告成矿滑动构造下导水裂隙带高度分析

宋常胜,郝宇,孙恒山

(河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

当前，我国经济发展进入新常态，全面实现科学采矿的目标迫在眉睫，但由于煤矿开采地质条件十分复杂，开采难度不断增大，面临的各种采动灾害使我国煤矿安全生产问题依然十分严峻，其中，开采技术不完全适应复杂的开采地质条件是我国煤矿安全生产形势严峻的一个重要原因[1]。滑动构造是上盘岩层在重力作用下沿着倾斜面由高向低滑动而形成的[2]。由以往研究可知，在该地质构造下往往赋存大量的煤炭资源[3-4]。如河南省西部煤田大量的煤炭赋存[5]是由于新生代时期的断块掀斜将煤炭抬升，同时又将断块内的次级断层向深部推移形成滑动构造，使滑动构造成为豫西煤炭赋存的标志。芦店滑动构造区是豫西滑动构造的典型案例，在复杂的地壳运动下，早期的上覆系统由北向南滑动，晚期由南向北滑动，造成了滑体上盘覆岩倾向与煤层反倾即覆岩反倾的特殊地质构造[6]。

随着煤炭的大量采出，采空区附近上覆岩层应力重新分布，上覆岩层发生移动与破坏，发育形成的冒落带和裂隙带都会成为含水层的水源涌入井下的通道，影响矿井的安全生产。水体下保水采煤技术是煤炭绿色安全开采的重要内容，掌握地层中含水层的水源类型、覆岩特征和采动后导水裂隙带发育高度至关重要。当前，水体下采煤理论和工程实践已经取得了大量研究成果，钱鸣高院士等[7]提出了关键层理论，详尽阐释了关键层对于上位岩层的控制作用；王晓振等[8]、许家林等[9]基于关键层理论，对采动覆岩导水裂隙的动态发育规律进行了系统研究，得到上覆岩层中不同区域关键层破断结构形态及其稳定性对导水裂隙发育的影响。通过理论研究、数值模拟和相似材料模拟，辅助以钻探和物探等多种方法加以验证，可以较为准确地确定导水裂缝带发育高度。文献[10-11]为确定导水裂隙带的上限及其是否导通地表水体，采用地面钻孔中进行超声成像观测和井下钻孔中进行并行网络电法CT观测；文献[12-14]获取导水裂隙带高度利用了钻孔进行中冲洗液漏失量变化及钻孔钻进工程中掉钻、卡钻的位置等信息。近年来，也涌现了许多诸如PCA-BP神经网络模型[15]，GA-SVR预测模型[16]，QGA-RFR模型[17]等预测方法。《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[18](以下简称《规范》)也推荐了一组计算导水裂隙带高度的经验公式，在我国的华北、西北等地区且煤层赋存状态较为简单的地质条件下得到了较好的应用，但在特定开采条件下，如巨厚煤层下的放顶煤开采[9]，非充分采动坚硬顶板条件下开采[19-20]及深埋特厚煤层下的综放开采[21]等，预计的导高与实际有时偏差较大。近年来，学者研究了滑动构造条件下的煤炭开采理论。例如，王兴开等[22]研究了滑动构造区极松软煤层巷道围岩大变形控制机制；许国胜等[23]发现了滑动构造下开采地表移动变形的特殊现象；王志荣[4]深入研究了原煤和构造岩顶板遇水后的泥化特征以及主滑面断层泥的隔水作用；王恩营等[24]分析了豫西白坪矿滑动构造带的应力分布与动力现象，等等。本文将滑动构造这一特殊地质构造作为研究对象，将上覆岩层信息数字化，建立了GMS(grounder modeling systems)三维地质模型，研究滑动构造的分布状况等重要信息，并基于此分析滑动构造下的导水裂隙带发育高度。

本文采用GMS三维地质建模软件，研究了告成煤矿滑动构造分布特征，结合“岩层拉伸率”分析、离散元数值模拟软件3DEC(3-dimension distinct element code)，与《规范》中的经验公式进行对比分析，深入研究滑动构造条件下导水裂隙带发育高度，以期为开采设计提供科学依据，提高井下安全生产水平。

1 告成矿滑动构造地质特征

告成矿属郑州煤电股份有限公司，其井田属于登封煤田，华北沉积类型。矿区内二1和一1煤层为可采煤层，且近乎全矿均位于芦店滑动构造区内(图1)，具体表现为二1煤层附近地层发生构造破碎，特别是煤层上部地层普遍存在较厚的构造破碎带，呈现破碎、节理裂隙发育等特点。告成矿25采区除了具有滑动构造的典型特征外，在地壳运动的作用下，滑体上盘覆岩倾向与下伏二1煤层相对而倾，形成了覆岩反倾的特殊地质构造[6]，如图2所示。

