基于关键层位置的敏东一矿导水断裂带高度预测

周 光，赵富强，马正龙，鞠金峰

(1.神华国能集团，北京 100033； 2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116； 3.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116； 4.中国矿业大学 物联网(感知矿山)研究中心，江苏 徐州 221008)

岩层采动导水裂隙是煤矿突水的通道。若导水裂隙与富水性强的含水层连通，则水体会大量涌入，将给矿井带来极大威胁[1]。伊敏河东矿区第一煤矿(以下简称敏东一矿)煤层上覆有强含水层和较厚软弱岩层[2-3]，煤层厚度超过8 m，采用综放开采，导水断裂带发育高度大[4]。工作面推进过程中，导水裂隙很可能沟通强含水层，造成突水事故。在敏东一矿南一盘区首采工作面开采过程中，工作面总涌水量接近900 m3/h，严重影响了矿井的安全高效生产。为了查明涌水来源，预测矿井涌水量，需要对导水断裂带发育高度进行准确的判断。

近年来，有许多学者做了大量工作，研究出多种预测导水断裂带高度的方法[5]，如经验公式法[6]、数值模拟法[7-8]、现场实测法[9]等。其中，现场实测法有钻孔冲洗液漏失法[10]、井下仰孔双端封堵测漏法[11]、电阻率法[12]等。目前预计覆岩导水断裂带高度普遍采用的是《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(以下简称《规范》)中的统计经验公式[13]，然而，统计经验公式对于大采高的综放开采适用性并不强。笔者以敏东一矿首采盘区的4个工作面为研究对象，采用基于关键层位置的导水断裂带高度预计方法对导水断裂带高度进行预计算[14- 15]，判断涌水情况，并为类似开采条件下的导水断裂带高度确定提供参考。

1 地质概况与开采条件

伊敏河东矿区位于大兴安岭西坡、呼伦贝尔草原伊敏河中下游的东侧。敏东一矿于2008年建矿，设计规模500万t/a，矿井服务年限100.6 a。敏东一矿首采盘区为南一盘区，采煤方法为综合机械化放顶煤开采。该矿所处地形为大兴安岭西坡丘陵地带，西北低，东南高，地表相对高差为95 m。南一盘区煤层平均倾角为5°，东翼首采煤层为16-3煤，埋深340～440 m，煤层厚度为7.60～15.00 m；西翼首采煤层为16-3上煤，埋深300～350 m，煤层厚度为5.15～17.05 m。根据敏东一矿南一盘区采掘工程平面图，南一盘区共划分4个工作面，依次为Ⅰ0116301、Ⅰ0116302、Ⅰ0116303和Ⅰ0116304工作面(以下简称为01、02、03、04工作面)，首采工作面为01工作面。01工作面长196 m，推进长度为1 280 m；02工作面长196 m，推进长度为1 742 m；03工作面长246 m，推进长度为1 200 m；04工作面长196 m，推进长度为 1 873 m。4个工作面的布置情况如图1所示。

图1 工作面布置及钻孔分布情况

矿井水文地质类型为复杂型。煤系地层隔水层可分为4层：15煤层组顶板隔水层岩性为泥岩、粉细砂岩，厚度0～122.00 m，平均7.79 m；15煤层组层间隔水层岩性为泥岩、粉细砂岩，厚度0～214.30 m，平均43.48 m；16煤层组顶板隔水层(16-1煤层顶板)岩性为泥岩、粉细砂岩，厚度0～66.30 m，平均 19.98 m；16煤层组层间(16-1至16-3煤层层间)隔水层岩性为泥岩、粉细砂岩，厚度1.83～131.00 m，平均54.60 m。

矿井主采煤层充水含水层为煤系地层中煤层顶板及煤层间的砾岩和砂砾岩。含水岩组从上而下分为3组[16]，分别为15煤层组顶板及层间砂砾岩、砂岩含水岩组(Ⅰ含)，16煤层组顶板砾岩、砂砾岩含水岩组(Ⅱ含)和16煤层组间砾岩、砂砾岩含水岩组(Ⅲ含)。

Ⅰ含岩性以砂砾岩、中粗砂岩为主，凝灰质胶结，富水性强。其单位涌水量q=1.412～2.153 L/(s·m)，渗透系数K=1.62～3.79 m/d，水化学类型为HCO3-Cl-Na-Ca型水，矿化度0.349 g/L，地下水类型为承压水，水位标高+650.157～+672.34 m，水压为0.8～1.2 MPa。首采盘区西翼内Ⅰ含与16-3上煤层距离104.05～176.90 m，平均146.27 m；首采盘区东翼Ⅰ含距离16-3煤层120.30～232.22 m，平均176.20 m。

