高强度开采覆岩岩性及其裂隙特征

杨达明，郭文兵，谭 毅，王玉喜，马晓川，李 壮

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000; 2.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454000; 3.河南景惠科技有限公司，河南 郑州 450000; 4.鄂尔多斯昊华精煤有限责任公司 高家梁煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

我国西部煤炭开采工作面由于开采厚度大、煤层埋藏浅、采矿地质条件简单、工作面推进速度快等特点，造成覆岩破坏更剧烈，破坏高度大，导水裂隙带常与地表裂缝贯通等[1]，同时由于西部生态环境脆弱，开采造成的地表及地下水流失会对地表植被及井下开采安全造成严重威胁[2-3]。针对上述问题，范立民首次提出了“保水采煤”的概念[4];其后，大量学者根据保水采煤的科学内涵开展了一些列的理论研究和工程实践[5-9]。黄庆享针对保水开采岩层控制分析了覆岩“上行裂隙”和“下行裂隙”的发育规律，并提出了隔水岩组隔水性判据[10];马立强针对目前充填保水采煤方法存在的充填时间和充填空间不足，采煤与充填作用协调困难等问题，提出了“采充并行”式充填保水采煤方法[11];李文平分析了N2红土层的物理-水理-力学性质，发现N2红土隔水性能受采动破坏后，具有良好的自我恢复功能，丰富了保水采煤技术体系[12];在工程实践方面，王双明、黄庆享、范立民等提出了基于含水层结构保护的充填开采、窄条带开采、限高(分层)开采、短壁开采等“因地制宜”的技术方法[13-15]。

保水采煤技术主要为通过抑制导水裂隙带发育高度，保护含水层结构的稳定或短暂失稳后造成的水位下降在一定时间后能恢复不影响其供水能力的范围[16]。由于西部矿区多为高强度开采工作面，充填开采、条带开采、限高开采等技术方法会严重影响工作面正常生产;因此部分学者对开采覆岩裂隙发育及扩展规律进行了大量研究。王新丰提出了覆岩裂隙场存在卸压失稳、张裂破坏、萎缩变小、弥合封闭的时空演变过程[17]。贾后省通过相似模拟实验及现场实测分析了浅埋工作面纵向贯通裂隙的孕育、张开、闭合及压实规律[18]。

笔者通过对典型高强度开采矿区高家梁煤矿工程地质条件分析，实验测定了工作面顶板覆岩的微观结构及宏观力学性质;通过物理实验及理论分析，研究了工作面覆岩裂隙及结构特征;采用大地电磁，对覆岩破坏进行了探测，同时结合工作面地表裂缝发育特征，综合分析了高家梁煤矿覆岩岩性与裂隙特征。

1 采矿及水文地质条件

高家梁煤矿位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗，矿区地表植被稀疏，为半荒漠地区，生态环境脆弱，地表海拔标高为+1 435～+1 503 m。井田内赋存多层侏罗系煤层，共见可采煤层6层，目前主采2-2上和2-2中煤层。所选研究工作面为20313工作面，该工作面主采2-2中煤层，其上2-2上煤层未回采，平均煤层厚度4.0 m，煤层倾角1.5°，为近水平煤层，埋深149～205 m，平均177 m。根据地面钻孔勘探资料，高家梁煤矿2-2中上方地层由老至新发育有:侏罗系中下统延安组、侏罗系中统直罗组和安定组、白垩系下统泾川组和东胜组、第三系上新统和第四系全新统;其中，2-2中煤层位于侏罗系中下统延安组，工作面顶板以砂质泥岩与砂岩互层为主。

