大厚度含水层下厚煤层保水开采研究

李宏儒，史久林,2，田锦州,2，李向阳，李明轩,2

(1.天地(榆林)开采工程技术有限公司，陕西 榆林 719000；2.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京 100013)

0 引 言

保水开采不仅是制约矿井安全高效生产的重大技术问题，同样也是矿井绿色开采技术的主要内容之一[1]。我国多数矿井上覆岩层中存在多个含水层，部分含水层离煤层距离较近，加之煤层厚度较大，开采过程中上覆岩层裂隙发育程度较高，为承压水与工作面之间提供了涌水通道，导致开采过程中工作面涌水量大，给井下人员的正常作业与设备的正常运行带来了严重的影响，甚至会造成严重的安全事故。近年来，由于采高的不断增加，导致矿井突水问题日益严重，现已成为矿井开采最主要的灾害之一[2]。

对于厚煤层开采过程中的保水措施，前人针对特定工作情况进行了大量研究。刘天泉[3]针对不同煤矿现场采动过程中形成裂隙造成工作面及巷道涌水问题，通过使用理论计算、科学实验等方法，率先提出了“垮落-裂隙-下沉”理论，并总结出了“三带”高度的经验公式。吕广罗等[4]对埋藏深大采高煤层开采过程中的裂隙发育高度进行现场测量，总结出对裂隙带长度的各个影响因素，基于影响因素对现场后续生产的裂隙带高度进行回归分析，并确定其大小。沙猛猛[5]运用四种研究方法对裂隙带的高度进行分析，分析结果表明高度的大小与煤层厚度呈正比。李沂杭[6]针对不同影响因素对导水裂隙带的高度影响进行研究，得出岩性对裂隙带的影响程度最深。

本文以刘庄煤矿4301工作面为研究对象，通过水分地质特征分析、工作面导水裂隙带探测、理论计算及数值模拟分析，对厚煤层开采下的导水裂隙带发育的高度进行实测、计算和模拟，对不同采高下导水裂隙带的高度进行分析，提出巨厚含水层下保水安全开采方案，在开采实践中取得了良好效果。

1 工作面概况

4301工作面为刘庄煤矿三盘区首采工作面，位于盘区东部，工作面西边为4302备采面，东部为井田边界，北部为地表河流保护煤柱，南边为盘区开拓大巷。工作面所采煤层为4-2#煤层，厚度为5.36～6.52 m，平均厚度为6.08 m，煤层含0.14 m泥岩夹矸，采用大采高工艺回采；工作面煤层基本顶为细粒砂岩、中砂岩或粗砂岩，成分以长石、石英为主，泥质胶结，弱风化岩体较完整成块状，含少量硕石，裂隙发育，厚度为1.95～13.30 m，平均厚度为5.45 m；直接顶为泥岩、细砂岩、粗砂岩，成分以长石、石英为主，泥质胶结，弱风化岩体较完整成块状，厚度为1.99～6.21 m，平均厚度为4.09 m；直接底为灰色泥岩，水平层理，夹灰绿色砂质泥岩，部分地段为铝质泥岩，薄层及细砂岩薄层，见镜煤条带，厚度为2.02～5.32 m，平均厚度为3.67 m；老底为泥岩、细砂岩，成分以长石、石英为主，泥质胶结，弱风化岩体较完整成块状，裂隙发育，厚度为3.18～6.40 m，平均厚度为4.22 m。

2 水文地质特征分析

2.1 含水层及隔水层分析

基于工程现场地质资料得到各岩层参数和岩层位置关系，见表1和图1。由图1可知，洛河组含水层是矿区范围内主要充水含水层，地层厚度大，富水性好，煤层回采过程中若导水裂缝带波及到该含水层将造成工作面涌水强度增大；宜君组含水层为煤层上覆白垩系弱富水含水层；在工作面南部区域宜君组与上覆洛河组含水层有一定的水力联系，其厚度分布和富水性特征对矿井充水有一定影响，其余含水层为弱含水层，对工作面开采影响不大；安定组作为4-2#煤层与上覆白垩系含水层间的主要有效隔水层，其发育厚度对工作面充水强度和水害影响持续时间有很大关系。