Ⅱ含岩性以砾岩、砂砾岩、粗砂岩为主，凝灰质或泥质胶结，富水性强。其单位涌水量q=1.061～6.896 L/(s·m)，渗透系数K=1.26～8.33 m/d，水化学类型为HCO3-Cl-Na-Ca型水，矿化度0.208～0.562 g/L，地下水类型为承压水，水位标高为+622.352～+653.287 m，水压为1.5～1.8 MPa。首采盘区西翼Ⅱ含与16-3上煤层的间距为43.30～111.65 m，平均89.84 m；首采盘区东翼 Ⅱ 含与16-3煤层的间距为113.20～154.30 m，平均120.00 m。

Ⅲ 含岩性以砾岩、砂砾岩及中、粗砂岩为主，凝灰质或泥质胶结，富水性较 Ⅰ 含、Ⅱ 含弱些，但仍具强富水性。其单位涌水量q=0.146～1.378 L/(s·m)，渗透系数K=0.28～1.71 m/d，矿化度0.208～0.562 g/L，水化学类型为HCO3-Cl-Na-Ca型水，地下水类型为承压水，水位标高+628.996～+660.225 m，水压为2.3～2.6 MPa。首采盘区西翼Ⅲ含与16-3上煤层间距为0～88.55 m，平均24.37 m；首采盘区东翼Ⅲ含与16-3煤层间距0～99.81 m，平均34.22 m。

由含水层的赋存情况可知，含水层数量多，富水性强，部分区域Ⅲ含甚至与煤层相接，这使得煤层在开采过程中容易沟通含水层。而且，01工作面在开采过程中曾发生过突水事故，被迫停产。因此，必须考虑含水层对井下开采环境的影响。这就需要对工作面的导水断裂带发育高度进行预计，从而指导井下安全高效生产。

2 南一盘区采动覆岩导水断裂带高度预计

2.1 基于关键层位置的导水断裂带高度预计方法

《规范》中推荐的统计经验公式[13]是刘天泉院士在大量实测数据统计基础上得出的，一定程度上满足了我国煤矿水体下保水采煤设计的要求。其计算方法将覆岩岩性分类为坚硬、中硬、软弱、极软弱等类型，分别采用不同的统计经验公式(仅含煤层采厚参数)进行导水断裂带高度的预计。由于覆岩岩性的分类是将所有不同岩性岩层进行强度和厚度的加权平均后获得，基于数学均化的思路，因此，该经验公式掩盖了关键层在覆岩破断运动中的控制作用，从而导致在某些特定开采条件下的预计结果与实际偏差较大[14]。

为此，许家林等[14-15]结合覆岩关键层运动对导水裂隙演化的影响规律，提出了“基于关键层位置的导水断裂带高度预计新方法”。其具体判别流程为：根据地质勘探得到的具体覆岩柱状，采用关键层判别软件KSPB[17-18]进行覆岩关键层位置的判别，然后从开采煤层顶界面开始判断覆岩7～10倍采高范围外是否存在关键层：若存在，则导水断裂带高度为7～10倍采高范围外第1层关键层底界面至煤层间的距离；若不存在，则导水断裂带高度将大于或等于基岩厚度。该预计方法的可靠性已得到现场多个工程案例的验证[19-20]。笔者将采用该方法对敏东一矿南一盘区 4个工作面的导水断裂带高度发育情况进行预计。

2.2 不同工作面覆岩导水断裂带高度预计

首先，采用关键层判别软件KSPB对南一盘区的钻孔柱状进行关键层位置判别，判别结果如图2所示。

01工作面实际采高为5 m，按10倍采高计算，得到的关键层破断裂缝贯通临界高度为50 m。根据图2(a)46-17钻孔判别结果，主关键层距煤层高度为106.80 m，导水裂隙不会发育至基岩顶界面。亚关键层1和亚关键层2均在临界高度以内，其破断裂缝是贯通的，所控制的上覆岩层破断裂缝也是贯通的；临界高度外的第1层关键层为亚关键层3，则导水断裂带发育至亚关键层3底界面，高度为82.80 m。

02工作面实际采高为7.7 m，按10倍采高计算，得到的关键层破断裂缝贯通临界高度为77 m。根据图2(b)56-22钻孔判别结果，主关键层距煤层高度为131.36 m，故导水断裂带发育至临界高度上第1层关键层底界面。亚关键层1在临界高度以内，其破断裂缝是贯通的；亚关键层2是临界高度外的第1层关键层，则导水断裂带高度为83.06 m。

