弱胶结地层大采高工作面覆岩“两带”发育高度研究

吕文斌，杜明泽，管彦太，赵宝相，牟 义

(1.内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016299； 2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

我国煤矿水文地质条件复杂，突水事故时有发生，是煤矿五大灾害事故之一。近年来，随着西部煤炭资源的开发，煤炭资源开采深度、开采规模、开采范围及开采强度的不断加大，煤矿生产受水害威胁愈加严峻[1-3]。西北深埋侏罗纪煤田存在大批弱胶结软岩矿井，由于煤层埋藏较深，顶板含水层富水性不均一[4，5]，导致在煤矿生产过程中发生多起水砂突涌灾害，且灾害呈现出新的特点，砂源来自砂岩含水层本身，给煤矿安全生产带来严重威胁。

覆岩破坏裂隙发育特征是引起顶板水害的关键因素之一。采矿活动必然造成地下岩体应力的重新分布和岩体的破裂损伤，这种损伤极大地改变了岩体的渗透性，岩体在渗透水压作用下微裂纹的萌生、扩展、贯通，直到最后宏观裂纹产生导致失稳破坏发生灾变[6，7]。部分学者对于弱胶结岩体的性能以及覆岩破坏“两带”发育高度进行了研究。许延春等[8]基于40多个矿区实测资料，得出综放开采条件下垮落带、导水裂隙带发育高度的预计公式；杜明泽等[9]从煤矿区地下水污染防控的角度，阐述了基于岩层控制的导水裂隙带发育高度调控技术现状；方杰等[10]通过现场实测，得出了软弱覆岩厚煤层综放开采工作面的垮采比和裂采比；冯国财等[11]基于实测数据，得出了白垩系特厚煤层综放开采导水裂缝带高度与采高的关系；孙庆先等[12]以神华宁煤集团红柳煤矿1121工作面为例，研究了软覆岩综采一次采全高工作面“两带”高度；翟志伟等[13]采用矿用本安型钻孔成像轨迹检测装置分析了不同深度段孔内原生裂隙和次生裂隙发育情况，获得了七一煤矿9101 回采工作面覆岩破坏发育高度；尹嘉帝等[14]以潘二矿18111 工作面为例，采用相似模拟、数值模拟和理论分析，综合探讨了工作面开采过程覆岩裂隙的动态演化规律；王振荣等[15]提出了多煤层重复采动条件下导水裂隙带高度的观测方法，并将其成果应用于布尔台煤矿，取得了良好的效果。然而，由于弱胶结岩体遇水易劣化，部分裂隙会发生弥合，采用传统的地面和井下钻孔注水观测、钻孔电视观测难以准确的判断垮落带和导水裂隙带的界限，且钻孔易塌孔，钻孔电视成像较为模糊，给“两带”发育高度的判断带来难度。光纤监测[16]和并行电法监测技术[17]是近年来逐渐成熟的技术，对于地层受力变形、地层视电阻率变化有较强的敏感性。鉴于此，在分析弱胶结岩体力学特性的基础上，采用分布式光纤测试法和并行电法测试技术进行现场实测，并与经验预计公式进行对比，以期获得弱胶结矿区工作面开采覆岩破坏规律，同时为弱胶结地层“两带”监测提供新的技术手段。

1 工程背景

1.1 工作面概况

新上海一号煤矿111084综采工作面位于一水平一采区，为首采区8煤布置的第二个工作面。煤层平均厚度2.9m，最大3.4m，开采深度358～414m，地面标高+1314.8m，工作面标高+903.13～+949.63m，工作面推进长度1868m，倾斜长度203.7m。工作面顶底板岩层岩性以砂质泥岩、细-中砂岩为主。2014年7月—12月，工作面先后发生4次突水溃砂灾害。分析认为，工作面开采导水裂隙带波及到了上覆直罗组含水层，导致灾害的发生。

图1 111084工作面位置

1.2 地层条件

井田地质由老到新依次为三叠系延长组(T3y)、侏罗系延安组(J2y)、侏罗系直罗组(J2z)、白垩系志丹群(K1zd)、古近系(E)及第四系(Q)。其中含煤地层为侏罗系延安组，盖层为白垩系、古近系及第四系；三叠系延长组为侏罗系含煤岩系的基底。