高家梁煤矿井田内无水库、湖泊等地表水体，但地表水系较发育，沟谷纵横，无常年地表径流，只有在雨季大雨过后形成短暂洪流。覆岩含(隔)水层情况如图1所示;根据地下水的水力性质及赋存条件，地下水可划分为松散岩类孔隙潜水含水岩组和碎屑岩类孔隙、裂隙承压水含水岩组。潜水主要赋存于黄土、砂土、冲洪积砂砾石、风积沙等，主要补给来源为大气降水，因大气降水补给量较小，补给条件较差，与下部承压水含水层水力联系较小。承压水含水层从白垩系志丹群顶部至侏罗系中下统延安组2煤组顶板泥岩，含水层岩性以砂岩为主，富水性弱，径流条件不良，在沟谷边缘地段转为潜水。2-2中煤层顶板隔水层主要以灰色砂质泥岩为主，隔水性较好。工作面开采对松散层内宝贵的水资源及覆岩内承压水含水层产生严重影响，破坏生态环境、威胁生产安全。

2 覆岩微观结构及物理力学性质

由于鄂尔多斯南部浅埋煤系岩层形成时期较晚，造成其微观结构、组分及宏观力学性质与东部矿井煤系岩层不同;通过实验获取砂质泥岩顶板微观结构和矿物组分及物理力学性质，分析砂质泥岩顶板采动裂隙特征。

2.1 微观结构分析

试验样品分别取自2-2上煤层与2-2中煤层间隔岩层砂质泥岩(称为试样1)、2-2上煤层顶板上方10 m(侏罗系延安组)、50 m(侏罗系直罗组)、70 m(侏罗系安定组)、90 m(白垩系泾川组)、110 m(白垩系东胜组)和130 m(第三系上新统)处砂质泥岩(分别称为试样2～7)，各岩样取样位置、特征及埋深如图1所示;采用JSM-6510LV高低真空扫描电子显微镜(SEM)对各试样分别放大1 000,2 000,5 000倍进行分析;部分放大1 000倍的电镜扫描照片如图2所示。

试样1,2微观结构及矿物组分相似。微观结构中高岭石呈管状、叠层状，叠加定向排列，常分布于长石颗粒表面，其形成与长石分解溶蚀具有密切关系，并发育完美晶形;绿泥石板片状集合体交织常附着于颗粒表面构成栉壳式薄膜，绒球状集合体常充填于粒间孔隙中。

试样3,4均为含有黏土矿物的岩石，微观结构相似;其伊/蒙混层矿物在岩石中颗粒表面呈片状、定向分布;高岭石多晶形较好，呈蠕虫状、书页状，薄膜式胶结的绿泥石较发育，多包绕在碎屑颗粒周围形成孔隙衬边。矿物组分中试样3绿泥石较多、伊利石较少。

试样5微结构中伊利石多呈碎晶形不完整，轮廓圆滑清晰，略具定向性;绿泥石主要呈片状或薄板状，厚度较大，晶体边缘不平直;伊/蒙混层表现为边缘模糊的半透明叶片或鳞片状。试样中伊利石、绿泥石和伊/蒙混层矿物含量较高，缺少高岭石，极少见蒙脱石。

试样6微观结构中伊利石有的呈弯曲片状和条状、晶形不完整、轮廓圆滑、略具定向性，以薄膜、衬边形式分布于颗粒表面;有的呈毛发状、细丝状、蜂窝状，以孔隙充填形式存在，偶见与蒙脱石相伴。砂岩中绿泥石有的呈片状或薄板状，晶体边缘不平直，呈花朵状。试样中伊利石、绿泥石含量较高，含少量蒙脱石和高岭石。

图2 砂质泥岩的电镜扫描图Fig.2 Electron microscopic scanning of sandy mudstone

试样7岩石中含有大量的黏土矿物，伊/蒙混层矿物在岩石颗粒表面呈片状、定向分布，局部有溶蚀空洞发育，高岭石和伊利石充填于岩石颗粒的微裂隙中。含有大量遇水膨胀黏土矿物，次要矿物有伊利石、高岭石和绿泥石等矿物。

2.2 物理力学性质

岩石试件取样位置与电镜扫描取样位置相同，试件为整齐的圆柱体，直径为54 mm，采用MTS815.03电液伺服岩石试验系统对上述试样分别进行物理力学性质测试，所测得试件的物理力学参数见表1。

