弱固结地层特厚煤层综放开采覆岩破坏及水害防控研究

李宣东，张风达，张春牛，曹路通，宋文杰，申晨辉，于忠升，蔡昌伟，李汉汉，周全超

(1.华亭煤业集团有限责任公司，甘肃 华亭 744100；2.天地科技股份有限公司，北京 100013；3.华能庆阳煤电有限责任公司，甘肃 庆阳 745006；4.扎赉诺尔煤业有限责任公司，内蒙古 满洲里 021410；5.华能煤业有限公司，北京 100070；6.华能云南滇东能源有限责任公司，云南 曲靖 655500；7.华能煤业有限公司陕西矿业分公司，陕西 榆林 719000；8.华能煤炭技术研究有限公司，北京 100070)

0 引 言

随着我国综合机械化装备的不断升级，综放开采方法已逐渐成为煤炭资源安全高效开采的主要方法之一。综放开采具有开采强度大，覆岩移动变形较为剧烈等特点，在上覆岩层存在含水层时，综放开采易诱发顶板水害事故。基于此，国内外专家针对综放开采覆岩破坏规律开展了大量研究。王家臣[1]系统阐述了我国煤矿综放采煤工艺特点及发展历程；张宏伟等[2]、马莲净等[3]分别采用微震监测、钻孔冲洗液消耗量观测法等方法获取了老虎台矿“弱-弱”结构覆岩的导水裂缝带高度与采厚的比值分别为8.5和7.3，与坚硬覆岩、中硬覆岩类型相比较小；张冰等[4]以多伦煤矿为研究对象，分析得出白垩系覆岩下综放开采裂采比为12.21；张玉鹏等[5]针对蒙西深部厚煤层综放开采后的覆岩破坏高度进行实测，确定裂采比在17.10～22.06之间；张国奇等[6]运用钻孔冲洗液漏失量观测法确定半固结砂岩下综放开采裂采比在11.16～13.09之间；张玉军等[7]运用钻孔冲洗液漏失量观测法和钻孔窥视法，获取了中硬覆岩类型的综放开采裂采比在16.15～18.03之间；张宏伟等[8]通过现场实测获取同忻煤矿特厚煤层综放开采裂采比在10.0～11.5之间。大量的现场实测研究为揭示厚煤层综放开采覆岩破坏特征提供了重要支撑。

当导水裂缝波及范围内存在含水层(体)时，易诱发工作面充水溃砂事故，尤其是侏罗系地层或白垩系地层的胶结性相对较差，在水压作用下导致岩体崩解，形成水-砂混合物，涌入采动空间给矿井安全生产带来威胁。为此，部分专家针对水体下综放开采的水害防控技术开展了大量研究。张玉军等[9-10]提出了控水采煤理论；刘生优等[11]运用并行电法的物探方法和钻孔探放水方法，提前对导水裂缝带内的含水层进行提前疏放；宋业杰等[12]针对积水采空区下厚煤层综放开采，提出了“物探探查、钻探验证、疏干再采”的技术方案；刘治国[13]以限厚开采的方式实现了河下及砂砾岩含水层下的安全开采；李磊等[14]、王乐杰[15]从水害防治和地表岩移的角度对Ⅱ2-1煤层采空积水、基岩裸露地区河下安全开采可行性；王冠等[16]针对不同水害类型采取相对应的井上下钻孔疏排防治水方法，确保了工作面安全回采；高虎等[17]针对极复杂水文地质条件的综放工作面，提出了“走向‘波浪式’+倾向‘倒V式’+架后留疏水通道”控水工艺；朱开鹏[18]提出限厚开采是实现浅埋水体下安全开采的重要方法之一。以上研究为综放开采覆岩破坏规律及水害防控提供了重要参考，但主要是针对单一煤层回采过程中水害防治技术开展的相关研究，在实际生产过程中，随着浅部资源的日趋枯竭，煤炭资源开采转入下水平开采或下组煤层开采时，不仅面临着覆岩内含水层的影响，还面临着上覆采空区水的影响，其覆岩破坏规律和水害防治技术等均与单一煤层开采存在较大的差异。