1.1 25采区GMS三维地质模型

为了获知滑动构造带及反倾覆岩的构造影响范围，使用GMS软件中的三维地质建模模块，经钻孔数据资料数字化，并引入虚拟钻孔及空间插值算法，得到告成矿25采区的三维地质模型图[25](图3)。图3中可清晰看出各岩层由下至上的分布情况，其中，标注的工作面位置为其真实位置在地表上的投影。

图1 芦店滑动构造分布

Fig.1 Distribution of Ludian sliding structure

图2 A-A′剖面图

图3 25采区三维地质模型

1.2 25采区反倾覆岩的产状研究

对比图4和图5，利用已经得到的GMS三维地质模型进行分析，可直观测算告成矿地质构造中的反倾夹角。据详细测算，25采区内二1煤层与上覆岩层南北方向反倾夹角为3°～32°，东西方向反倾夹角为2°～29°。25采区内全部为滑动构造压煤，在整个采区内，滑动构造破碎带以较厚且软弱的断层角砾岩及断层泥的形式赋存，最大厚度可至64.6 m。

图4 沿正西方向的煤层与岩层夹角测算图

图5 沿正北方向的煤层与岩层夹角测算图

2 告成矿滑动构造下导水裂隙带高度分析

由资料可知，滑动构造主滑面主要位于二1煤层之上，上覆岩层因重力沿滑面由高向低滑动，造成了顶板的泥岩、砂质泥岩等破损严重。告成矿现场地质报告和揭露顶板等资料显示，大部分顶板岩层节理较发育，岩体强度低且呈易碎裂特征。在复杂的地壳运动下，滑动构造区滑体附近伴有地层缺失现象，大约有75%的煤层顶板受其影响。资料显示，在告成矿滑动构造影响下，主要赋存2种类型顶板，即由砂质泥岩为主构成的原生顶板和由重力滑动形成的极为破碎的构造顶板。两者的覆岩强度及节理发育程度均有较大差别。从影响因素看，覆岩破坏高度与其力学性质密切相关。在相同的采煤条件下，覆岩强度是决定覆岩破坏的主要因素，也是影响导水裂隙带发育高度的主要因素。从预计方法的角度出发，当煤炭采出后，上覆岩层发生弯曲下沉，岩体内随之产生离散性随机分布的裂隙，发育程度是表征导水裂隙带发育高度的重要参数；规范中的经验公式是预计导水裂隙带高度的常用方法，在我国煤炭开采实践中广泛应用。本节选取告成矿2种不同顶板条件的工作面为研究对象，采用多种方法对其导水裂隙带发育高度进行深入研究。

2.1 滑动构造下工作面顶板覆岩强度分析

图6和图7分别是位于25001及21031工作面内，距顶板100 m以内的钻孔柱状图。分析可知：25001工作面的原生直接顶被软弱破碎的断层角砾岩所替代，其上方被细粒砂岩、砂质泥岩等覆盖；21031工作面则保留了原生直接顶，上方岩层被软弱破碎的滑动构造带所侵蚀。根据研究，在水体下采煤覆岩可按坚固性系数f进行强度分类，覆岩的坚固性系数计算式为

f=R/10，

(1)

式中，R为岩石的单轴抗压强度，MPa。

图6 12802钻孔柱状图

岩石的单轴抗压强度由实验室力学试验得到，断层角砾岩节理发育且软弱破碎，在试验中无法制成岩样，属软弱型岩层。经计算可得，以砂质泥岩为主的顶板岩层坚固性系数f为4.73，属于坚硬型岩层。从顶板组合类型看，25001工作面直接顶板为软弱岩层，基本顶为坚硬岩层，属软弱-坚硬型顶板；21031工作面直接顶板为坚硬岩层，基本顶为断层角砾岩构成的软弱岩层，属坚硬-软弱型顶板。

2.2 岩层拉伸角度下导水裂隙带发育高度分析

煤炭开采后为上覆岩层的弯曲下沉提供了空间，当岩层的可下沉空间为0时，岩层没有足够的下沉空间，此时下部岩层的垮落将采空区全部填充，岩层不会发生变形，也不会产生贯通的导水裂隙。因此，判断某岩层是否应划入导水裂隙带范畴的必要前提是该岩层的最大可下沉量须大于0。研究可知，各个岩层的最大可下沉量与其残余碎胀系数密切相关，煤层之上的第i层岩层的最大可下沉量Si[26]由式(2)计算，即

