高家堡矿井煤层顶板原生裂缝带分布

马 骥 蔺成森 王青振

（1.陕西正通煤业有限责任公司，陕西 咸阳 713699；2.山东能源淄博矿业集团有限公司，山东 淄博 255000）

高家堡矿井位于鄂尔多斯盆地南缘黄陇煤田彬长矿区西北部，东西长为27.15 km，南北宽为13.73 km，占地面积约216 km2，主采煤层为侏罗系延安组4#煤层，平均煤厚约9.5 m，埋深大致在900～1000 m 之间。高家堡矿井于2015 年10 月投产，采用立井开拓方式，综采放顶煤回采工艺[1-5]。

高家堡矿井煤层顶板水害威胁严重，煤层顶板水害威胁与原生裂缝带的分布及发育程度密切相关。工作面在回采过程中大量出水，涌水量高达7000 m³/h，大量的涌水致使采掘设备被淹损坏、工作面减产或停产，严重干扰矿井的安全生产。

1 研究背景

高家堡矿井煤层顶板直接含水层为侏罗系延安组含水层、直罗组含水层、白垩系洛河组下段含水层，富水性弱；间接含水层为白垩系洛河组中上段含水层，富水性强[1-3]。

一盘区101 工作面是高家堡矿井首采工作面，工作面范围煤厚11～14 m，采用综采放顶煤开采工艺，利用产出煤炭资源量反算煤层采高3.5～7.5 m。

前人通过井下上仰钻孔注水侧漏法、数值模拟法、井-地联合微震监测法，综合探查给出的首采面煤层顶板导水裂隙带发育高度为74～173 m，裂采比为20.19～23.07 倍。结合高家堡矿井地层分布特征前期研究成果，采前分析认为该高度最高仅能波及或沟通至富水性弱的直接含水层白垩系洛河组下段含水层。工作面回采过程中发生严重突水水害威胁程度相对较低[1-2]。

一盘区101 首采工作面实际生产现状：工作面回采过程中煤层顶板发生严重突水水害，涌水主要来自富水性强的间接含水层白垩系洛河组中上段含水层，瞬时流量大，涌水量最高可达7000 m³/h。说明导水裂缝带发育高度已纵向向上延伸至距煤层顶面250～300 m 的地层范围，远超过了前期综合探查给出的74～173 m 范围。

首采工作面煤层顶板含水层注浆改造堵水减水施工过程中浆液漏失信息、示踪剂注入采空区裂缝连通性试验、录井及岩芯描述、矿井生产情况证实：高家堡矿井煤层顶板原生裂缝发育，纵向上裂缝主要发育于侏罗系直罗组地层之上各段地层内，尤其集中分布于白垩系洛河组中下段地层中。

原生裂缝带不仅可以作为导水通道直接沟通含水层，还可以影响煤层采空冒落形成的导水裂隙带发育高度，导水裂隙带与原生裂缝带沟通，势必增加导水通道纵向延伸长度，直接沟通富水性强的间接含水层白垩系洛河组中上段含水层，导致工作面回采过程中大量出水，引发突水水害[1-4]。

2 原生裂缝带预测流程

煤层顶板原生裂缝带主要由区域构造应力作用下岩层破裂变形而产生的裂缝和断层组成，原生裂缝具有成组分布或与断层相互伴生分布的特点。

断层解释主要以三维地震数据为基础，依据地震剖面上的同相轴错断、相位变化、地层产状突变等现象来识别，同时利用一系列辅助手段来提高断层解释和组合的合理性，如地震倾角属性、曲率、structure、相干、边缘检测属性等[5]。

原生裂缝带的预测主要是通过三维地震数据，依据采掘工作面生产及水害治理情况，在精细构造解释的基础上，优选反映原生裂缝带特征的地震属性参数，采用人机交互的形式，运用多属性信息融合技术进行原生裂缝带预测。融合后的属性仅代表裂缝发育的相对程度，非绝对的量，无单位。原生裂缝带预测流程如图1。

图1 原生裂缝带预测流程

参与多属性信息融合的主要参数包括：一是与反射面的几何形态有关的属性，如地震倾角属性、最大曲率、频谱能量分析等；二是检测地震振幅不连续性的属性，如不连续性检测、蚂蚁体追踪等；三是在相干相似性、照明体等属性分析的基础上，提出基于地震各向异性表征所进行的多属性融合。

3 原生裂缝带分布

3.1 分布模式

（1）裂缝分布模式

根据煤层顶板原生裂缝分布及沟通至富水性强的白垩系洛河组中上段含水层段的位置，将原生裂缝划分成三种分布模式：上部沟通型（洛河组中-上段）、中部沟通型（洛河组中-下段）、下部沟通型（洛河组中段-煤层）。