表1 含水层、隔水层参数情况Table 1 Parameters of aquifer and aquiclude

图1 煤层与主要含水层、隔水层上下关系示意图Fig.1 Schematic diagram of the relationship between the coal seam and the main aquifer and aquiclude

2.2 覆岩发育特征分析

通过对刘庄煤矿4301工作面分布的钻孔柱状图进行地层相关数据统计，结合井田东部区域地层覆岩发育特征综合分析，绘制出的最主要含水层和隔水层与工作面煤层距离等值线图如图2及图3所示。

图2 4301工作面煤层距洛河组含水层距离等值线图Fig.2 Contour line diagram of the distance between the coal seam of 4301 working surface and the aquifer of Luohe Formation

图3 4301工作面煤层距宜君组隔水层距离等值线图Fig.3 Contour line diagram of the distance between the coal seam of 4301 working surface and the aquifer of Yijun Formation

由图2可知，4301工作面范围内4-2#煤层到洛河组底部的距离相对稳定，总体距离多在200 m以上，回采期间，随着工作面推进，工作面煤层距洛河组含水层距离逐渐减小，由最初的216 m逐渐减小至约200 m。 由图3可知，煤层和宜君组距离变化趋势与煤层距洛河组含水层距离较为一致，从切眼到停采线距离逐渐减小，由179 m逐渐减小到165 m。

通过以上分析可知，4301工作面从切眼到停采线方向煤层顶板与上覆洛河组含水层及宜君组距离逐渐减小，在同样的开采条件下，随着工作面推进，上覆岩层导水裂隙更容易触及主要含水层，其覆岩组合特征决定了工作面从切眼推进至停采线过程中受到顶板洛河组含水层水害威胁是逐渐增大的。

3 工作面导水裂隙高度分析

3.1 现场实测

为进一步分析洛河组含水层对工作面开采的影响，现场通过仰孔注水测漏法对刘庄煤矿4301工作面不同开采高度受采动影响后导水裂隙带发育高度进行测定。刘庄煤矿4301工作面辅助运输巷煤层厚度分别为3.5 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m和6.0 m区段处布置5个测站，分别为图4(a)中的1～5，每个测站有3个钻孔(A孔、B孔和C孔)，钻孔直径89 mm，孔深垂直距离200 m，如图4所示。

图4 测站分布及测漏系统Fig.4 Station distribution and leak measurement system

在刘庄煤矿4301工作面距离测站25 m处时，通过仰孔注水测漏法对工作面导水裂缝带发育高度进行探测，探测期间工作面累计推进600 m，不同采高条件下，上覆岩层导水裂隙带高度实测数据见表2。

表2 导水裂隙带高度实测统计Table 2 Height measurement data of water-conducting rift zone

1) 4301工作面回采期间不同采高条件下上覆岩层垮落带高度为17.6～45.8 m，为采高的5.0～7.6倍，导水裂隙带高度为采高的27.9～31.6倍。

2) 覆岩离层带高度为172.4～176.8 m，结合图1和图3可知，覆岩离层带位于宜君组砂砾岩含水层与安定组泥岩隔水层交界之间，随着工作面采动，上覆洛河组及宜君组中的水将逐渐流至离层带。

3) 当采高为3.5～4.5 m时，裂隙带高度为采高的31倍以上；当采高为5.0～5.5 m时，覆岩裂采比减小为27.9～29.3；当采高为6.0 m时，裂采比增加至30.5。

由此分析可知，采高在3.5 m及以下导水裂隙发育至上覆岩层安定组泥岩隔水层，但并未贯通；煤层采高变为5.0～5.5 m时，裂采比又大幅度减小，表明上覆安定组泥岩层在离层形成过程中发生弯曲下沉，使部分裂隙闭合，与安定组上部岩层形成隔水层共同阻隔离层积水；采高变为6.0 m时，覆岩导水裂隙带发育高度增大至187.0 m，裂采比增大至30.5，且在实测过程中离层带高度不明显，离层受到破坏，工作面短时间内出现大量积水，表明当采高为6.0 m时覆岩裂隙已发育至宜君组隔水层，安定组隔水层被贯通，从而使离层带之间的积水渗流至工作面。