表1 砂质泥岩顶板物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of sandy mudstone

图3 砂质泥岩抗压强度与埋深的关系曲线Fig.3 Curve of relationship between compressive strength of sandy mudstone and depth

由图3可知，不同地层组处砂质泥岩的单轴抗压强度相差不大，基本位于10～14 MPa，但随着深度的增加，砂质泥岩的单轴抗压强度有增大的趋势。

如图4所示。由图可知，在地表110 m以上，砂质泥岩的单轴抗拉强度相差不大，基本位于0.6～0.8 MPa，在地表110 m以下时，随着距地表深度的增加，砂质泥岩的单轴抗拉强度有增大的趋势。

图4 砂质泥岩抗拉强度与埋深的关系曲线Fig.4 Curve of relationship between tensile strength of sandy mudstone and depth

2.3 微观结构及矿物成分对宏观力学性能的影响

通过将上述测试结果进行对比，发现岩体微观结构、矿物成分对其宏观物理力学性能具有较大的影响。一般来说，岩体微观结构中点接触为不稳定接触，在外力作用下容易发生变形;而线接触、凹凸接触和缝合接触均为稳定接触，很难发生变形。胶结物的成分是影响单元体连接强度的重要因素，一般认为硅质胶结物的连接强度最高，钙质胶结物次之，泥质胶结物最差;从胶结类型看，基底胶结的胶结程度最高，孔隙胶结次之，镶嵌胶结和接触胶结最差。通过对比不同层位的砂质泥岩细观结构、矿物组分及物理力学性质，得到以下认识:

(1)随着与煤层距离的增大，岩石颗粒表面逐渐由片状、定向分布，转变为薄板状、条带状或毛发状，非定向分布;颗粒间接触逐渐由点-点、点-面接触转变为线-面、面-面接触，且颗粒体积有增大趋势;颗粒间空隙逐渐由绒球状集合体充填转变为无充填，再转变为局部有溶蚀空洞发育;伊/蒙混层的含量减小，伊利石和蒙脱石含量增大。

(2)砂质泥岩的物理力学参数普遍较小，并随着与煤层距离的增大而减小，由煤层至地表，砂质泥岩更易破断，断裂块度变小，断裂后接触面积更大，且遇水后颗粒体积膨胀，挤压颗粒间的孔隙，孔隙通道减小，使宏观通水性降低，有利于工作面安全保水开采。

3 保水开采的含(隔)水层结构破坏特征

3.1 相似模拟实验

为掌握20313工作面开采含(隔)水层结构破坏规律，以实际采矿地质条件为基础进行相似模拟实验。实验采用二维相似模拟实验台，模型长、高分别为4.0和194.2 m，根据相似模拟定律、实验台尺寸与现场开采条件，设计几何相似比为0.01，容重相似比为0.6;模拟材料以砂子云母为骨料，以石膏、碳酸钙为胶结物，根据岩层试件的抗压强度，选取合理配比。模型左右边界各留50 cm煤柱(实际50 m，为便于分析，文中以下描述均采用几何相似比换算后的实际尺寸)，20313工作面实际开采速度约为15 m/d，模型开挖速度为15 cm/2.4 h，尽量呈现工作面实际开采过程。

当工作面推进至45 m时，顶板发生初次垮落，同时上覆岩层开始出现明显离层;随着工作面的推进，覆岩破坏继续向上发展。当工作面推进至150 m时(图5(a))，此时覆岩内的裂隙包括采空区边界裂

图5 工作面覆岩及地表裂隙发育特征Fig.5 Development characteristics of overburden and surface cracks in working face

隙和采空区内的裂隙，采空区边界裂隙宽度约为0.3 m;采空区内裂隙和离层裂隙贯通，宽度约为0.2 m，地表存在的明显的拉伸裂缝，宽度约为0.1 m，覆岩破断角约为70 °;当工作面推进至165 m时(图5(b))，工作面前段的地表裂缝开始闭合，宽度小于0.1 m，覆岩裂隙向工作面前方发展传递，原覆岩裂隙闭合。当工作面推进至180 m(图5(c))，原地表裂缝开始闭合，且在前方出现新的裂缝，宽度约为0.1 mm;当推进至195 m时(图5(d))，原地表裂缝完全闭合，新发育地表裂缝扩展增大，采空区后方的覆岩裂隙进一步弥合。