图7 12606钻孔柱状图

Fig.7 12606 borehole columnar section

(2)

式中：M为开采煤层的厚度，m；hz为直接顶的厚度，m；Kz为直接顶的碎胀系数；hi为下位第i层岩层厚度，m；Ki为下位第i层岩层的碎胀系数。

根据研究，岩层的中间层[27]是指距上、下层面距离相等，且在其纵向剖面上既不受拉、又不受压的过渡层面的中间层面。岩层裂隙发育导水性能与岩层中间层拉伸变形之间存在着直接的因果关系。岩层的拉伸破坏特征可通过岩层中间层边缘曲线拉伸段的拉伸量与其原有长度的比值，即岩层拉伸率ε界定[28]，

ε=Δl/l0,

(3)

其中，

Δl=l1-l0,

(4)

式中：Δl为岩层边缘曲线拉伸段的拉伸量，m；l1为曲线拉伸段中间层的弧长，m；l0为曲线拉伸段变形前的长度，m。

假设以直接顶之上的第n层为分析岩层，则l0与l1可由式(5)～(6)计算[27]：

l0=H(cotδ0+cotψ3)，

(5)

π/(180×2wi)，

(6)

其中wi及H由式(7)～(8)得

wi=Si，

(7)

(8)

式中：H为所分析岩层的中间层层位高度，m;hi(i=1，2，…，n)为煤层之上的第i层层厚，m；wi为煤层之上第i层岩层的中间层最大可下沉量；h0为所分析岩层的层厚，m；δ0为煤层采动边界角，(°)；ψ3为充分采动角，(°)。

文献[22]通过对大量工作面数据进行测算,给出了层向临界拉伸率的判据值，即软弱岩层大于0.4%，中硬岩层为0.1%～0.24%，坚硬岩层为0.04%。导水裂隙带发育高度主要有2个判据,即岩层最大可下沉量和岩层拉伸率得出。将式(2)和式(3)分别进行计算，当结果均满足判据时，可计算出导水裂隙带发育高度。

2.3 基于岩层拉伸率的导水裂隙带发育高度计算

基于上述分析，选取区域内25001和21031工作面为对象进行研究。根据以往研究可知，在一定高度范围内，岩层平均碎胀系数k0与距开采煤层距离hm间的关系[29]可参考式(9)，

k0=kz-0.017lnhm，(hm<100)，

(9)

式中：k0为所分析岩层的平均碎胀系数；kz为直接顶的残余碎胀系数；hm为所分析岩层距离开采煤层的距离，m。

研究可知，覆岩的平均坚固性系数f可以表征覆岩类型。其中当f>6，岩层为坚硬岩层；当f为3～6，岩层为中硬岩层；f<3，岩层为软弱地层。《规范》中覆岩平均坚固性系数f可由式(10)得到，

(10)

式中：f为覆岩平均坚固性系数；di为覆岩第i层岩层的法向厚度，m；Ri为第i层的单向抗压强度，MPa.

经式(10)计算，可得25001工作面上覆岩层平均坚固性系数f=5.97，21031工作面上覆岩层平均坚固性系数f=4.97。其计算得到的f均位于3～6，表明其覆岩类型均属于中硬岩层。由于缺少本矿区参数的经验值，参考《煤矿开采损害与保护》[30]中峰峰矿区的典型曲线预计参数，在中硬覆岩条件下，两工作面的cotψ3取0.577，25001工作面cotδ0可取0.7，21031工作面cotδ0可取0.577。直接顶的平均碎胀系数参考《矿山压力与岩层控制》[31]并结合现场得出，其中，25001工作面直接顶平均碎胀系数取1.08，21031工作面直接顶平均碎胀系数取1.15。

依据上述公式计算，可分别得到25001工作面及21031工作面的不同顶板类型下的岩层拉伸率，如表1和表2所示。

表1 12802钻孔柱状图的岩层拉伸率计算结果

表2 12606钻孔柱状图的岩层拉伸率计算结果

由表1和表2可知，随着中间层层位高度变大，其各岩层的层向拉伸率越来越小。由上述分析可知，两工作面上覆岩层均属于中硬岩层，因此，参考层向临界拉伸率的判据值，以大于0.2%作为导水裂隙带岩层层向拉伸率的判据。