2 弱胶结岩体物化性能及覆岩类型划分

2.1 岩体耐崩解性

在钻孔B37埋深325～400m段进行取样，选取该段部分泥岩、 进行崩解试验，泥岩在开始阶段崩解为片状[18，19]，随后向泥浆状态转变。泥岩的软化劣化特征与其矿物成分有关，泥质胶结物的溶解和黏土矿物的吸水膨胀，使得泥岩遭受结构性破坏；砂岩在3h后基本崩解完全，说明深埋侏罗纪煤田砂岩表现出明显的流砂属性。

2.2 弱胶结岩体遇水力学性能

在8煤顶板取心，采用WES-1000B型数字式万能试验机对不同含水状态下岩石的单轴抗压强度进行测试。不同含水状态单轴抗压强度如图2所示，由图2可知，随着含水率的增大，岩石的抗压强度依次衰减，说明弱胶结泥岩遇水软化劣化，单轴抗压强度降低。

图2 不同含水状态单轴抗压强度

2.3 覆岩强度类型划分

通过对8煤和15煤进行取心测试，8煤层顶底板的天然含水率0.30%～12.69%，饱和抗压强度为7.20～67.53MPa，天然抗拉强度0.20～6.91MPa。15煤层顶底板的天然含水率0.90%～25.87%，饱和抗压强度为2.48～48.40MPa。总体来看，泥岩力学强度偏低，大多数小于20MPa；砂岩单轴抗压强度相对较大，强度0～70MPa不等。采用加权的方法，计算近8煤的基岩平均饱和单向抗压强度为16.67MPa，属于软弱岩层；15煤的基岩平均饱和单向抗压强度为22.82MPa，属于中硬岩层。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》(以下简称《“三下”开采指南》)[20]覆岩岩石强度分类标准，岩体属于软弱～中等。

3 弱胶结地层覆岩破坏“两带”高度实测

分布式光纤技术在地层变形监测中已经有较为广泛的应用，通过监测波长变化转换成地层的应变情况，获得地层的受力状态，正值表示地层受力，负值表示地层受压。并行电法通过采动前后地层电阻率的变化信息，判断覆岩破坏的发育高度。新上海一号煤矿泥岩遇水软化泥化，采动裂隙易弥合，导致钻孔电视等常规方法不能及时捕捉导水裂隙带发育情况，因此，采用分布式光纤和并行电法手段，弥补常规手段的不足，以期为类似地层条件提供技术参考。

3.1 覆岩破坏监测布置情况

考虑8煤工作面已经开采完毕，在15煤层采用光纤、电法两种方法对工作面开采覆岩破坏情况进行监测，获得弱胶结地层工作面开采垮采比和裂采比。114152工作面处于侏罗系延安组地层中，煤层倾角3°～13°，平均5.7°，工作面可采走向长1615m，切眼长201.4m，平均采厚为3.7m，煤层开采速度8m/d。工作面及顶底板主要为泥砂互层，主要揭露的岩层岩性为15煤、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、粗砂岩。114152工作面上部与8煤间距平均约为73.45m，下部与16煤间距平均间距为12.02m。

在114152工作面布置岩层破坏钻孔监测系统(包括光纤、电法两种方法)，施工1个地面垂直钻孔LD-1，孔深475m，终孔层位为15煤顶板上方10m处。光纤装设完成后进行水泥浆封孔，地面留有采集装置。钻孔埋深3根传感光缆，根据现场实际条件，1#传感光缆实际安装长度为465.4m，2#传感光缆实际安装长度为467.04m，3#传感光缆实际安装长度为467.04m。电法电缆共96个电极，其中1号电极在地下465.4m，96号电极在地下37.9m，控制垂深427.5m。光纤数据初次采集回采工作面运输巷退尺位置距离钻孔177m，电法数据初次采集回采工作面回风巷退尺位置距离钻孔340m，采用首次采集数据作为数据初值。随工作面的不断推进，直至获得推过钻孔位置200m的数据。