实验模型一共开挖了300 m，覆岩及地表裂缝以张开、闭合、压实的过程重复向前发展，总体上覆岩含水层及顶板隔水层产生了一定程度破坏，但导通裂隙宽度较小，地表没有出现明显的塌陷裂隙。由于覆岩主要以砂质泥岩和细粒砂岩交互层存在，岩层总体强度较低;砂质泥岩以载荷层形式作用于下部硬岩层，硬岩层破断后，由于软弱岩层压实作用，裂隙最终闭合，有效降低了裂隙岩体的通水性。

3.2 理论分析

采用压力拱理论分析工作面开采后的覆岩破坏情况。近水平煤层开采下，工作面长度方向上压力拱基本呈对称形态，覆岩内应力拱轴线位于工作面覆岩弯曲带和采场周围未失稳煤岩体中，拱壳存在于尚未断裂的覆岩中，拱高一般大于采动覆岩裂隙发育的最大高度。为便于分析，取工作面长度方向平面压力拱结构模型进行分析，如图6所示，其中压力拱的拱高为h，跨度为b，工作面长度为l，煤层厚为m。

图6 工作面长度方向压力拱结构模型Fig.6 Pressure arch structure model along width of panel

将压力拱简化为三铰拱结构，取左半侧进行分析，如图7所示;拱上作用有垂直的均布载荷q，拱顶作用有右半拱OB段对左半拱OA段水平切向支撑力T，A点作用有支点水平反力P及垂直反力N，假设三铰拱为稳定的无弯矩状态。

图7 压力拱受力分析简化图Fig.7 Simplified force diagram of pressure arch

左半侧OA段拱在各种力的作用下处于平衡状态，根据体系平衡可得:

(1)

N=qb/2

(2)

P=T

(3)

(4)

压力拱处于极限平衡状态时在拱脚处的水平反力P由垂直反力N产生的摩擦力平衡，即

P=Nf

(5)

式中，f为岩体的坚固性系数，或称为似摩擦因数。

由式(3)，(5)得到

T=Nf

(6)

为保证拱在水平方向有足够的稳定性，须使T

2T=Nf

(7)

取拱轴线上任意一点(x，y)，由几何关系，得到压力拱的轴线方程:

(8)

工作面煤壁裂隙滑移面与采空区下部煤壁侧间的夹角为θ，由主动岩体压力理论得:

(9)

式中，φ为上覆岩层体的内摩擦角。

压力拱跨度b和高度h分别可表示为

b=l+2a=l+2mtan (45°-φ/2)

(10)

(11)

式中，H为煤层埋深。

大量研究表明工作面开采后基岩的破断移动区呈倒漏斗型[19]，而压力拱形态通常呈抛物线形或椭圆形，与实际呈现的倒漏斗型不完全相符。高家梁煤矿20313工作面顶板主要以软弱砂质泥岩和相对较硬的砂岩互层为主，而砂岩层对上覆泥岩层的变形和破坏起控制作用。当压力拱发育至硬岩层时，硬岩层会对压力拱形态产生影响，若硬岩层不破断，则压力拱拱顶位于关键层下部附近或位于关键层内的平顶状拱;若硬岩层破断失稳，基于该岩层断裂失稳位置会重新向上起拱，至形成稳定的压力拱结构或覆岩破坏发育到地表时为止，如图8所示。

图8 硬岩层对压力拱结构演化影响Fig.8 Influence of hard rock strata on the evolution of pressure arch structure

