顶板砂岩水下煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度研究

陈国红

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

实现科学采矿成为新形势下煤矿开采的必然要求[1]，而导水裂隙带发育高度是覆岩含水层下采煤安全性分析的基本条件。煤层的开采引起覆岩中形成采动裂隙，随着开采的不断扰动与破坏，岩层中采动裂隙将进一步变化[2]。为了实现矿井水害防治，关键在于覆岩破坏高度的确定[3]。因此，有必要对综采工作面采动后覆岩导水裂隙带发育高度进行研究。

导水裂隙带发育高度确定方法常用有现场物探法、实验室实验、理论分析等[4-5]。黄万朋等[6]提出基于岩层拉伸变形的覆岩破坏高度预测方法；黄庆享等[7]依据特殊保水开采区的典型地质条件，确定了下行裂隙的发育深度；侯恩科等[8]基于微震监测，探索了洛河组含水层下裂隙演化规律；杨达明等[9]采用钻孔电视、井下钻孔注水漏失量观测等方法研究了厚松散层软弱覆岩条件综放开采导水裂隙带高度；武忠山等[10]以曹家滩煤矿为工程背景，分析了不同开采技术条件(采宽、采深、推进速度)对裂隙发育高度的影响规律；张云等[11]研究了含水层下短壁块段式开采过程不同主控因素对裂隙演化的影响规律。

综上所述，不同地质条件下导水裂隙带发育高度研究取得了丰硕的研究成果。但由于我国地质条件的复杂性，导致导水裂隙带发育高度的确定仍处于探讨阶段，还需进一步深入研究。鉴于此，针对新集矿区某综采工作面上覆砂岩含水层赋水性较强的技术背景，综合运用经验公式估算、数值模拟、井下仰孔观测法研究工作面开采覆岩导水裂隙带发育高度，为砂岩含水层下安全采煤及防治水工程提供地质依据。

1 试验区工程概况

新集矿区某综采工作面回采11-2煤层，煤厚3.2～4.3 m，平均厚3.63 m，煤层结构复杂。工作面平均走向长度1 501 m，工作面长193 m，煤层倾角12°～18°，平均14°。导水裂隙带探测范围，工作面直接顶为细砂岩，基本顶为粉砂岩。工作面采用走向长壁后退式回采，平均采高3.8 m。采用瞬变电磁、高密度电法对回采煤层顶底板砂岩含水层的赋水性进行探测，发现工作面顶板赋水性较强，底板赋水性较弱，为确保顶板覆岩含水层下回采安全，需要对工作面回采后导水裂隙带发育高度进行研究。

2 覆岩“两带”发育高度估算

2.1 经验公式估算

经验公式运用前提为掌握覆岩顶板所属类型。对工作面覆岩顶板取芯探查，得到11-2煤层顶板岩层力学参数见表1。

表1 11-2煤层顶板岩层力学参数Tab.1 Mechanical parameters of roof strata in No.11-2 coal seam

对工作面钻孔柱状分析，工作面顶板主要为砂岩、砂质泥岩及泥岩互层，其中砂岩占比43.8%，泥岩占比32.4%，砂质泥岩占比23.8%，判定覆岩所属为中硬顶板类型。按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中经验公式计算，工作面平均开采高度为3.8 m，得到裂隙带最大发育高度为33.66～44.86 m。

2.2 基于关键层位置覆岩导水裂隙带高度预测

采场覆岩变形和破坏受关键层位置的控制作用，直接影响“三带”裂隙分布特征[12]。根据文献[13]建立的关键层位置判别方法及工作面开采覆岩综合柱状及钻探孔揭露的覆岩岩性特征，对顶板覆岩关键层所处的层位进行判断，如图1所示。

图1 覆岩关键层判别结果Fig.1 Discriminant result of key strata of overburden

从图1可以看出，煤层顶板55.43 m发育的石英砂岩为覆岩关键层。根据许家林等[14]研究成果，计算得到关键层破断裂缝贯通临界高度为26.6～38.0 m，上覆关键层所在层位大于临界高度，导水裂隙带发育高度应按照临界高度上覆最近关键层位置估算。依据工作面煤层变化情况，预测导水裂隙带发育高度为55.43 m。

