煤层覆岩导水裂隙带发育高度综合分析技术研究

翟志伟，张传达，孟秀峰，武志高，陈凤杰，徐书恩

(1.山西能源学院 地质与测绘工程系，山西 太原 030006；2.山西省煤炭运销集团，山西 太原 030006)

导水裂隙带发育高度是煤矿顶板水害防治的最重要参数，是评价煤矿生产安全的重要依据[1-11]，国内外学者通过现场实测分析总结、数值与理论模拟和实验室模拟等手段，研究覆岩破坏规律与机理并取得了大量能够指导生产实践的研究成果。近年来，以采动覆岩破坏“三带”理论[1，2]、砌体梁理论和关键层结构力学模型[3]等覆岩破坏及采动裂隙发育规律研究为基础，诸多学者对煤矿导水裂隙带高度进行了研究。许家林等提出了基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法[4]；康永华等对覆岩破坏的钻孔观测导水裂隙带高度进行了研究[5]；刘伟韬、刘增辉等采用FlAC3D、RFPA2D、UDEC软件模拟了导水裂隙带高度[6，7]；施龙青等考虑开采厚度、深度、岩石力学性质等因素推导导水裂隙带高度理论计算公式[8]；胡小娟等采用综采导水裂隙带多因素影响指标预测导水裂隙带高度[9]；汪华君等应用微地震技术监测、探测导水裂隙带高度[10]；程学丰等采用声波CT探测导水裂隙带高度[11]。这些预测、探测、监测的理论、技术、方法为煤矿安全生产提供了极大的帮助和指导，但是由于导水裂隙带的最大发育高度受工作面开采高度、采煤工艺与顶板管理方法、覆岩岩性、顶板复合类型、工作面尺寸及开采深度等采矿和地质条件多因素影响[12-16]，因此，在煤矿开采过程中，导水裂隙带预测高度与实际发育高度仍然存在一定的偏差，导水裂隙带高度预测的准确性备受学界、企业界关注。

1 试验区概况

1.1 工作面概况

盖州煤矿位于沁水煤田，试验区9105工作面巷道长1820m，切眼长180m，可回采长度接近1700m。工作面采用长壁一次采全高综合机械化开采方法，进风(运输)巷位于工作面下山方向，采用切顶卸压沿空留巷技术，巷道净断面为2.5m×4.5m，回采后做未开采的9107工作面回风巷。试验区内9#煤为主采煤层，属单斜构造，倾角小于5°，局部发育宽缓褶曲，层厚1.6～1.92m，平均为1.7m。直接顶板为砂质泥岩、泥岩，底板为粉砂岩，上覆3#煤层已经采空，下伏15#煤层未开采，9#煤层上距3#煤层平均55m，开采3#煤层时底板采动破坏深度约10～15m。

受3#煤层回采后老空水和上覆可能的K5灰岩水的影响，虽然回采前对上部积水进行了疏放，但随着9105工作面的推进，回采过程中仍发现有残余老空积水沿裂隙导入工作面，导致生产受到影响。因此对9105工作面覆岩导水裂隙带进行准确预测和判定，是避免发生透水事故的关键环节。

1.2 覆岩结构

根据井田范围内地层综合柱状图，试验区9#煤层覆岩由砂质泥岩、泥岩、粉砂岩、细砂岩、灰岩等软硬相间的岩层组成，且大多数岩层单轴抗压强度在30MPa以上，岩性以中硬岩层为主，直接顶为浅黑色砂质泥岩，厚度为3.8m，节理相对发育，覆岩结构见表1。

表1 试验区覆岩结构

2 综采工作面导水裂隙带高度预测

2.1 导水裂隙带高度经验公式预测

导水裂隙带高度预测是进行三带观测设计的依据，导水裂隙带的发育高度主要取决于地层结构、岩石力学性质和开采方法。9105工作面顶板岩层总体属于中等坚硬岩层，9#煤层厚度平均为1.7m，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中分层开采导水裂隙带高度计算公式[17]，计算得出覆岩导水裂隙带最大高度分别为32.5m和36m，选取36m作为预测的最大导水裂隙带高度。

