万利一矿煤层群开采覆岩导水裂隙带高度研究

智国军，刘 润，杨瑞刚，曹志国，鞠金峰，赵富强

(1.国能包头能源有限责任公司 万利一矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 100011；3.中国矿业大学 物联网(感知矿山)研究中心，江苏 徐州 221008；4.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

万利一矿位于内蒙古鄂尔多斯市东胜区，属典型的干旱半干旱矿区，生态环境脆弱。矿井主采3-1煤和4-2煤，属于近距离煤层群开采条件；由于煤层埋藏浅、采高大，煤炭开采引起的导水裂隙必然会对区域水系环境造成影响，导致地下水流失、地表生态破坏等[1，2]。因此，开展万利一矿浅埋煤层群开采条件下的覆岩导水裂隙带高度研究对于指导矿井科学实施保水采煤与生态保护具有重要意义。

有关东胜及周边类似矿区浅埋煤层大采高条件下的覆岩导水裂隙带高度发育规律，已有不少学者开展研究[3-6]，并取得丰富研究成果。余学义等[3]结合力学模型和相似材料模拟实验，针对陕北浅埋煤层赋存条件，对比研究了一次采全高和限高留煤柱两种开采方法对应导水裂隙发育规律，为保护地表含水层提供了依据。杨俊哲等[4]综合采用钻孔冲洗液漏失法和钻孔电视观测相结合方法，对补连塔煤矿大采高综采的覆岩“两带”高度进行了实测。然而，对于诸如万利一矿这种煤层群、大采高开采条件的覆岩导水裂隙带高度发育，却较少涉及。虽然《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“规程”)中已给出了用于预计覆岩导水裂隙带高度的统计经验公式[7]，且该公式也已得到许多工程实践的验证，但万利一矿煤层5m左右的大采高开采条件已超出上述统计经验公式采高3m以内的适用条件，直接利用该经验公式进行导水裂隙带高度的判断显然是不合适的。岩层控制的关键层理论的提出为研究掌握采动岩层运动及其引起的裂隙演化规律提供了重要理论依据[8，9]，基于这一理论许家林等研究提出了基于关键层位置的导水裂隙带高度预计新方法[10，11]；由于其考虑煤层顶板岩层具体赋存情况，因而预计结果精度相比“规程”经验公式明显提高，并在多个矿井的实际工程实践中得到验证。然而，该方法仍然是针对单一煤层开采条件提出。对于万利一矿这种煤层群开采条件，覆岩导水裂隙发育实际是下部第二层煤层开采对上部第一层煤层已破裂顶板的进一步扰动和运移扩展后的叠加结果；如何确定下煤层开采对上煤层覆岩已发育裂隙的扰动和扩展程度，是判断煤层群重复开采导水裂隙发育的关键。本文改进形成了煤层群开采覆岩导水裂隙带高度的判别方法，据此开展了万利一矿煤层群大采高开采条件下的导水裂隙带高度理论预计，并利用现场钻孔工程探测对其进行了验证，以期为矿区类似开采条件下的导水裂隙带高度确定提供参考与借鉴。

1 试验区地质开采条件

工程探测试验区选择在万利一矿三盘区，对应于3-1煤和4-2煤的首采工作面。其中，3-1煤层厚4.96～5.56m，平均5.35m，煤层倾角平均3°，回采工作面为31301综采面，平均采高5.1m；4-2煤层厚4.5～5.20m，平均4.85m，煤层倾角平均2.6°，回采工作面为42301综采面，平均采高4.8m。试验工作面及探测钻孔布置如图1所示。试验区对应地表标高1422～1443m，3-1煤层底板标高1298～1307m，4-2煤底板标高1248～1253m，两煤层间距平均50m左右。煤层顶板岩层赋存情况如图2所示。

图1 试验工作面及探测钻孔布置

图2 W4钻孔柱状及其关键层位置判别结果

2 煤层群开采覆岩导水裂隙带高度的理论预计

2.1 基于关键层位置的覆岩导水裂隙带高度预计方法

覆岩导水裂隙带高度确定是准确评价地层含水层受采动破坏程度、科学制定保水采煤对策等的重要基础。由于“规程”中采用的经验预计公式采取了对覆岩岩性均化统计的方法，忽略了关键层在岩层破断运动中的控制作用，导致在某些特定开采条件下的预计结果与实际偏差较大。为了提高导水裂隙带高度理论预计的准确性，许家林等[10，11]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裂隙带高度预计新方法”。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[9]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，则导水裂隙带高度为(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，则导水裂隙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。