3.2 导水裂隙带高度计算

基于煤层工作面地质资料情况，煤层的平均采高为6.08 m，通过不同经验公式对导水裂隙带发育高度的预计，确定采煤过程中裂隙带是否会发育至含水层，使得含水层通过裂隙进入工作面，造成危害。

1) 根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的经验公式计算[7-8]，见式(1)和式(2)。

(1)

Hd=10M+10

(2)

式中：Hd为导水裂隙带的发育高度，m；∑M为累计采厚，m。

通过式(1)和式(2)计算得到，4-2#煤层的导水裂隙带高度为48.64～65.06 m和70.80 m。

2) 根据《煤矿床水文地质工程及环境地质勘查评价标准》(GB 12719—91)中的经验公式计算[9-10]，见式(2)和式(3)。

Hm=(3～4)M

(3)

(4)

式中：Hm为垮落带发育高度，m；Hli为裂隙带发育高度，m；M为采厚，m；N为煤层分层数。

3) 根据《煤矿防治水手册》中软弱覆岩综放工作面导水裂隙带经验公式计算[11]，垮落带高度计算见式(5)，裂隙带高度计算见式(6)。

(5)

(6)

式中：Hm为垮落带发育高度，m；Hli为裂隙带发育高度，m；M为采厚，m。

通过式(5)和式(6)计算得到，垮落带的发育高度为23.74～33.26 m，裂隙带的高度为62.07～76.05 m，因此导水裂隙带的高度为85.81～109.31 m。

综上所述，通过经验公式计算的导水裂隙带范围为48.64～115.05 m。为了矿井的安全开采，导水裂隙带高度取预计结果的最大值115.05 m，计算得到裂采比约为18.92。对比地质资料，导水裂隙带会发育到富水性弱的石英砂岩含水层，该层涌水量较小，对工作面造成危害的可能性较小。

由于各经验公式计算结果范围较大，且经验公式计算只考虑了煤层厚度的影响因素，但煤层的厚度分布并不是均匀不变的，而且上覆岩层的岩性也会对导水裂隙带的发育高度产生不同影响。因此，引入数值模拟研究方法，针对这一变量下导水裂隙带发育高度进行更准确的深入研究。

3.3 数值模拟

为了进一步分析煤层采高对该地质条件下导水裂隙带发育的影响，采用FLAC3D数值模拟软件对煤层采高为4.5 m、5.5 m和6.0 m时，工作面回采过程中上覆岩层破坏范围进行模拟。数值模拟采用莫尔-库伦(Mohr-Coulomb)本构模型，基于刘庄煤矿4301工作面的地质条件，建立数值模型，模型尺寸1 000 m×300 m×520 m(x×y×z)，模型四周和底座固定，顶部为自由边界，工作面沿y轴方向推进，模型如图5所示。

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图5 数值计算模型Fig.5 Numerical calculation model

图6为4301工作面上覆岩层破坏高度。由图6工作面塑性区分布可知，上覆岩层整体破坏形态呈不对称“马鞍”状，工作面的不同采高会对塑性区的破坏高度形成不同的数值结果。当工作面采高为4.5 m时，上覆岩层最大破坏高度为96 m，为采高的21.33倍(图6(a))；当工作面采高为5.5 m时，上覆岩层最大破坏高度为149 m，为采高的27.1倍(图6(b))；采高增大至6.0 m时，上覆岩层破坏范围大幅度向上扩展，最大破坏高度为186 m，为采高的31倍(图6(c))。 结合图6(a)和图6(b)可知，采高为4.5～5.5 m时，导水裂隙带的发育高度为96～149 m，上覆岩层破坏区域最大扩展至安定组泥岩隔水层，由于隔水层的密实作用，破坏范围会产生横向扩散的趋势，当采高进一步增大至6 m时，上覆岩层破坏区域已扩展至宜君组含水层，含水层与工作面之间的渗流通道已导通，在该开采条件下工作面涌水量会增大，具有一定的安全隐患。

