内蒙古门克庆煤矿导水裂隙带高度探测及发育规律

吴铁卫

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

导水裂隙带是煤矿重要的充水通道。导水裂隙带发育高度直接影响着矿井水害的防治，影响覆岩稳定性评价、采空区治理等。近几年来，广大地质工作者通过现场实测、相似材料模拟、数值模拟、统计分析等方法对导水裂隙带发育高度及发育规律开展了大量的研究，并且取得了大量研究成果[1-8]。

《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(安监总煤装〔2017〕66 号)中，在总结了近年来导水裂隙带实测高度数据的基础上，对于单层采厚1～3m的中薄—中厚煤层以及对采厚3～10m的厚—特厚煤层的导水裂隙带发育高度计算进行了说明[9-11]。《煤矿防治水细则解读》中，对分层开采(单层采厚1～3m，累计采厚不超过15m)和综放开采(采放高度3.5～12m)的导水裂隙带发育高度进行了总结，并提炼出了相关的经验公式[10]，导水裂隙带预测精度进一步得到提升。

事实上，导水裂隙带的发育高度受开采厚度、开采面积、岩性及组合方式，煤层倾角、煤层埋深等多种因素的影响[1，4，12]，相关经验公式并非完全适用，有的计算误差值还比较大。因此，需要对煤层开采后的导水裂隙带发育高度进行实测，以满足煤矿防治水及相关工作的需要[13-15]。

1 研究区地质条件

门克庆井田位于内蒙古呼吉尔特矿区中部，行政区划隶属乌审旗图克镇管辖。井田含煤地层为中侏罗统延安组，上覆地层依次为中侏罗统直罗组、安定组、下白垩统志丹群和第四系。

1.1 中侏罗统延安组

平均厚度281.86m，全井田均有发育，井田的中西部厚度较大，揭露最大厚度为323.21m，东南部厚度小，揭露最小厚度为228.06m。岩性主要为浅灰色、灰白色的粗、中、细粒砂岩以及灰色、深灰色砂质泥岩、泥岩等，可见水平纹理及波状层理。为含煤地层，含2#、3#、4#、5#、6#共五个煤组，其中3-1煤为主采煤层。

1.2 中侏罗统直罗组

平均厚度153.26m，全井田均有发育，其中，井田的东南部地层厚度较大，揭露的最大厚度为219.45m，西北部厚度变小，揭露最小厚度为117.75m。总体上，可以分为上下两段，其中，上段主要为紫红色、杂色砂质泥岩、泥岩与灰绿、黄绿色砂岩及粉砂岩互层夹中砂岩，下段主要为浅黄、青灰色中、粗粒砂岩，局部夹粉砂岩、砂质泥岩。

1.3 中侏罗统安定组

平均厚度76.96m，全井田均有发育，揭露的最大厚度为118.23m，最小厚度为58.05m。总体上，可以分为上下两段，上段岩性主要为紫褐色、暗紫红色、灰绿色砂质泥岩，夹薄层杂色粉、灰绿色细砂岩，下段岩性主要为紫褐色、灰绿色中、粗粒砂岩，局部夹粉砂岩、砂质泥岩。

1.4 下白垩统志丹群

平均347.67m，全井田均有发育，揭露的最大厚度为420.00m，最小厚度为303.30m。总体上，可以分为上下两段，上段岩性主要紫红色粗、中、细粒砂岩，下段岩性主要为深红色粉砂岩、砂质泥岩夹细粒砂岩、泥岩，可见斜层理和交错层理。

1.5 第四系全新统

广泛分布于井田内，岩性主要为风积砂、细砂，见半月形或波状砂丘，厚度22.80～59.40m，平均42.74m。

2 导水裂隙带发育高度探测

2.1 探测钻孔布置

探查孔LY-1孔布置在矿区3101工作面，距离切眼约为1 435m。钻孔附近段开采时间距离钻孔施工时间约为9个月。

3101工作面为首采工作面，设计宽度为260.4m，设计推进长度为3 904.3m，开采方式为综放开采。煤层厚度3.85～5.45m，平均4.92m，地层平缓，煤层倾角1°～4°(图1)。

图1 3101工作面布置

2.2 探测方法

2.2.1 钻井液漏失量观测法

在LY-1孔施工中，共有三次出现全漏。

1)钻进至315m以前，钻井液未见明显消耗。在钻进至316.25m出现全漏，钻井液全消耗不返浆，漏段315.74～336.95m。后钻进至351～390m段，岩心完整，裂隙不发育，综合分析为相对比较完整的地层。