结果显示，如表1所示，4号砂质泥岩厚度较大，其最大可下沉空间相较岩层厚度较小，计算结果层向拉伸率小于0.2%。而3号细粒砂岩中间层可下沉量大于0，为3.01 m，有足够的下沉空间，其层向拉伸率为1.08%，大于0.2%。因此，3号细粒砂岩应划入导水裂隙带的范畴，4号砂质泥岩则不在其列，导水裂隙带最终发育高度应为1～3号岩层层厚之和，即距顶板23.7 m；同理，如表2所示，10号砂质泥岩应划入导水裂隙带范畴，11号中粒砂岩则应划入弯曲下沉带，导水裂隙带最终发育高度应为1～10号岩层的层厚之和，即距顶板48.98 m。

2.4 基于经验公式的导水裂隙带发育高度计算

《规范》[18]中为水体下开采成功的矿区提供了两个计算导水裂隙带高度的参考公式。从安全角度出发，实际生产中往往将计算结果中的最高值作为导水裂隙带高度选取的参考。考虑到两工作面上覆岩层主要由泥岩与砂岩构成，经岩层平均坚固性系数计算后，可知地层属于中硬岩层，引用式(11)和式(12)对工作面采后的导水裂隙带进行预计，

(11)

(12)

式中：H导为导水裂隙带高度，m；∑M为累积采厚，m。

经式(11)～(12)计算，可得25001工作面导水裂隙带预计高度，分别为35.1～46.3 m和50.98 m，选取最高值，25001工作面导水裂隙带预计高度为50.98 m；21031工作面导水裂隙带预计高度分别为43.2～54.4 m和66.78 m，选取最高值，21031工作面导水裂隙带预计高度为66.78 m。

3 导水裂隙带发育高度的数值模拟分析

3DEC是由美国ITASCA公司开发，基于离散模型的显示单元法三维计算分析程序，可模拟各种煤岩体介质在动态及静态载重下的受力及位移。研究中使用3DEC进行数值模拟计算，根据告成矿地质条件建立了2个数值模型，分别代表25001和21031工作面及上覆煤系地层的地质情况。模型大小均为长(X方向)×宽(Y方向)×高(Z方向)=300 m×2 m×100 m，模型两侧各预留50 m过渡区；正X方向代表回采作业空间推进方向，对模型添加约束条件后，在模型顶面施加垂向应力，以模拟模型上覆岩体重力。本次模拟的相关参数如表3～4所示。

图8和图9分别为模拟开采25001及21031工作面达到充分采动时的裂隙分布情况，并用线将裂隙的范围圈出。其中，所圈区域既有沿层面产生的离层裂隙，也有贯穿岩层的竖向裂隙，圈外虽然存有少量裂隙，但是多为沿层面的离层裂隙，并不能与下方导水裂隙带的裂隙连通，故不属于导水裂隙带范畴。

表3 覆岩物理力学参数

表4 覆岩接触面力学参数

图8 25001工作面裂隙分布

图9 21031工作面裂隙分布

软件模拟开采中，在各层岩层的中间层布置测线，得到如图10～11所示的不同工作面开采后上覆岩层在竖直方向的位移量图。

研究可知，可根据岩层位移的不协调性,分析导水裂隙带高度[32]。以图10为例，从整个过程看，距顶板约30 m的上部岩层移动过程具有连续性和整体性，符合弯曲下沉带的岩层移动特征；而距顶板30 m下部岩层的下沉量具有不协调性，符合裂隙带的岩层移动特征。因此，可以判断12802钻孔工作面上方30 m为裂隙带和弯曲下沉带的分界。同理，如图11所示，可以判断12606钻孔工作面上方50 m为裂隙带和弯曲下沉带的分界。

图10 25001工作面上覆岩层在竖直方向上的位移

图11 21031工作面上覆岩层在竖直方向上的位移

4 导水裂缝带发育高度的比较分析

将岩层拉伸率公式计算结果、经验公式计算结果与数值模拟分析结果分别列于表5。

由表5简单对比可知，《规范》中经验公式计算导水裂隙带最大高度值较其他2种方法的大。这是因为经验公式是采厚及上覆岩层整体岩性的函数，代表了常规地质开采条件下导水裂隙带发育高度，整体岩性强度的均化处理从计算结果中弱化了滑动构造带的软弱属性，并没有考虑顶板覆岩力学性质对覆岩破坏高度的影响。岩层拉伸率公式及3DEC数值模拟分别将每个岩层或每个离散块体作为对象进行计算分析，考虑了顶板岩层在内的所有岩层，在一定程度上，能够反映各个具体工作面的导水裂隙带发育情况。