式中，Hli为导水裂隙带高度，m；M为累计采厚，m。

考虑3#煤层开采导致的底板破坏，根据规范中工作面底板破坏深度的计算公式，在不考虑断层等地质构造影响条件下，得到3#煤层底板破坏深度最大为16.33m。

h=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

(3)

式中，H为埋深，取123.95m；α为工作面倾角，取4°；L为工作面斜长，取180m。

9#煤与3#煤垂直间距在56m左右，根据导水裂隙带最大预测高度和底板破坏最大深度，9#煤层开采后，上覆岩层中有隔水层。但在采厚较大或断层破碎带区域，9#煤层回采后，上部3#煤层采空区积水有下泄风险。

2.2 导水裂隙带高度数值模拟预测

根据实际覆岩情况采用FLAC3D软件建立了9105工作面地层模型，选取模型边界深度为0m，沿工作面倾向方向取400m，沿工作面走向方向取100m，倾角为5°，煤层赋存情况与岩层结构均按实际地质条件建立。最终数值模型的大小为X×Y×Z=400m×100m×225.7m，整个模型划分为160000个单元和170690个节点，满足数值模拟的精度要求。模型的X、Y方向约束边界水平方向的位移，模型的底部边界施加垂直(Z方向)位移约束条件，模型上部为自由边界，模拟上部岩层的自重。在模拟过程中也考虑了不同开挖程度对应力集中和裂隙发育的影响。

破坏准则选择Mohr-Coulomb准则，煤层选择应力软化模型，其它岩层破坏准则均选择Mohr-Coulomb准则，模型选取的岩石力学参数见表2。模拟导水裂隙带上限应处于塑性变形区和拉应力区域内[8]，因此，其导水裂隙带的最大高度小于拉应力区最大高度和塑性变形区的最大高度[18]。

表2 顶板岩石力学参数

为研究开采过程中工作面覆岩应力分布、塑性破坏程度和导水裂隙带高度发育情况，选取开挖20m、40m、60m、80m和100m进行过程模拟。数值模拟结果显示，工作面开采后处于塑性破坏状态的区域主要集中在上覆岩层30m范围内，其中连续塑性区的最大高度在29m左右。9105工作面开采后最大集中应力为13.82MPa，掘进100m后产生的最大位移量为34.9m，导水裂隙带的最大高度为29m左右，如图1、图2所示。

图1 开采后覆岩应力分布

图2 开采后覆岩塑性破坏分布

3 钻孔窥视探测试验

在初步预测导水裂隙带发育的最大高度基础上，试验利用ZKXG30矿用钻孔成像轨迹检测装置进行准确探测[13，14]。

3.1 观测孔位置及时间的确定

观测孔位置布置重点考虑能够探测到覆岩导水裂隙带理论形态——马鞍形顶部的最大值。根据采动工作面覆岩移动规律，中硬覆岩一般在回采后1～2个月时间内，导水裂隙带高度达到最大值[15]。试验区位置在距运输巷原切眼861m处，按工作面日平均推进度10m，当工作面已推过试验区33d左右时间，即工作面超过试验区335m时，覆岩导水裂隙带的马鞍形顶部达到最大值[16]，观测时间最合适，观测钻孔位置如图3所示。

图3 9105工作面导高观测孔位置

3.2 观测钻孔布置方案

基于预测的导水裂隙带观测高度，将观测钻孔布置在9105运输巷切顶外侧，设计2个观测钻孔，1个对比孔。导水裂隙带高度观测孔方位角272°，与工作面巷道方向垂直，钻孔倾角、孔深及开孔位置如图4所示。

图4 9105工作面导水裂隙带观测孔剖面图

3.3 钻孔窥视成像分析

3.3.1 1#观测孔窥视成像分析

1#观测孔孔壁成像观测结果如图5所示，开孔往上即进入裂隙区，裂隙较为发育，部分段较为破碎，直至29.86m再往上岩层较为完整，裂隙位置与岩芯成像图一致，距孔口34.87m附近出现破碎段，经与岩芯岩层柱状图对比，破碎段为0.91m厚的煤层，受采动应力压剪破坏后，煤层强度低，孔壁破碎而其它岩层强度高，孔壁完整，再往上孔壁基本保持完整。

