淺埋煤層綜放開采導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征及隔水層穩(wěn)定性研究

張金金，杜 航，張嘉晨，訾 龍

(陜西竹園嘉原礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

伴隨長(zhǎng)期高強(qiáng)度開采，我國中東部地區(qū)煤炭資源日趨減少，煤炭能源開發(fā)戰(zhàn)略逐漸西移。西北地區(qū)煤田煤炭資源賦存條件優(yōu)異，煤層厚度大，賦存廣泛、地質(zhì)條件好、埋深小，適宜大規(guī)模開發(fā)利用。但是，西部荒漠地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，大規(guī)模高強(qiáng)度開采易造成水資源嚴(yán)重流失等生態(tài)問題[1，2]。陜北榆神礦區(qū)沙漠前灘砂層潛水是維持地區(qū)良好生態(tài)環(huán)境的重要水源，離石組黃土和N2紅粘土(砂層直接底板)共同組成其隔水層，采動(dòng)前后隔水層保持相對(duì)穩(wěn)定[3]，且隔水性良好，是實(shí)現(xiàn)科學(xué)“保水采煤”的重要課題[4，5]。

圍繞淺埋煤層保水開采等相關(guān)課題，石平五等[6]研究大柳塔煤礦淺埋煤層工作面頂板破壞規(guī)律，確定了薄基巖條件采動(dòng)產(chǎn)生整體切落而非離層破壞；范立民等[7-10]提出保水開采科學(xué)觀點(diǎn)，對(duì)保水開采區(qū)域進(jìn)行了劃分；余學(xué)義等[11，12]提出了陜北淺埋煤層綠色保水開采技術(shù)；謝廣祥等[13]探究了淺埋煤層回采期間采場(chǎng)圍巖力鏈演化特征，揭示了淺埋煤層工作面強(qiáng)礦壓現(xiàn)象；黃慶享等[14-16]采用數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)方法得到了淺埋煤層覆巖運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律，提出了淺埋煤層“組合關(guān)鍵層”理論；侯恩科等[17]以檸條塔煤礦S1233工作面為研究對(duì)象，探究了淺埋煤層開采上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征；趙兵朝等[18，19]基于理論分析、相似模擬和工程驗(yàn)證手段，分析提出了淺埋煤層采動(dòng)隔水層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型；柴敬等[20]采用FBG、BOTDA光纖技術(shù)監(jiān)測(cè)分析采動(dòng)覆巖關(guān)鍵隔水層，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與導(dǎo)通隔水層的穩(wěn)定性。然而，受開采擾動(dòng)影響，上覆隔水層隔水性能受到不同程度的損壞，不同開采區(qū)域上覆巖層巖性及結(jié)構(gòu)特征存在差異，對(duì)不同生產(chǎn)地質(zhì)條件的導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征、含水層連通性以及隔水層穩(wěn)定性有待進(jìn)一步研究。

基于陜北榆神礦區(qū)柳巷煤礦工程背景，開展淺埋煤層綜放開采導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征及隔水層穩(wěn)定性研究，以隔水性較好的N2紅黏土為研究對(duì)象，分析導(dǎo)水裂隙發(fā)育及對(duì)隔水層破壞程度的影響規(guī)律，明確紅土隔水層采動(dòng)破壞主控影響因素，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)“保水采煤”意義重大。

1 基本工程地質(zhì)特征

1.1 工程概況

柳巷煤礦位于陜北榆神礦區(qū)東南部，主采煤層為侏羅系延安組3#煤層。礦井采用斜井開拓方式，一次采全高綜采放頂煤方法，全部垮落法管理頂板。分兩個(gè)水平開采，一水平劃分2個(gè)盤區(qū)，主要開采3#煤層，埋深介于240～270 m，平均厚度11.05 m。礦井二水平劃分1個(gè)盤區(qū)，開采6#煤層。

礦井典型工作面上覆巖層呈現(xiàn)“砂-土-基”型分布特征。砂層是主要含水層，井田中部最厚，最大值40.48 m，由中部向四周逐漸變??；土層厚度72.59～211.3 m，平均139.02 m；基巖厚度為70.05～100.44 m，由煤礦南部向北部逐漸變薄。N2紅土隔水層全區(qū)分布，巖性為棕紅色粘土及粉砂質(zhì)粘土，為第四系潛水與基巖裂隙水間良好的隔水層，厚度34.90～121.43 m，平均為76.76 m，含/隔水層空間分布如圖1(b)所示。