根据20313工作面实测地表移动数据，工作面最大下沉值为w=2.45 m;认为煤层开采后垮落带岩层垮落碎胀充填采空区，地表与裂隙带及弯曲下沉带岩层协同下沉;采厚m=4.0 m，Δm=m-w，垮落带岩层碎胀系数k取1.1，计算得到垮落带高度约为Hk=(m-w)/(k-1)=15.5 m，发育至厚12.1 m砂质泥岩位置(图9中序号5)。

图9 20313工作面钻孔柱状图Fig.9 Borehole columnar section of 20313 working face

20313工作面长度为300.5 m，根据工作面煤层覆岩物理力学参数，取覆岩的坚固性系数为1.3，覆岩的内摩擦角加权平均值为30 °;基于垮落带顶部位置计算压力拱高度，覆岩破断角为70 °，压力拱2对应的等效采厚Δm=1.55 m;根据几何关系由覆岩破断角计算得到裂隙带底部岩层在工作面长度方向上的垮落范围l1=289.2 m，计算得到压力拱2拱高h2=111.9 m，煤层埋深约177 m;因此，工作面开采后覆岩会形成稳定的压力拱结构，覆岩破坏不会与地表裂隙贯通，地表潜水不会直接与井下工作面贯通。

3.3 覆岩破坏大地电磁探测

3.3.1 探测原理及方案设计

大地电磁法是以天然电磁场为场源来研究地球内部电性结构的电磁法勘探技术。本次采用CAN-II型便携大地电磁探测仪(图10),其上一代CAN-I型仪器已成功用于覆岩破坏探测[20]。升级的CAN-II型仪器在硬件设计上采用能采集微弱信号的新型传感器，将接收到反应岩层密度、电阻率、孔隙率、胶结程度等性质的各类信号和场源信号变化信息，利用试验测试数据形成的模型，通过加权复合叠加成综合数值，并正演成连续曲线，软件处理时，针对曲线幅值、均匀度、平温度、疏密程度、幅值变化幅度等要素进行对比识别，利用大量测试数据和分析处理软件，反演成岩层剖面[21-22]。

图10 CAN-II型大地电磁探测仪Fig.10 CAN-Ⅱ magnetotelluric instrument

结合20313工作面地形及开采计划，在地表设置A,B,C三条大地电磁观测线，其中B,C线垂直于工作面走向方向，A线位于采空区走向的中心且平行工作面的推进方向，设置探测点的间距为10 m。2018-05-02进行了首次观测，5月5日工作面开始生产调试，8月5日对A,B,C三条线进行了复测，此时该区域下方煤炭已采出。20313工作面大地电磁探测点布置如图11所示。

图11 20313工作面大地电磁探测点布置Fig.11 Magnetotelluric measuring point layout in panel 20313

3.3.2 探测结果分析

从上述3条探测线中选取B线开采前后的CAN型综合值剖面云图进行分析(图12)，0～400 m分别对应测点B1～B41。

首先将工作面综合柱状与开采前CAN型综合值云图(图12(a))进行对比分析，由钻孔柱状煤层埋深约177 m，对应图12(a)中相应埋深位置有横向黄色带状区域，且该区域被上下两条连续曲线夹持，说明该区域即为煤层位置，上下连续曲线区域即为煤层顶底板位置。通过对煤岩层走势观察，在145～165 m区域煤岩层走势突然向上，且越靠近地表，等值线越密集且出现很多团状等值线，在该位置岩层更破碎;判断此处为一正断层，通过对比工作面回采地质图得到证实。在高程1 395～1 430 m区域I,II,III位置，存在3个较大的团状曲线，该区域岩层稳定性较差，各区域之间存在破碎带。水平165～400 m，对应高程1 405～1 455 m区域内岩层完整性显著优于0～165 m岩层。总体上:① 高程1 305～1 375 m岩层完整性较好，靠近地表的岩层约70 m范围内岩层完整性差，对照工作面综合柱状图，该范围内以新生界岩层为主;② 断层上盘侧岩层较下盘侧稳定性差。

图12 工作面开采前后CAN型综合值云图Fig.12 CAN-type comprehensive value cloud map before and after working face mining

