層穩(wěn)定，將結(jié)果保存；再開挖下一步繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)，依次向下進(jìn)行，直到工作面推進(jìn)600 m計(jì)算過程結(jié)束。

由于FLAC3D 數(shù)值模擬采用有限差分法進(jìn)行計(jì)算分析，采空區(qū)圍巖塑性區(qū)的分布與覆巖導(dǎo)水裂隙帶的劃分高度具有很好的一致性，因此研究煤層覆巖塑性區(qū)的分布，可以直觀地分析上覆各巖層的破壞情況。圖4 是工作面走向開采至600 m 時(shí)圍巖塑性區(qū)的變化情況，其塑性區(qū)范圍達(dá)到了65.29 m。

圖4 工作面頂板塑性區(qū)分布Fig.4 Distribution of plastic zone on roof of working face

為了深入研究隨著煤層開采覆巖移動(dòng)形變量，通過分析采場位移量的變化來反映導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育過程。圖5 為沿工作面走向開采100、200、300、400、500、600 m 垂向位移變化圖。工作面推進(jìn)至100 m 時(shí)，覆巖的移動(dòng)變形量慢慢增加，采空區(qū)上方巖層的位移云圖類似一個(gè)“拱”狀，基本上是以采空區(qū)中央軸對(duì)稱分布，直接頂和老頂?shù)奈灰屏枯^大，垮落帶高度為18 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至為33 m；工作面推進(jìn)至200 m 時(shí)，垮落帶高度為22 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至為44 m，覆巖移動(dòng)變形范圍擴(kuò)大；工作面推進(jìn)至300 m 時(shí)，隨著開采擾動(dòng)的不斷增強(qiáng)，“拱”狀范圍逐漸向上發(fā)展，“拱”的半徑隨采空區(qū)的擴(kuò)大而增大，垮落帶高度為25.2 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至為65.29 m；工作面推進(jìn)至400、500、600 m 時(shí)，垂直移動(dòng)變形增加量逐漸減小，水平位移甚至有減小趨勢，頂板下沉值達(dá)到最大，與采高基本一致，表明達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)，采空區(qū)被冒落巖塊壓實(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度也不再增加，說明這時(shí)導(dǎo)水裂隙帶己發(fā)育穩(wěn)定。

圖5 模型開挖后覆巖垂向位移變化圖Fig.5 The variation of overburden vertical displacement after model excavation

2.4 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度綜合判別分析

對(duì)HI0503 工作面導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行分析（表3）。通過井下鉆孔壓水試驗(yàn)、鉆孔窺視和數(shù)值模擬綜合確定HI0503 工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為65.29～68.1 m，大于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值59.79 m。

表3 HI0503 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測結(jié)果Table 3 The measurement results of water conduction fracture zone height of No.HI0503 face

HI0503 工作面距離上覆巨厚古近系含水層平均為95 m，大于工作面開采后導(dǎo)水裂隙帶高度，不會(huì)作為工作面的直接充水水源。經(jīng)過對(duì)HI0503工作面開采過程中涌水量的觀測，其涌水量一直穩(wěn)定在30 m3/h 左右，說明導(dǎo)水裂隙帶未波及至頂板古近系含水層，HI0503 工作面導(dǎo)水裂隙帶探查結(jié)果可以作為5 煤工作面防治水工作的依據(jù)。

3 結(jié) 論

（1） 通過井下鉆孔對(duì)HI0503 工作面導(dǎo)水裂隙帶的實(shí)測，壓水試驗(yàn)和鉆孔窺視結(jié)果較為接近，工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為65.6～68.1 m。

（2） 利用數(shù)值模擬對(duì)HI0503 工作面導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行了分析，工作面回采距離0～300 m 時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度逐漸增加至65.29 m，隨著工作面進(jìn)一步回采，導(dǎo)水裂隙帶高度呈現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢。

（3） 根據(jù)HI0503 工作面覆巖條件和導(dǎo)水裂隙帶高度探查結(jié)果，工作面開采未波及至巨厚古近系含水層，通過現(xiàn)場觀測資料，導(dǎo)水裂隙帶探查結(jié)果復(fù)合實(shí)際情況。