1.2 N2紅土地質(zhì)組成

由于N2紅土本身蘊(yùn)含較多的三趾馬動(dòng)物化石，黏土呈現(xiàn)紅色，故而又被稱為“三趾馬紅土”。黏土層隔水性良好，位于主要含水砂層下方，是實(shí)現(xiàn)西北地區(qū)煤田保水采煤的主要隔水層。柳巷煤礦N2紅土屬粉土、粉質(zhì)黏土，天然可塑、硬塑至堅(jiān)硬，膨脹性較好。所含礦物質(zhì)主要為石英，云母和重礦物含量較少，黏土礦物為伊利石、蒙脫石等，N2紅土滲透性等級(jí)屬弱透水～微透水。N2紅土基本水理性質(zhì)見表1。

表1 N2紅土基本水理性質(zhì)參數(shù)Table 1 Basic hydro-physical parameters of N2 laterite

2 薄基巖厚土層綜放開采覆巖損害特征

當(dāng)煤層工作面開挖后，采空區(qū)周圍巖體原巖應(yīng)力狀態(tài)改變，上覆巖層結(jié)構(gòu)逐漸失去平衡，產(chǎn)生巖層的移動(dòng)、變形、破壞和斷裂，由下往上依次為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[21]，采動(dòng)覆巖移動(dòng)破壞地層分布如圖1(a)所示。裂隙帶下部裂隙極度發(fā)育，連通性強(qiáng)，透水性好，向上逐層減弱，當(dāng)裂隙帶發(fā)育上部含水層時(shí)，成為含水層導(dǎo)水通道，即導(dǎo)水裂隙帶[22]。當(dāng)采動(dòng)裂隙貫通重要含水層時(shí)，地下水沿采動(dòng)裂隙向采空區(qū)滲漏，將導(dǎo)致水位降低等問題。

礦井3#煤層厚度10.20～11.65 m，平均11.05 m，埋深247 m。由于煤層上覆巖層均為砂泥巖互層，抗壓強(qiáng)度26.1～45.5 MPa，屬于中硬巖層。故依據(jù)導(dǎo)水裂隙帶公式計(jì)算：

式中，∑M為累計(jì)采厚，m；Hli1為垮落帶高度，m；Hli2為導(dǎo)水裂隙帶高度，m。

代入計(jì)算得到導(dǎo)水裂隙帶高度為50.6～62.1 m，平均為57.9 m。

結(jié)合綜放開采“兩帶”高度公式對(duì)中硬巖類導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)一步計(jì)算：

代入計(jì)算得到導(dǎo)水裂隙帶高度為91.8～129.1 m，平均為113.9 m。

綜上所述，不同礦區(qū)、礦井地質(zhì)條件下地層巖性不同，采動(dòng)覆巖破壞三帶計(jì)算方法亦存在一定差異。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與工作面采高、采動(dòng)充分程度直接相關(guān)，對(duì)應(yīng)工作面回采期間的不同推進(jìn)階段，非充分采動(dòng)、充分采動(dòng)和超充分采動(dòng)情況下近地表巖層移動(dòng)破壞特征也存在差別[23，24]。依據(jù)覆巖破壞充分采動(dòng)程度，確定工作面臨界尺寸下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征[25]。采動(dòng)上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律如圖2所示，不同工作面走向長(zhǎng)度下導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律近似，隨走向長(zhǎng)度增加繼續(xù)向上發(fā)育對(duì)應(yīng)非充分采動(dòng)階段，裂隙帶高度達(dá)到最大值對(duì)應(yīng)充分采動(dòng)階段，當(dāng)裂隙帶發(fā)育高度最大值不再隨工作面走向長(zhǎng)度增加而增加則對(duì)應(yīng)超充分采動(dòng)階段。

圖2 采動(dòng)上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律Fig.2 Development law of water flowing fractured zone in overlying strata under mining