(a)46-17钻孔关键层判别结果

(b)56-22钻孔关键层判别结果

(c)44-21钻孔关键层判别结果

(d)52-20钻孔关键层判别结果

03工作面实际采高为4 m，按10倍采高计算，得到的关键层破断裂缝贯通临界高度为40 m。根据图2(c)44-21钻孔判别结果，主关键层距煤层高度为60.20 m，亚关键层1和亚关键层2均在临界高度以内，亚关键层3为临界高度外的第1层关键层，则导水断裂带发育至亚关键层3底界面，高度为45.65 m。

04工作面实际采高为5.3 m，按10倍采高计算，得到的关键层破断裂缝贯通临界高度为53 m。根据图2(d)52-20钻孔判别结果，主关键层距煤层高度为111.45 m，亚关键层1在临界高度以内，其破断裂缝是贯通的；亚关键层2为临界高度外的第1层关键层，则导水断裂带高度为61.10 m。

3 工程实践验证

预计的导水断裂带高度是否正确，还需要实际检验。通过现场开采的实际情况及钻孔冲洗液漏失法测量结果，从侧面验证预计结果的准确性。

对于01工作面，Ⅲ含距煤层高度为8.72 m，Ⅱ 含距煤层高度为97.48 m，而预计的导水断裂带高度为82.80 m。故导水断裂带将贯通Ⅲ含，未沟通Ⅱ含。因此，判断开采时涌水量应不大，当开采一定距离后，涌水量应会突然增大。01工作面实际生产中，推进到16 m时涌水量由60 m3/h突然增至650 m3/h，这种明显变化是导水断裂带沟通Ⅲ含的结果。并且，水质分析确定涌出的水属于Ⅲ含。01工作面的实际情况说明理论分析是正确的。

在02工作面，曾采用钻孔冲洗液漏失法测量导水断裂带发育高度。如图1所示，在02工作面施工采前孔T1-1和采后孔T1-2。T1-1和T1-2钻孔钻进过程中冲洗液漏失量和水位变化情况见图3～4。

(a)采前孔(T1-1)

(b)采后孔(T1-2)

(a)采前孔(T1-1)

(b)采后孔(T1-2)

从冲洗液漏失量来看，T1-2钻孔在钻进至246.22 m时，冲洗液漏失量快速增大至0.872 L/(s·m)，变化明显。同时钻孔冲洗液循环中断，孔口不再返浆，之后钻进过程中冲洗液消耗量明显增加，因此可以初步推断此处为导水裂隙发育顶界面。从水位变化来看，在243.22 m位置，钻孔水位突然下降至67.5 m；在245.02 m时，水位下降至68.3 m。钻孔水位埋深急剧变化情况也可佐证此时钻孔钻进至导水裂隙发育顶界面。至于水位下降后又上升，是因为泥岩遇水膨胀(见图2(b))，堵住裂隙所致。结合钻孔冲洗液漏失量可以判断246.22 m处为采后上覆岩层导水裂隙发育顶界面，因此确定导水断裂带发育高度为83.78 m。预计的导水断裂带高度为83.06 m，与实测结果基本一致。

03工作面中，Ⅲ含距煤层高度为14.79 m，Ⅱ含距煤层高度为59.42 m，预计的导水断裂带发育高度为45.65 m；04工作面中，Ⅲ含距煤层高度为105.53 m，预计的导水断裂带发育高度为61.10 m。所以，在03工作面，导水断裂带将会贯通Ⅲ含，未沟通Ⅱ含；在04工作面，导水断裂带将不沟通含水层。但由于03工作面上的Ⅲ含富水性差，所以开采过程中03、04工作面涌水情况应比较相似，且涌水量应该不大。实际开采时，除了03工作面顶板局部出现轻微淋水现象外，两工作面涌水量均保持在10～30 m3/h。

综上所述，预计结果与工程实际相符，较好地指导了现场开采，说明基于关键层位置的导水断裂带高度预计方法是合理可靠的。

4 结论

1)采用基于关键层位置的导水断裂带高度预计方法，预计01、02、03和04工作面的导水断裂带发育高度分别为82.80、83.06、45.65、61.10 m。预计结果与水文地质资料结合分析，比较准确地预测了开采过程中的涌水情况。

2)02工作面中，钻孔冲洗液漏失法实测导水断裂带发育高度为83.78 m，与预计结果83.06 m较为相近，说明采用本文所述方法预计导水断裂带发育高度是可行的。

3)对敏东一矿南一盘区的4个工作面的导水断裂带发育高度的预计结果，较好地指导了工作面的开采。这为工作面安全高效开采提供了依据，同时可为敏东一矿其他工作面的开采提供借鉴。