上述判别方法主要用于单一煤层开采条件，对于诸如万利一矿这种近距离煤层群开采条件，可在其基础上做相应的改进。由于两层煤重复开采引起的覆岩运动并不等同于单一煤层的一次开采，因此，上述判别方法中的采高选取并不能单纯按两煤层采高累加直接进行计算，而应按照两煤层累计的等效采高Md进行判断。等效累计采高即是下煤层开采引起的岩层运动波及至上煤层位置时的下沉量与上煤层采高之和；按此等效累计采高在上煤层位置进行判别。即按照上煤层顶界面以上(7～10)Md范围外是否存在关键层进行判断。等效累计采高计算公式为：

Md=M1+Hb

(1)

Hb=M2-D(KP-1)

(2)

式中，Hb为下煤层开采引起的岩层运动波及至上煤层位置时的下沉量，m；M2为下煤层采高，m；D为上下煤层间距，m；KP为两煤层之间岩层的残余碎胀系数，一般取值1.05～1.1[12]；当Hb<0时，说明下煤层的采高量已被煤层间采动破坏岩层的碎涨抵消，此时的等效累计采高即为上煤层采高M1。

2.2 试验区煤层群开采的导水裂隙带高度预计

根据上述理论预计方法，首先对W4钻孔柱状进行了关键层位置的判别，判别结果显示3-1煤上覆顶板中存在2层关键层，4-2煤和3-1煤之间存在1层关键层。其次，对3-1煤开采后的导水裂隙带高度进行判断；根据3-1煤5.1m的平均采高，取10倍采高，则3-1煤顶界面以上10倍采高之外已不存在关键层，由此3-1煤开采后的导水裂隙应发育至基岩顶界面(即裂隙已发育至2.82m的表层砂土中)。当再次开采4-2煤时，根据式(1)所示公式，按照1.05的碎胀系数取值，则4-2煤开采后岩层运动波及至3-1煤位置对应的下沉量为2.6m，相应两层煤重复开采后的等效累计采高为7.7m。如此，从3-1煤顶界面向上按照10倍的等效累计采高进行判断，此范围外同样不存在关键层。即，4-2煤开采后的导水裂隙依然处于基岩顶界面以上，3-1煤开采及3-1煤与4-2煤重复开采这两种条件下导水裂隙的发育高度相同。

3 覆岩导水裂隙带高度的钻孔探测

为了验证上述理论预计结果的准确，开展了试验区覆岩导水裂隙带高度的现场钻孔工程探测。

3.1 钻孔探测方案

目前，用于采动覆岩导水裂隙带高度现场探测的最常用、最准确方法为钻孔冲洗液漏失量法，即通过在已回采的采空区对应地表施工探测钻孔，通过记录钻孔钻进过程中的冲洗液漏失量及钻孔内水位变化情况，来判断对应覆岩内裂隙发育情况，进而得到覆岩导水裂隙带发育高度。本试验区探测方法即是采用该方法。考虑到上下煤层回采工作面的同一侧开采边界在平面上基本处于重叠状态(31301运输巷和42301辅运巷)。因而，将地面探测钻孔布置于该侧开采边界附近，距离巷道区段保护煤柱约70m，距离两工作面切眼位置的水平距离为350m左右；钻孔钻进终孔深度直至4-2煤底板，深度约170m。

为了直观地观测到孔壁裂隙发育及围岩破坏情况，在钻孔成孔后又采用钻孔电视进行了观测，以和冲洗液漏失量法的观测结果形成印证，增强观测结果的准确性。

3.2 钻孔冲洗液漏失量及孔内水位变化

钻孔实际施工过程中的冲洗液漏失量及孔内水位变化情况如图3所示。在钻进孔深2m后即出现孔口不返浆现象，对应冲洗液漏失量基本维持在2～4L/(m·s)范围，直到钻孔钻进至孔深49m位置，冲洗液漏失量开始下降，而后至50m孔深位置开始出现孔口返浆现象，对应冲洗液漏失量也进一步降低(基本处于0.1～0.4 L/(m·s))。后续钻进过程中，仅在孔深78～79m位置出现冲洗液漏失量的暂时明显升高，其它区段钻进过程中漏失量均偏小；直至钻进至孔深94～101m范围时，冲洗液又再次出现较大漏失；根据该区域对应岩层柱状，对应孔深已接近3-1煤位置。继续向下钻进过程中，冲洗液漏失量相对偏低，直至钻进至孔深132m位置时，冲洗液漏失量开始呈现上升区域，并在后续钻进过程中呈现一定波动性；最终钻进至孔深147m位置时，冲洗液漏失量明显升高(漏失量3～4L/(m·s))，且一直持续至终孔170m位置。