3 采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律及對(duì)N2紅土層的影響

3.1 工作面采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律

3.1.1 數(shù)值分析

為了研究煤層開采覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律，確定其對(duì)N2紅土隔水層的采動(dòng)影響程度，選取3#煤層典型工作面為模型進(jìn)行計(jì)算。建立二維數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為500 m×230 m，采高為9 m，一次采全高，開挖步距為10 m。模型左右兩側(cè)各留設(shè)50 m邊界煤柱，消除模型邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，如圖3所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Numerical calculation model

模型上部邊界在地表為自由邊界，模型左右邊界位移固定水平約束，底部雙向位移約束邊界。假定各巖層單元為均質(zhì)各向同性彈性體，采用摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則作為單元破壞判據(jù)進(jìn)行計(jì)算。模型采用分步開挖方式，以模擬煤層開采過程中不同推進(jìn)距離的工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況。

模擬過程中，沿走向方向10 m/步開挖工作面，得到工作面不同推進(jìn)距離下覆巖裂隙演化特征。可知：當(dāng)工作面剛剛開始推進(jìn)時(shí)，上覆巖層裂隙不發(fā)育；工作面逐漸向前推進(jìn)，破壞區(qū)域隨著工作面采空空間增大逐漸呈“拱形”向上方發(fā)展，導(dǎo)水裂隙帶高度隨工作面距離的增加而增大。當(dāng)推進(jìn)至140 m時(shí)，頂板產(chǎn)生初次垮落，在采空區(qū)底部由于頂?shù)装瀹a(chǎn)生接觸，進(jìn)而出現(xiàn)采空區(qū)的應(yīng)力局部集中區(qū)域，破壞區(qū)域逐漸呈現(xiàn)由“拱形”至“拱箱形”形態(tài)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變；當(dāng)推進(jìn)至170 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度繼續(xù)向上發(fā)展，這一階段最大發(fā)育高度為91.8 m。工作面逐漸向前推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙帶向上發(fā)展增長(zhǎng)速率緩慢，當(dāng)貫穿基巖發(fā)育至土層底部后開始不再向上發(fā)展，破壞區(qū)域逐漸趨于穩(wěn)定，整體呈“拱箱型”形態(tài)，最大發(fā)育高度約為96.5 m。

監(jiān)測(cè)記錄工作面不同推進(jìn)距離下上覆巖層的裂隙帶發(fā)育情況，得到煤層開采對(duì)N2紅土隔水層穩(wěn)定性的影響，如圖4所示。分析可知：導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的工作面臨界尺寸為170 m，當(dāng)工作面推進(jìn)距離為170 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至91.8 m；當(dāng)工作面推進(jìn)距離繼續(xù)增加，覆巖破壞繼續(xù)向上發(fā)育緩慢；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為240 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下的最大值，裂隙帶高度不再隨工作面走向長(zhǎng)度的增加而繼續(xù)增加，此階段達(dá)到導(dǎo)水裂隙帶高度穩(wěn)定階段。

圖4 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育過程Fig.4 Development process of water flowing fractured zone

3.1.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

按照《導(dǎo)水裂隙帶高度的鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)方法》(MT/T 865—2000)規(guī)范要求，采用L2、L3、L4探查鉆孔進(jìn)行水文觀測(cè)，即沖洗液漏失量與水位觀測(cè)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩帶高度鉆孔探查觀測(cè)結(jié)果Fig.5 Two-zone height borehole exploration observation results

分析可知：L2鉆孔土層段沖洗液漏失量變化為0.0132～0.0.0537 L/(s·m)，基巖段沖洗液漏失量變化為0.1233～0.8741 L/(s·m)，觀測(cè)期間土層段變化基本穩(wěn)定，進(jìn)入120.10 m處由0.0437 L/(s·m)增大至0.1433 L/(s·m)，152.99 m至154.42 m處增至最大0.8741，全部漏失，漏失中斷。隨著孔深增加水位逐漸降低，土層段變化正常，沖洗液漏失后孔內(nèi)無法測(cè)得水位。L2鉆孔導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為121.10 m。同理，L3、L4鉆孔導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分別為126.45 m和139.79 m。綜上，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果平均值為129.11 m。