3.2 监测结果分析

3.2.1 光纤监测结果分析

煤层开采后上覆岩层失去煤层支撑作用力成为悬空体，当其悬空面积随工作面推进不断增大，所受自重和上覆岩层压力前期所引发岩体表征出弹性→塑性→大变形的过程。如果应变陡增具有连续性，并当其增大到一定程度后，保持相对稳定时，通常认为是产生离层或裂隙发育稳定。当其应变陡增不具有连续性时，并且应变变化数值差较大时，通常认为覆岩发生垮落或者产生较大裂隙；传感光缆的断裂，传感光缆通常都有测试极限，采动引起顶板形变量一般较大，当其形变程度远超过光缆抗拉强度或抗剪强度时，光缆就会被拉断或错断。拉断常常发生在弹性模量较小的岩体中或者岩性分界面，错断常常发生在岩体弹性模量较大的岩体或者相邻岩层分界面。当其出现断裂时，作为顶板垮落或者发生较大离层与裂隙的判别依据。

1#、2#、3#传感光缆监测结果如图3所示。由图3可知，随着工作面向监测钻孔位置推进过程中，首先在上部白垩系的岩层中产生超前应力响应，并且随着工作面靠近钻孔位置，对应岩层内的拉应力值逐渐增大，并在岩层分界面处呈现显著的“尖突”型拉应变特征，表现为岩层受力出现的离层特征，且层与层之间未沟通，仅是表现为层间离层，即高位离层。白垩系以下侏罗系地层，其整体以泥质类岩性为主，该地层范围内的基本以压应变为主体，局部岩层出现拉应变特征，且根据应变变化特征与推进位置的对应关系，超前应力水平影响范围达到100m。侏罗系地层中垂深在425.66m以下深度，整体变化趋势比较均一，受采动影响呈垮落特征，即垮落带高度为15煤顶板以上46.7m高度。在垂深397.33m以下深度，即细粒砂岩层位中，至425.6m这一位置虽然以压应力为主，但局部呈现拉压应变相互交替，且岩层整体抗拉能力差，垂向裂隙发育，不断产生且逐渐闭合，即产生了明显的中位离层，判断为导水裂隙带高度，即导水裂隙高度达到15煤层顶板上方75m。在垂深340.04m，即泥岩与砂岩的分界面处，至397.33m这一区段，应变值整体偏小，局部呈现压应变，岩体有发生下沉的趋势，故判断为扰动影响带高度。

顶板岩体经历下沉、压实、稳定的状态，其特征明显，其中1#传感光缆应变特征明显，局部存在差异性，可作为“两带”发育高度的主要依据；2#传感光缆下部靠近15煤层顶板岩层中应变特征整体呈现压应变，局部无明显的变化；3#传感光缆在采动初期，下部传感光缆受到超前应力影响局部发生破断，对数据采集产生一定影响。顶板岩体经历下沉、压实、稳定的状态，其特征明显，其中在煤层顶板上面46.7m处为岩层直接垮落带，75m处为导水裂隙带形成高度。

3.2.2 并行电法监测结果分析

监测初始，工作面推进位置距离钻孔较远，尚未有明显的电学特性的变化，以9月10日视电阻率表征原始未扰动岩层电性特征，作为背景值进行对比分析，背景电阻率分布中其值在0～555Ω·m范围。上部白垩系地层大部分区域电阻率值分布范围为150～550Ω·m，而在侏罗系地层范围电阻率值整体较低，低于100Ω·m，这就从整体上反映了不同地层在电性参数上的差异，在同一地层的电阻率差异可能为裂隙发育、含水性不均一所致。