图12(b)为工作面开采后CAN型综合值云图，对比采前探测结果，等值线密度增大、闭合现象明显增多，说明采后岩层的完整性遭到破坏;总体上断层上盘侧岩层破坏较下盘侧更为严重，其中区域I,II,III位置曲线云图变化最为明显，说明开采后该区域岩层塌陷严重。自煤层顶板至高程1 405 m范围内，由下到上曲线云图的密度和闭合现象减少，说明靠近煤层的岩层破坏更严重，与实际采动覆岩破坏规律一致。在断层下盘侧，高程1 405～1 465 m，曲线基本以平滑层状分布为主，说明该区域岩层破坏程度小;由于表土层的流动性及压实作用，采动裂隙闭合，靠近地表的曲线云图平滑层状分布情况较好。

通过上述分析，采动后总体上断层上盘侧岩层整体上破坏更严重，越靠近地表，采动破坏程度越小;在断层下盘侧，虽然采动后云图内出现了较多环状闭合曲线，但仍有平滑层状曲线包裹，说明采动覆岩的连续性分布较好，岩层内发育的裂隙数量较少且宽度较小。

4 工作面开采实践

通过上述相似模拟实验、理论分析、大地电磁探测及现场地表踏勘发现，总体上工作面开采后覆岩含(隔)水层整体上均出现了一定程度的破坏，但破坏程度较小;自顶板至地表的岩层由于覆岩内存在大量的软弱砂质泥岩，采动后覆岩裂隙发育程度低，且裂隙弥合较好，且由于地表潜水及覆岩承压水富水性较弱，之间水力联系小，承压水含水层径流条件差，极大的降低了工作面开采的风险性。

20313工作面开采过程中对工作面地表裂缝进行了观测。工作面地表多以细小拉伸或挤压裂缝为主，裂缝总体数量不多，选择了16条较为明显的地表裂缝进行了持续观测。主要包括超前于工作面发育的拉伸型裂缝、工作面正上方的台阶裂缝及坡体上发育的滑动型裂缝。基本上所有裂缝经历了“张开-扩展-闭合”完整发育过程(图13)，仅采空区边界裂缝没有完全闭合。裂缝发育周期最长的为15 d，最短为7 d;裂缝宽度最大为6.3 cm，台阶落差最大为8.7 cm。裂缝间隔平均约为13.95 m，实测工作面周期来压步距约为15.8 m，基本与工作面周期来压步距吻合。由于地表裂缝宽度及台阶落差较小，且裂缝闭合良好，说明覆岩没有出现全厚切落现象。

图13 工作面地表裂缝张开-闭合过程Fig.13 “Open-close” law of surface cracks in panel 20313

截至2018-09-10，20313工作面已安全回采超过700 m，井下正常涌水量为0.5 m3/h，最大涌水量为1.5 m3/h，地表植被生长及分布情况与开采前基本一样，说明工作面开采的安全性及地表生态基本不受影响。

5 结 论

(1)通过砂质泥岩顶板细观结构和矿物组分及物理力学性质测试，越靠近煤层，岩石颗粒越小，颗粒间孔隙随之减小;砂质泥岩顶板强度较低，断裂块度小且相互挤压，孔隙通道减小，使宏观通水性降低，有利于工作面保水安全开采。

(2)采用物理实验、理论分析、大地电磁探测及现场踏勘对工作面开采后覆岩破坏情况分析，开采后覆岩裂隙没有直接贯通地表，总体上裂隙发育宽度小，且存在弥合，增加了保水开采的安全性。

(3)20313工作面含水层地表潜水及覆岩承压水富水性较弱，之间水力联系小，承压水含水层径流条件差，且覆岩采动裂隙具有弥合性，工作面井下没有出现突水溃砂事故，工作面实现了安全开采。

致谢河南景惠科技有限公司在覆岩破坏大地电磁探测上提供了帮助，现场工作得到了高家梁煤矿领导的大力支持，在此一并表示衷心感谢！