基于礦井3#煤層30105工作面實(shí)際情況，分別布設(shè)了L2、L3、L4三個(gè)地面探查鉆孔，在施工過程中觀察液漏失量變化，水位變化現(xiàn)象，探查導(dǎo)水裂隙帶實(shí)際發(fā)育情況。兩帶鉆孔測(cè)點(diǎn)布置方案如圖6所示，其中L2鉆孔布置在30105工作面回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)20 m處，L3布置在工作面傾向中心位置，L4鉆孔布置在工作面傾向中心位置，距離L3鉆孔500 m。

3.2 N2紅土隔水層采動(dòng)破壞影響程度

陜北榆神礦區(qū)N2紅土厚度、煤層埋深和開采厚度條件不同，柳巷煤礦紅粘土隔水層全區(qū)分布，厚度34.90～121.43 m，東南分布最薄。位于井田不同區(qū)域，工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)局部分布不均，將引起N2紅土層的差異性破壞特征。因此，基于煤層采動(dòng)覆巖破壞三帶理論，考慮工作面采動(dòng)對(duì)隔水層的破壞影響程度，將N2紅土采動(dòng)破壞分為三類，見表2。

表2 N2紅土采動(dòng)破壞影響程度Table 2 Influence degree of mining damage of N2 laterite

4 N2紅土隔水層采動(dòng)破壞主控因素分析與評(píng)價(jià)

4.1 N2紅土隔水層采動(dòng)破壞影響因素分析

N2紅土隔水層采動(dòng)破壞影響因素主要包括紅土層與3#煤層工作面的實(shí)際垂距、紅土層厚度、紅土的地質(zhì)組成如礦物成分和孔隙度等。

1)紅土層厚度。紅土層厚是影響其抵抗采動(dòng)影響的重要因素。在空間位置分布上，N2紅土自身物化水理性質(zhì)變化偏小。但是，由井田東北向西南厚度增加，紅土層最大厚度121.43 m。在其他因素不變時(shí)，土層厚度越大，采動(dòng)影響越小，對(duì)于上覆地表水體及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)愈加有益。

2)紅土層與煤層間距。紅土層與主采煤層間的有效間距是直接關(guān)系煤層采動(dòng)對(duì)于紅土層開采擾動(dòng)影響程度的重要因素。采場(chǎng)覆巖垮落后，空間應(yīng)力重新分布，在上覆載荷作用下，巖層逐漸產(chǎn)生移動(dòng)變形破裂。紅土層受破壞影響程度，隨其與煤層間距的增大而減小，是影響采動(dòng)裂隙對(duì)紅土波及高度的重要指標(biāo)。

3)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。一般而言，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度隨煤層采高增加而增大，隨煤層分層開采數(shù)目增加而減小，隨煤層頂板強(qiáng)度和硬巖巖性比例系數(shù)增加而增大。裂隙帶發(fā)育高度越大，對(duì)紅土層的擾動(dòng)破壞程度越大。

4.2 基于層次分析法的N2紅土層采動(dòng)損害評(píng)價(jià)

1)層次分析模型構(gòu)建。基于N2紅土隔水層采動(dòng)破壞影響因素分析，確定紅土層厚、紅土層與主采煤層間距、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度作為隔水層采動(dòng)損害主控影響因素，建立紅土層采動(dòng)破壞評(píng)價(jià)模型，如圖7所示。

圖7 紅土層采動(dòng)破壞評(píng)價(jià)模型Fig.7 Evaluation model of mining failure of laterite layer

2)確定評(píng)估指標(biāo)權(quán)重。判斷上述各影響因素的重要程度，將各個(gè)影響因素兩兩對(duì)比進(jìn)行專家打分賦值，確定各因素相對(duì)重要程度及其權(quán)重，建立紅土層采動(dòng)破壞評(píng)價(jià)判斷矩陣進(jìn)行計(jì)算，見表3。