图6 4301工作面上覆岩层破坏高度Fig.6 Failure height of overburden layer of 4301 working surface

4 含水层下安全开采方案研究

针对导水裂隙带发育高度的计算结果，采高不同会对导水裂隙带的高度造成不同的结果，其中，煤层的采高变为6.0 m时，覆岩导水裂隙带发育高度增大至186 m，裂采比为30.5，直接贯通宜君组含水层，逼近白垩系下统洛河组含水层，会形成较大的威胁。为了保证刘庄煤矿4-2#煤层的安全开采，提出开采过程中的部分改进措施。

4.1 分段限高开采

4301大采高综采工作面主要水害为洛河-宜君组含水层涌水及离层积水。因此，在实际开采过程中应严格控制采高，其主要原则为工作面回采过程中覆岩最大导水裂隙发育位置与离层之间的距离不宜小于安全保护层厚度，同时根据回采过程中工作面实际涌水量循序渐进调整采高。

根据4301工作面内煤层厚度及上覆岩层主要含水层、隔水层分布情况，可将工作面分段限高区域划分：在工作面推进600～950 m范围内工作面最大采高限制为5.5 m；在工作面推进至950 m以后采高逐步变为5.0 m，工作面推进至1 300 m以后采高逐步变为4.5 m。

4.2 均匀快速推进

当采高一定时，工作面推进速度与上覆岩层离层积水量具有一定关系，工作面推进速度越小，上覆岩层离层积水量越大，离层空间越容易被积水充满，推进速度增大时，离层空间积水量将逐步减小。结合前期4301工作面推进速度实践情况，工作面可保持均匀、快速推进，推进速度保持在6 m/d以上。

5 开采工程实践

基于研究结果，对刘庄煤矿4303工作面进行回采，600 m处限制采高为5.5 m，推进速度为6～7 m/d，回采期间工作面最大涌水量为65.2 m3/h，平均涌水量为52.5 m3/h；推进至950 m后采高逐步变为5.0 m，日推进距离为6～7 m，期间工作面最大涌水量为48.4 m3/h，平均涌水量为50.6 m3/h；工作面推进至1 300 m后采高逐步变为4.5 m，推进速度为7～8 m/d，期间工作面最大涌水量为49.8 m3/h，平均涌水量为40.7 m3/h。

通过对4303工作面600～1 300 m回采期间推进速度、涌水量等数据采集分析可知，工作面采用分段限高开采、均匀快速推进开采方案，在回采期间未出现涌水量过大而停产撤人现象，实现了巨厚含水层下安全开采。

6 结 论

1) 基于现场地质资料，通过仰孔注水测漏法实验测得不同采高导水裂隙带高度不同，工作面裂采比范围为27.9～31.6；采高为5.5 m以下时，上覆岩层宜君组砂砾岩含水层与安定组泥岩隔水层交界之间出现离层带，采动过程中安定组泥岩弯曲下沉，使部分裂隙闭合密实，有利于隔水；当采高为6.0 m时，覆岩裂隙贯穿隔水层而发育至宜君-洛河组含水层，工作面涌水量增大。

2) 通过理论计算及数值模拟对该地质条件下的煤层开采进行计算模拟，得出采高为6.0 m时，导水裂隙带高度最大，范围为48.64～186 m；裂采比也为最高，范围为8.1～30.0。因此，采高为6 m时对刘庄煤矿的安全生产威胁最大。

3) 基于计算结果提出考虑安全保护层分段限高、均匀快速推进的安全开采方案。实践结果表明，采用该方案开采后工作面涌水量有效降低，实现了巨厚含水层下安全开采，对后续工作面的防治水工作的开展有指导作用。