图3 探测钻孔冲洗液漏失量及水位变化曲线

另一方面，从钻孔钻进过程中孔内水位的变化情况看，在孔深140m左右位置之前，虽然钻孔冲洗液漏失量时有明显偏高现象，但其孔内水位一直呈现缓慢下降趋势；而在孔深140m以下钻进时，冲洗液漏失量的升高伴随着水位的显著快速下降。最终，在钻进终孔位置时，孔内水位保持在距孔底14.6m。

3.3 钻孔电视观测

为了进一步探究钻孔孔壁裂隙发育情况，采用钻孔电视进行了孔内摄像观测，观测结果可见，在钻进至孔深20～25m范围时，孔壁异常破碎；根据附近地质钻孔揭露的岩层赋存情况，该范围对应为煤层和砂岩、泥岩交界的区域，考虑砂岩胶结性偏弱，导致采动破坏后钻进成孔围岩不完整。继续向下探测过程中，孔壁陆续出现裂隙或破坏现象；直至孔深90m位置开始，孔壁出现裂隙或破坏发育的位置变得明显密集；在孔深97～117m范围，孔壁破坏程度明显偏大，裂隙发育尺度明显增高，孔壁表现出明显的不完整现象，推断已进入3-1煤开采引起的垮落带。而后探测至孔深118m以下位置时，探及3-1煤开采的遗留底煤，由此开始进入3-1煤和4-2煤之间岩层。在孔深120～150m范围内探测时，孔壁虽陆续出现有裂隙和破坏现象，但其发育程度相对偏低，直至进入孔深152m以下时，孔壁裂隙发育及其破坏程度明显增高，推断已进入4-2煤开采引起的垮落带。最后，探测至孔深165m左右位置时，孔内受钻进泥浆沉淀和孔壁塌落岩石封堵，导致摄像探头无法继续下放。

3.4 覆岩导水裂隙带高度

综合上述钻孔冲洗液漏失量变化曲线以及钻孔电视观测结果，可判断该区域对应3-1煤和4-2煤两层煤开采引起的覆岩导水裂隙带高度已发育至地表，对应导水裂隙带高度为170m；这与前述第2章节的理论预计结果相同。3-1煤垮落带发育至孔深97m位置，按照3-1煤开采位置计算其对应垮落带高度为21m；4-2煤垮落带发育至孔深152m位置，按照4-2煤开采位置计算其对应垮落带高度为18m。根据该钻孔对应3-1煤31301工作面5.1m的平均采高以及42301工作面4.8m的平均采高，其两层煤开采后引起的覆岩综合裂采比为17.2，3-1煤开采引起的覆岩垮采比为4.2，4-2煤开采引起的覆岩垮采比为3.8。

4 结 论

1)万利一矿为典型浅埋煤层群大采高开采条件，上下煤层采高均已达到5m左右，难以采用国家“规程”中的经验统计公式对其覆岩导水裂隙带高度进行预计；为此，综合采用基于关键层位置的导水裂隙带高度理论预计方法以及钻孔冲洗液漏失量和钻孔电视观测手段，获得了该矿3-1煤和4-2煤重复开采后的覆岩垮落和导水裂隙带发育高度。

2)理论预计结果显示，3-1煤开采后覆岩导水裂隙即发育至基岩顶界面，再次开采4-2煤时，导水裂隙仍保持发育在基岩以上的表层砂土中，这一结果得到了现场钻孔工程探测结果的验证，也证实了“基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法”的可靠性。

3)现场钻孔工程探测结果显示，两煤层重复开采后的覆岩导水裂隙带已发育至地表，对应导水裂隙带高度为170m，对应综合裂采比为17.2；上部3-1煤开采引起的覆岩垮落带高度为21m，下部4-2煤开采引起的覆岩垮落带高度为18m，两煤层开采的覆岩垮采比分别为4.2和3.8。