3 导水裂隙带发育高度数值模拟

3.1 数值模型建立

采用FLAC3D数值软件构建数值计算模型，对煤层顶板覆岩破坏进行研究。设定工作面沿倾向布置(Y轴)，沿走向推进(X轴)，重力方向为Z轴，考虑煤岩层的倾角为14°，建立三维模型的尺寸为：倾向398.0 m、走向440.0 m、高度238.2 m，如图2所示。将工作面上覆岩层按照岩性划分，将岩性相似的岩层划分为同一组，模拟顶板岩层21层，底板岩层5层，设定工作面长190 m，走向推进240 m，回采平均高度3.8 m。

图2 数值计算模型Fig.2 Numerical calculation model

模拟工作面回风巷标高为-486 m，模型四周和底边界采用位移边界条件，上端面采用应力边界条件，施加9.45 MPa的均布载荷。计算过程岩体的破坏采用摩尔—库仑准则，地应力通过S-B法进行加载计算。采用人工调节冒落带的方法对采空区进行处理[12]。

3.2 数值结果分析

按照工作面实际采掘顺序进行运算求解。工作面开采后覆岩导水裂隙带的形成与发展由顶板岩层的变形破坏确定，可采用应力判别法及位移分析法对工作面开采后覆岩导水裂隙带破坏特征进行分析。工作面推进240 m时覆岩主应力矢量如图3所示。

由图3可以看出，受工作面采动影响，采场围岩应力重新分布，主应力迹线在采空区周围围岩发生偏转，表现出覆岩破坏具有分带性特点：拉张破坏区分布在采空区上方拉应力区岩层内，其上限为确定冒落带的重要依据；拉张破坏区上部发育拉张裂隙区，其上限是确定裂隙带的重要依据；拉张裂隙区之上的岩层为未破坏区，判断为弯曲下沉带。

图3 覆岩主应力矢量Fig.3 Vector diagram of overburden principal stress

继续对采场覆岩主应力分析。岩石为抗压不抗拉材料，若采空区覆岩范围最大、最小主应力均为拉应力，判断岩石产生拉破坏，为冒落带范围；若只有一个主应力为拉应力，判断与该拉应力垂直方向产生明显裂隙，为裂隙带范围。设定拉应力为正，以工作面走向方向为例，工作面推进240 m覆岩主应力随采空区顶板距离变化曲线(所取切片为走向方向采空区中央位置)如图4所示。分析数据可得，工作面推进240 m时，冒落带发育高度为15.2 m，冒采比为3.97；导水裂隙发育高度为57.6 m，裂采比为15.1。

图4 主应力与距采空区顶板距离的变化曲线Fig.4 Change curve of principal stress and distance from roof of goaf

覆岩“三带”的产生是由于位移不连续变化引起。为分析覆岩离层裂隙发育情况，工作面推进240 m采空区上方不同层位垂直位移曲线(所取切片为走向方向采空区中央位置)如图5所示，重点分析覆岩顶板60 m范围。

图5 采空区顶板上方不同层位垂直位移曲线Fig.5 Vertical displacement curves of different layers above the roof of goaf

从图5中可以看出，采空区顶板上方不同层位的岩层垂直位移的变化趋势基本相同，即从采空区两侧向中部垂直位移逐步增大，且垂直位移随着距采空区顶板高度的增加而逐步减小，但不同层位的相对垂直位移变化较大。采空区中部覆岩垂直位移与距顶板距离变化曲线如图6所示。

由图6可以看出，随距采空区顶板距离的增加，采空区中部覆岩垂直位移逐步减小，存在一个拐点，拐点之上的岩层垂直位移变化幅度较小，表明岩层已协调变形，判断岩层所属范围为弯曲下沉带，拐点位置为导水裂隙带的上限。利用位移分析方法移判定覆岩导水裂隙带发育高度为55.2 m。