图5 1#观测孔现场孔壁成像(部分)

3.3.2 2#观测孔窥视成像分析

2#观测孔孔壁成像观测结果如图6所示，从开孔往上就进入了裂隙区，裂隙较为发育，部分段较为破碎，破碎段直至31.26m，再向上岩层较为完整，裂隙位置与岩芯成像图一致，距孔口37.82m附近出现的破碎段，也是0.91m厚的煤层，受采动应力压剪破坏后，煤层强度低，孔壁破碎，而其它岩层强度高，孔壁完整，再往上孔壁基本保持完整。

图6 2#观钻孔现场观测孔壁成像(部分)

4 导水裂隙带高度换算及综合分析

根据1#孔钻孔轨迹，最大方位角为281.7°，最小方位角为248.4°，平均270°；设计倾角为70°，实际最大仰角76°，平均仰角74°，钻孔实际深度为45.19m，钻孔总体向上弯曲，偏离4°，按平均仰角校正导水裂隙带高度计算倾角，得到的1#观测孔校正导水裂隙带高度为28.70m。而根据2#孔钻孔轨迹，最大方位角为289.5°，最小方位角为272.1°，该孔钻孔方向大致为正西方向；2#孔设计角度为68°，实际最大倾角78.4°，最小倾角60.9°，实际平均仰角71°，钻孔实际深度44.1m，钻孔偏离3°向上弯曲，按平均仰角校正导水裂隙带高度倾角计算，得到的导水裂隙带高度为29.31m。

比较1#、2#观测孔实测参数，2#孔倾角虽然偏离设计3°，但偏离后更接近设计倾角，倾角相对1#观测孔偏离仅1°，1#观测孔实际倾角偏离设计倾角最小4°。两孔方位约为正西，均符合终孔位置设计要求。但是2#观测孔更接近设计参数，其终孔位置更接近马鞍形最高部位，因此2#观测孔确定的导水裂隙带高度更接近工作面实际情况。

结合井下钻孔双端封堵注水观测漏失量方法，对9105综采工作面导水裂隙带发育高度进行了验证，2#观测孔漏失量突变位置与基于窥视钻孔成像技术确定的导水裂隙带发育位置完全一致，如图7所示。

图7 2#观测孔注水漏失量观测成果

另外，在获得钻孔窥视实测导水裂隙带长度的基础上，根据式(4)换算1#、2#观测孔导水裂隙带高度分别为28.06m、28.98m。

Hli=l×sinβ

(4)

式中，l为窥视导水裂隙带长度，m；β为观测孔倾角，(°)。

通过不同技术手段，得到不同精度的9105综采工作面导水裂隙带发育高度：钻孔窥视导水裂隙带高度最大28.98m、经验公式计算导水裂隙带高度最大36m、数值模拟高度为29m左右。结果表明，钻孔窥视导水裂隙带高度与数值模拟结果接近，而与经验公式计算值偏差较大，分析其原因可能为施工过程发生钻孔倾角变化及方位改变，与设计参数产生偏差，进而导致观测孔终孔位置偏离马鞍形位置，达不到最高部位。

因此，基于钻孔窥视成像技术探测导水裂隙带高度为29.31m，即使考虑覆岩结构在导水裂隙带垂向上的离散性，本次窥视导水裂隙带高度29.31m与K5灰岩顶面高度29.25m仅差0.06m，也表明钻孔窥视确定的导水裂隙带高度的准确性更高。

5 结 论

1)工作面采后覆岩破坏变形的马鞍形位置最高部位的确定和合理的观测时间，是提高钻孔窥视方法探测导水裂隙带最大高度准确性的基础。

2)钻孔轨迹分析及导高校正是提高钻孔窥视探测导水裂隙带高度准确性的关键环节。

3)影响导水裂隙带最大发育高度探测准确性的主要因素是钻孔倾角与方位的变化，实际方位和倾角越接近设计参数，探测结果越准确。