下部沟通型沟通能力最强，形成水害威胁程度最为严重；中部沟通型形成水害威胁程度次之。图2 为下部沟通型和中部沟通型原生裂缝分布模式。

图2 裂缝分布模式（CR354）

（2）断层分布模式

根据断层在纵向上切割的地层/层位位置，将断层划分为四种分布模式：1 类断层切穿延安组煤层至洛河组上段，2 类断层切穿延安组煤层至洛河组中下段，3 类断层主要在洛河组内部发育，4 类断层在煤层下部或洛河组中上段发育。其中，1 类断层沟通能力最强，形成水害威胁程度最为严重；2 类至3 类断层形成水害威胁程度次之，如图3。

图3 断层分布模式（IL294）

（3）原生裂缝带分布模式

根据煤层顶板发育的断层及裂缝的分布特征，将原生裂缝带划分成三种分布模式：裂缝型原生裂缝带、断层型原生裂缝带、双介质型原生裂缝带。其中，双介质型原生裂缝带沟通能力强，造成的水害威胁程度最为严重；1 类断层型及下部沟通裂缝型原生裂缝带形成水害威胁程度次之。图4 展示了双介质型原生裂缝带分布模式。

图4 原生裂缝带分布模式

3.2 原生裂缝带分布规律

基于原生裂缝带预测成果数据体，纵向上提取煤层顶至上覆250 m 岩层内原生裂缝带叠合特征，绘制了原生裂缝带预测平面分布图，预测可能发生突水水害威胁的潜在区域，如图5。

图5 原生裂缝带预测平面图

研究区东部工作面呈近北西西向展布的一盘区，其东部位于双介质型原生裂缝带发育区。该区域1 类断层与裂缝发育且相互伴生叠置，处于发生突水水害威胁最为严重的潜在区域。

研究区中部工作面呈北东向展布的二盘区，北部位于双重介质型原生裂缝带相对发育区，2 类断层较发育，处于发生突水水害威胁程度较高的潜在区域；西南部位于裂缝型原生裂缝带相对发育区，处于发生突水水害威胁程度较低的区域；中部除204 工作面27-2 钻孔附近原生裂缝较发育外，其他位置均位于原生裂缝带发育程度较低区，处于发生突水水害威胁程度极低的区域。

4 生产验证

将原生裂缝带预测成果在二盘区生产及水害防治工程中进行应用。

以统计二盘区204 工作面开采过程中涌水情况的测试结果为例，开展对基于原生裂缝带的研究成果提出的工作面回采发生突水水害威胁潜在区域的验证。图6 展示了二盘区204 工作面掘进前原生裂缝带分布特征预测成果与工作面回采后跟踪统计的排水量变化曲线对应关系。

二盘区204 工作面原生裂缝带分布特征预测成果提示：工作面推进至800～1200 m 区域，进入双重介质型原生裂缝带分布相对发育区，预测处于发生突水水害威胁程度较高的潜在风险区域；工作面推进至1200 m 至停采线附近，进入下部沟通裂缝型原生裂缝带分布发育区，预测处于发生突水水害威胁程度次之的潜在风险区域，如图6。

图6 原生裂缝带预测剖面与排水量变化曲线对应关系

二盘区204 工作面回采后跟踪统计的排水量曲线变化显示：工作面回采至800 m 时，排水量由4000 m3/h 急增至5000 m3/h 以上；工作面回采至800～1200 m 区域时，矿井排水量超过6000 m3/h，甚至达到7000 m3/h，工作面回采进入发生突水水害威胁最为严重的区域；工作面回采1200 m 至停采区域时，排水量虽然有所下降，但仍超过5500 m3/h，甚至达到6000 m3/h，工作面回采进入发生突水水害威胁次之的区域。

204 工作面回采过程中排水量的变化验证了采前通过对原生裂缝带预测明确指出潜在突水水害高发区域的结论，体现出利用三维地震资料开展的原生裂缝带预测成果在矿井生产及水害防治工程中的重要作用。

5 结论

高家堡矿井煤层顶板原生裂缝带发育，煤层顶板原生裂缝带的分布及发育程度是影响煤层顶板发生严重突水水害威胁的重要因素。

双介质型原生裂缝带分布区是发生突水水害威胁程度最为严重的潜在区域；1 类断层型及下部沟通裂缝型原生裂缝带分布区是发生突水水害威胁程度较高的潜在区域。