图6 采空区中部覆岩垂直位移随距顶板距离变化曲线Fig.6 Variation curve of vertical displacement of overburden in the middle of goaf with distance from roof

4 覆岩导水裂隙带现场实测

现场导水裂隙带发育高度的探测采用井下仰孔分段注水法，具有精度高、观测效果明显等优点[15]，使用时钻孔避开冒落带斜穿裂隙带，并高于裂隙带顶部一定距离。

4.1 观测设计

根据经验公式预测、数值模拟计算结果，需要对裂隙带发育高度在55 m范围内的覆岩破坏情况进行研究，为保证探测结果的可靠性，具体应用时应加大钻孔施工深度，本次设计延长10 m的钻孔垂直高度，即观测钻孔垂直高度控制为65 m。为了动态掌握覆岩导水裂隙带发育高度，在工作面终采线向外35 m位置布置钻场(工作面上部车场)施工观测钻孔，钻孔直径94 mm，孔深101 m，钻孔仰角35°，方位角85°。测试分两步进行，为采前、采后各观测1次，采后观测时，导水裂隙带已充分发育。

4.2 测试结果分析

采用分段注水试验得到观测钻孔采前、采后注水量测试结果如图7所示。观测钻孔孔深0～30 m属于采前区域，不作为重点分析。从图7(a)可以看出，35～40 m段漏失量较小，平均为2 L/min，表明该段岩层结构致密，原始裂隙弱发育；40～52 m，漏失量3～9 L/min；56～101 m段漏失量变化范围较大，在2～12 L/min变动，说明该段岩层原始裂隙较为发育，且表现出不均匀性的特点。分析图7(b)，孔深40～74 m段，采后探测结果相比较于采前，相对漏失量变化为10%～225%，分析采后此段岩层裂隙发育较为明显；75～101 m，采后漏失量相对于采前减小，表明该段岩层在一定下沉过程中原生裂隙压密，出现闭合现象，判断为弯曲下沉带。根据采前、采后注水漏失量相对变化量，图8给出了工作面回采结束后导水裂隙带发育形态。

图7 井下仰孔分段注水试验结果Fig.7 Test results of underground inverted hole sublevel water injection

图8 工作面导水裂隙带发育形态Fig.8 Development patterns of water conducted zone in working face

可见，导水裂隙带发育高度的上限约处于孔深74 m位置，形态呈“马鞍形”，确定采后稳定状态导水裂隙带发育高度为H裂=53.4 m。

综合研究方法得到的覆岩“两带”高度结果列于表2。

表2 覆岩导水裂隙带发育高度Tab.2 Development height of water conducted fracturezone in overburden

综合分析得到，基于关键层理论的覆岩导水裂隙带发育高度预测方法、FLAC3D数值模拟结果与现场实测结果基本一致，而采用经验公式的计算结果与现场实测数值相差较大，表明经验公式在预测覆岩导水裂隙带发育高度存在一定的局限性。综合研究结果确定工作面导水裂隙带最大发育高度为57.6 m，研究结果可为工作面顶板水害治理提供地质依据。

5 结论

(1)分析了工作面覆岩顶板为中硬顶板类型，经验公式预测裂隙带发育高度为33.66～44.86 m；基于关键层所在层位覆岩导水裂隙带预测方法，预测导水裂隙带发育高度为55.43 m。

(2)构建FLAC3D数值计算模型，通过应力判别法分析得到工作面导水裂隙带发育高度为57.6 m，通过位移分析法判定覆岩导水裂隙带发育高度为55.2 m；现场采用井下仰孔分段注水法进行导水裂隙带探测，覆岩稳定状态导水裂隙带发育高度为53.4 m，形态呈“马鞍型”。

(3)综合研究得到新集矿区某工作面回采后，导水裂隙带最大发育高度为57.6 m，研究结果可为工作面顶板水害治理提供地质依据。