研究可知，上覆岩层中较厚的软弱岩层，在采动影响下易产生变形但不易断裂，导致岩体破坏高度较小。告成煤矿区域内滑动构造主滑动面一般距离煤层顶板较近，主要由断层角砾岩及断层泥带组成，韧性较强，遇水则迅速泥化，软弱破碎节理裂隙发育。从岩体的破坏高度看，上覆岩层有较厚的软弱层时岩体的破坏高度比坚硬时小，对水体下采煤反而有利。《规范》中的经验公式是在大量实践基础上统计得到，满足了我国大多数矿井条件水体下采煤设计的要求，在一定程度上其预计值可以视为常规地质条件下的导水裂隙带发育高度。上述2个工作面的案例中，软弱的滑动构造带在导水裂隙向上发育过程中起到了适当的隔水作用，导致“岩层拉伸率”与数值模拟得到的导高值均在较大程度上小于《规范》中经验公式预计结果，反映了滑动构造影响下的导水裂隙带高度小于一般煤系地层下的。

表5 多方法下导水裂隙带发育高度的预计结果对比

从影响因素看，上覆岩层的层位状况及顶板的覆岩组成同样对导水裂隙带高度有较大影响。25001工作面属于软弱-坚硬型顶板类型，其直接顶在滑动构造的影响下被侵蚀，在煤体开挖后，直接顶随采随冒，由于其平均碎胀系数较小，冒落后为上覆岩层留下较大的下沉空间。裂隙继续向上发育至4号砂质泥岩时，其中间层可下沉量仅剩2.46 m。由于25001工作面上方的4号砂质泥岩近32 m厚，使4号砂质泥岩主要以变形为主，不易发生断裂形成由下至上贯通的导水裂隙，继而符合弯曲下沉带的岩层移动特征，说明了巨厚岩层裂隙的贯通与否也极大地影响着覆岩破坏高度，反映了上覆岩层层位状况对覆岩破坏高度的影响。这种影响在岩层拉伸率公式及数值模拟中表现得尤为突出：表1中砂质泥岩构成的4号岩层拉伸率仅为0.15%，小于拉伸率判据，且在25001工作面裂隙分布图中显示4号岩层没有竖直向上的贯通裂隙；21031工作面顶板属于坚硬-软弱型，煤体开挖后，直接顶随之垮落，其平均碎胀系数较大，且具有一定的承载能力，一定程度上减小了上覆岩层的可下沉空间。由于垮落过程得不到充分发展，断裂带高度较小。从层位状况角度看，工作面上方有厚至15.35 m的滑动构造带，在采动影响下，其裂隙形成后又被重新压实闭合，在导水裂隙带向上发育过程中起到“隔水”作用，也导致其导水裂隙带高度相对较小。

从预计结果看，在滑动构造下的导高值预计结果中，岩层拉伸率公式与数值模拟的结果相互印证，有较高的准确度。与《规范》中的经验公式预计结果相比，其预测值较小，特别是25001工作面导水裂隙带高度经验计算值是其他方法结果的近2倍，这反映在滑动构造条件下，传统经验计算公式已不适合分析计算其“两带”高度，而岩层拉伸率公式及数值模拟能为工程提供较为可靠的数据参考。考虑到数值模拟计算的参数可会造成计算值与真实值存在一定的误差，因此，在工程应用中应结合矿井的实测资料，拉伸率计算及数值模拟的方法对“两带”高度进行探测，确保工程安全可靠。

5 结 论

(1)利用GMS软件得到25采区三维地质模型上覆反倾岩层的沉积情况：25采区内二1煤层与上覆岩层南北方向反倾夹角为3°～32°，东西方向反倾夹角为2°～29°，且25采区全部为滑动构造压煤，滑动构造具有较厚且软弱的特点，其厚度最大可达64.6 m。

(2)通过岩层拉伸率计算，得到25001和21031工作面导水裂隙带高度，可达到距顶板23.7 m和48.98 m，数值模拟试验结果与其基本吻合，结果相互验证，反映了从岩层拉伸率及数值模拟角度进行滑动构造条件下导水裂隙带高度预计的可行性。

(3)滑动构造条件下，较厚的软弱层主要以变形为主，不易发生断裂，不能形成由下至上的贯通型导水裂隙，该情况下导水裂隙带高度小于一般煤系地层下的。《规范》中经验公式应用时应需要考虑覆岩的层位状况、覆岩的力学性质和顶板覆岩的组成。滑动构造主滑面韧性较强，遇水迅速泥化，本身是较好的隔水层，且距离煤层较近。在采掘过程中，需要遵循以防为主，有疑必探，先探后掘的放水原则。