表3 判斷矩陣Table 3 Judgement matrix

計(jì)算判斷矩陣最大特征值λmax=4.1179。

計(jì)算判斷矩陣一致性指標(biāo)CI：

計(jì)算判斷矩陣一致性比例CR：

利用一致性指標(biāo)CI、一致性比例CR，判斷矩陣一致性可接受，層次分析排序滿足一致性檢驗(yàn)。

對(duì)各因素影響程度進(jìn)行細(xì)化，得到N2紅土層采動(dòng)破壞的主要影響因素的權(quán)重值，見表4。

表4 一致判斷矩陣各因素權(quán)重Table 4 Weight of each factor in the consistent judgement matrix

3)基于層次賦權(quán)的N2紅土采動(dòng)損害評(píng)價(jià)?；诹锩旱V導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律分析結(jié)果，即利用經(jīng)驗(yàn)公式所得導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為57.9 m(與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大，不符)或113.9 m，數(shù)值模擬計(jì)算所得裂隙帶最大發(fā)育高度為96.5 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得裂隙帶發(fā)育高度為121.10～139.79 m。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔地質(zhì)資料，井田由南向北紅土層與主采煤層的間距逐漸增大，最小值為70 m，最大值為112 m，而在大多數(shù)區(qū)域兩者巖層的間距介于80～110 m。與此同時(shí)，N2紅土隔水層全區(qū)分布，厚度34.90～121.43 m，平均為76.76 m?？紤]采動(dòng)損害主控因素對(duì)比分析可知，采動(dòng)導(dǎo)水裂隙波及N2紅土層高度一般小于50 m，導(dǎo)穿基巖發(fā)育到N2紅土層底部，紅土層殘余厚度是影響隔水土層穩(wěn)定性評(píng)判的重要指標(biāo)。

4.3 保水開采結(jié)果分析

隔水層穩(wěn)定性取決于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度及其波及N2紅土隔水層的范圍。預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，考慮紅土層厚度(h1)、紅土層與主采煤層間距(h2)、紅土層殘余厚度(h3)三類因素，建立隔水層穩(wěn)定性判據(jù)，采用自然分割法對(duì)N2紅土采動(dòng)破壞程度進(jìn)行分區(qū)(分級(jí)閾值分別取0.3和0.6)，系統(tǒng)評(píng)價(jià)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育對(duì)N2紅土隔水層的影響，并評(píng)判其穩(wěn)定性，見表5。

表5 基于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的紅土隔水層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)Table 5 Stability evaluation of laterite aquiclude based on the development of water flowing fractured zone

黃慶享教授將保水開采劃分為3類：自然保水開采、可控保水開采和特殊保水開采[26]。結(jié)合表5分析可知，當(dāng)N2紅土隔水層穩(wěn)定性校好或好，可實(shí)現(xiàn)自然保水開采；當(dāng)隔水層穩(wěn)定性一般時(shí)，應(yīng)依據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)測(cè)，如大部區(qū)域隔水層穩(wěn)定性一般，應(yīng)采取疏水降壓等保水開采措施；當(dāng)隔水層穩(wěn)定性差或較差，應(yīng)采取限高開采、疏水降壓等保水開采措施；當(dāng)粘土隔水層完全破壞，易導(dǎo)致突水潰砂，引起水資源易流失，實(shí)現(xiàn)保水開采必須采取充填開采、短壁開采等特殊措施。

5 結(jié) 論

1)基于理論分析結(jié)果確定柳巷煤礦典型工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為113.9 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得裂隙帶發(fā)育高度平均129.11 m，數(shù)值分析確定當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)170 m后，導(dǎo)水裂帶發(fā)育高度逐漸趨于穩(wěn)定，最大發(fā)育高度約為96.5 m，此時(shí)裂隙導(dǎo)穿基巖并發(fā)育到N2紅土層底部。

2)基于層次分析方法(AHP)構(gòu)建N2紅土層采動(dòng)破壞評(píng)價(jià)模型，明確了采動(dòng)破壞主控因素為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度、紅土層厚度、紅土層與主采煤層間距，建議考慮紅土層殘余厚度進(jìn)行保水開采評(píng)價(jià)。

3)針對(duì)N2紅土隔水層穩(wěn)定性一般、差和較差區(qū)域，應(yīng)采取限高開采、疏水降壓等保水措施，針對(duì)特殊地質(zhì)條件粘土隔水層完全破壞區(qū)域，實(shí)現(xiàn)保水開采須采取充填開采、短壁開采等措施。