2)钻进至396m处钻井液全漏失，在钻进过程中有掉钻、扒车、井壁坍塌现象。继续钻进至475～531m段，地层比较完整。

3)钻进至532m处，漏失量有增大的现象。在钻进至560m处，出现全漏，至钻孔施工结束，全孔再未出现返浆。而且，常出现掉块、卡钻等现象。

2.2.2 井下彩色电视成像

在探查过程中，每次出现全漏后，采用井下彩色电视成像系统对裂隙发育情况进行探测。

在315.74～336.95m段、390～398m段采用井下彩色电视成像系统对裂隙发育情况进行探测时，均发现有多处裂隙发育，呈横向发育状态。在560m向下，探测发现连续高角度纵向裂隙发育，特别到572m以下，高角度纵向裂隙密集。再继续往下钻进中，钻井液全部处于完全漏失状态，地层破碎严重(图2)。

(a) 336m段 (b) 568m段

2.2.3 超声成像探测

超声成像是通过测量井壁岩石对超声波的反射情况(回波的幅度和传播时间)来获得井壁的图像。在岩体裂缝识别、断层构造判断中，对于裂缝的产状及发育方向等，具有很好的探测效果。

在超声成像探测中，在315.74～336.95m段、351～392m段、390～398m均发现裂隙发育情况。而且，在560m以下孔段，裂隙密集发育，并且各段裂隙均有相互联通的现象。裂隙的顶部发育在559.50m(图3)。

3 导水裂隙带发育高度的确定

3.1 实测结果

根据钻井液漏失量观测，共发现三次漏失量变大直至全漏段。但是，在第一次与第二次全漏段之下，通过钻探均发现有巨厚的完整段，这些层段岩心完整，裂隙不发育，漏失量小，因此，第一次与第二次全漏并非为导水裂隙带发育而漏失。通过井下彩色电视录像分析，这些层段横向裂隙发育，而且上覆岩层均为较厚的粉砂岩、细砂岩，厚度在25～30m。经过分析，认为两次漏失分别为离层发育区。

第三次全漏发生在560m处，该段往下没有发现完整地层，岩心破碎，全部为全漏失段。通过井下彩色电视录像分析，560m左右层段，高角度竖向裂隙发育。通过超声成像探测，顶部在559.5m处。据此分析，为导水裂隙带发育顶部。

根据全孔揭露，导水裂隙带发育高度为132.90m，裂采比为26.85。

3.2 经验公式计算结果

3101工作面开采方式为综放开采，因此选择适用于综放开采工作面中硬、软弱覆岩条件下的顶板导水裂缝带的发育高度经验公式计算：

(1)

式中：M为开采煤层累计厚度，m。

经计算，导水裂隙带发育高度最大为72.52m。该经验公式计算的导水裂隙带高度明显小于实测发育高度，误差达到了60m之多。

4 数值模拟

采用三维有限差分计算机程序FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)进行模拟，主要是模拟门克庆煤矿3101工作面回采过程煤层顶板导水裂隙带发育过程及发育特征。为了消除模拟的边界效应，在3101工作面的前后左右各延伸100m；同时，垂向上为减少底板岩体对模拟回采工作面的影响，取煤层煤底板岩体厚度为60m。

为了简化网格剖分的工作量，将岩性、力学性质和厚度相近或相同的岩层划归为一个层组。将首采区的岩层划分为12个层组。同时，选用Brick基本网格单元体剖分(图4)。在模拟过程中，将开挖空间的实单元变成空单元。开采过程中，随着工作面不断推进，采空区不断扩大，煤层顶板岩体逐步冒落，并在采空区形成松散岩块，并充填采空区。因此在模拟过程中，根据模拟经验，采空区的冒落岩块的力学参数按松散堆积物赋值。分别模拟回采100m、200m、300m、400m和500m时，煤层顶板岩层破坏移动规律(图5)。

图4 数值模拟网格模型

图5 煤层回采时顶底板破坏区

通过数值模拟，可以总结出以下规律：

1)随着工作面的持续推进，工作面回采长度不断增加，同时，煤层顶板受采动影响的岩体范围不断扩大。根据模拟的特征，3101工作面顶板覆岩破坏形态呈现出两边高、中间低的马鞍形。

2)在煤层顶板附近区域所受的力主要是拉应力，当拉应力区域开始产生裂隙时，在裂隙的端部会相应的产生应力集中，在煤层顶板附近区域岩层中的拉应力集中系数会变大。一般而言，岩石的抗拉强度比较低。因此，在出现拉应力的煤层顶板附近区域岩石极易跨落。

3)导水裂隙带在采动裂隙发育比较充分的采空区边缘处发育最高。通过数值模拟，3101该工作面导水裂隙带发育高度约为139m，与实测结果相近。

5 结论

1)综合采用钻井液漏失量观测法、井下彩色电视成像、超声成像探测方法，可以有效探测导水裂隙带发育高度。

2)门克庆煤矿3101工作面导水裂隙带顶部与煤层的距离为132.90m，裂采比为26.85。

3)经验公式与实测数值差距较大，应以实际探测的结果为准。

4)随着工作面向前推进，开采长度增加，覆岩破坏形态一般呈两边高、中间低的马鞍形。导水裂隙带在采动裂隙发育比较充分的采空区边缘处发育最高。