9月27日工作面回采位置距孔口209m，回采位置仍尚未进入有效监测区。结合背景视电阻率剖面图和当日视电阻率剖面图对比分析，可以看出白垩系地层电阻率值几乎没有变化，表明采动对较上部岩层影响较小。而侏罗纪下部岩层局部区域视电阻率有少量增高，增高到60～80Ω·m左右，表明较下部岩层已经受到岩层采动影响，分析认为是随着回采工作面的推进，煤层采动超前应力集中，改变了岩层局部物理结构、水文地质特征等，进而影响了局部视电阻率分布，除了局部电阻率有变化之外，其它区域范围内视电阻率变化相对较小，变化不明显。10月12号所监测的视电阻率剖面整体电阻率变化不明显，特别是白垩系地层岩层电阻率值几乎没有变化，在侏罗系地层所监测的电阻率值有少许变化，电阻率值浮动范围不大，总的电阻率值控制在100Ω·m以内，没有显著的电性变化特征。10月13号日监测视电阻率剖面电阻率值明显发生巨大变化，此时工作面回采位置距离钻孔69m，电阻率剖面显示侏罗系呈现无限高阻，采动超前应力影响显著。在地面下423m有少数电极连通，大部分监测电极没能有效测试电流、电位等电性信息，通过对比12号日电阻率剖面，分析认为地面以下130m电法监测区域为无效区域，不可作为参考。总体而言，并行电法测试效果相对不佳，结果分析以光纤监测结果为主，并行电法测试为辅。

综合光纤和并行电法监测结果，考虑到15煤采厚相对较大，综合判断垮落带发育高度为46.7m，导水裂隙带发育高度为75m；114152工作面采高平均3.7m，经计算，15煤垮采比为12.62，裂采比为20.27。111084工作面采高为3.4m，按照垮采比和裂采比进行推断，得出111084工作面垮落带、导水裂隙带发育高度分别为42.9m、68.9m。

4 “两带”发育高度综合判别

4.1 经验公式预计

111084工作面最大采高为3.4m，114152工作面平均采厚为3.7m，一次采高均大于3m，根据《“三下”开采指南》[17]，选择厚煤层综放开采垮落带和导水裂隙带高度(合称“两带”)计算公式进行预计，预计公式见表1。

表1 综放开采“两带”高度计算公式

根据经验公式，得出111084工作面垮落带、导水裂隙带发育高度分别为25.4m、78m；114152工作面垮落带、导水裂隙带发育高度分别为27.2m、84m。

4.2 数值模拟结果分析

基于114152工作面地层信息，选取114152工作面参数对开采过程进行了模拟，模拟每次开挖10m，开挖300m结束。工作面推进过程覆岩破坏特征如图4所示。由图4可知，随着工作面向前推进，直接顶产生下沉、离层及周期性垮落，基本顶产生周期性断裂，采动影响范围不断扩大。在工作面推进过程中，覆岩裂隙不断向上发展，到开采210m后，导水裂隙带高度为56.0m，工作面开采覆岩破坏形态为“马鞍形”。

图4 工作面推进过程覆岩破坏特征

4.3 “两带”发育高度综合判别分析

通过现场实测、经验公式和数值模拟结果，对比114152工作面开采垮落带、导水裂隙带发育高度，具体统计结果见表2。由表2可知，现场实测垮落带高度较经验公式预计值大；导水裂隙带发育高度数值模拟值最小，其次为实测值，最大为经验预计值。现场实测结果与经验公式预计结果存在一定的偏差，而《“三下”开采指南》中对于西部深埋侏罗纪煤田弱胶结松软地层“两带”实测的样本较少，本次测试可为弱胶结松软地层“两带”探测提供新的技术手段，为类似矿井覆岩破坏提供参考。

表2 114152工作面“两带”发育高度结果

5 结 论

1)通过物理力学测试，得出新上海一号煤矿泥岩遇水易泥化，砂岩遇水劣化、崩解；弱胶结松软岩体遇水强度降低，含水率越大，强度越低；泥岩力学强度偏低，大多数小于20MPa；砂岩单轴抗压强度相对较大，强度0～70MPa不等，采用加权的方法，计算近8煤的基岩平均饱和单向抗压强度为16.67MPa，属于软弱岩层；15煤的基岩平均饱和单向抗压强度为22.82MPa，属于中硬岩层，总体覆岩划分为软弱～中等类型。

2)考虑传统的地面和井下钻孔注水观测、钻孔电视观测对于弱胶结松软地层判断模糊，采用光纤和并行电法综合方法，15煤垮落带、导水裂隙带发育高度分别为46.7m、75m，垮采比为12.62，裂采比为20.27，与经验公式相比，垮落带较预计值大，导水裂隙带相对偏小。《“三下”开采指南》中弱胶结松软地层实测样本少，实测结果可为经验公式提供样本参考，也为类型矿井覆岩破坏监测提供技术手段。