1 工作面概况

根据含水层赋存特征，将Ⅱ3煤层顶板砂岩含水层定义为一含，一含渗透系数为0.186～0.247 m/d，单位涌水量为0.05 L/(s·m)，是Ⅱ3煤层开采的直接充水含水层；一含上部隔水层称为一隔，一隔与Ⅱ2-1煤层底板之间砂岩含水层称为二含(1)，单位涌水量为0.007 5～0.020 9 L/(s·m)，属于弱富水含水层，且富水性不均一；Ⅱ2-1煤层与二含(1)之间称为二隔(1)；Ⅱ2-1煤层顶板砂岩含水层依次称为二含(2)、三含，二含(2)单位涌水量为0.003 7～0.097 0 L/(s·m)，属弱富水含水层；二含(2)与Ⅱ2-1煤层之间的隔水层称为二隔(2)，三含与二含(2)之间称为三隔，三隔之上为三含，三含单位涌水量为0.4 L/(s·m)，渗透系数4.44 m/d，富水性中等，具体如图1所示。

图1 矿井各含、隔水层的划分示意图Fig.1 Demarcation of water-bearing and water-resisting layers in mine

灵东煤矿Ⅱ3煤层厚度为8.64～26.08 m，由东北部向西南部逐渐变薄，并向东南部煤层埋深逐渐增大，煤层埋深423.58～492.18 m。煤层顶板为细粒砂岩或粉砂岩，底板为细粒砂岩。Ⅱ3煤层首采工作面宽287 m，上覆Ⅱ2-1煤层埋深为359 m，煤层厚度为12 m，放顶煤层一次采全高；Ⅱ3煤层平均埋深为469.15 m，煤层厚度为24 m，分两层开采，一次开采厚度12 m；Ⅱ3煤层与Ⅱ2-1煤层平均间距为98.6 m。距Ⅱ2-1煤层顶板75 m处为三含，Ⅱ3煤层安全回采自下而上面临着一含、二含(1)、Ⅱ2-1煤层采空区水、二含(2)、三含等含水(层)体。 Ⅱ3煤层所处的西采区赋存呈现出西北高东南低的特点，首采工作面位于西采区东南侧，工作面埋深430～472 m，工作面走向长3 070 m，倾斜宽276 m。

2 覆岩破坏特征研究

覆岩破坏高度预计及其破坏特征研究已成为水害防控的关键，为研究弱固结覆岩类型、重复采动条件下的覆岩破坏特征，采用类比分析法、相似模拟法和数值模拟法等进行综合分析。

2.1 类比分析法

根据扎赉诺尔矿区开采的实践经验，总结了放顶煤开采厚度与导水裂缝带发育高度之间，关系图如图2所示。 由图2可知，煤层开采厚度介于2～17 m之间，裂采比为5～10。类比经验数据可知，灵东煤矿西采区Ⅱ3煤层顶分层采厚12 m，综放开采时的导水裂缝带高度预计值为75 m，首采工作面Ⅱ3煤层与上层Ⅱ2-1煤层间距约为98 m，即Ⅱ3煤层顶分层综放开采时采动裂缝不会波及Ⅱ2-1煤层采空区。

图2 扎赉诺尔矿区类比预计的采厚与裂高关系图Fig.2 Relationship between mining thickness and fracture height predicted by analogy in Zhalainuoer Mining Area

2.2 相似模拟

采用相似模拟手段研究Ⅱ2-1煤层与Ⅱ3煤层顶分层重复开采的覆岩破坏特征及导水裂缝带高度。

2.2.1 Ⅱ2-1煤层开采覆岩破坏特征分析

当工作面推进200 m时，在Ⅱ2-1煤层顶板上覆38 m处产生离层，下部离层空间闭合。当工作面推进215 m处，导水裂缝带高度为50 m，其下部离层空间逐渐闭合。工作面开挖250 m时，导水裂缝带高度为72.4 m，并保持稳定。工作面开挖262.5 m和362.5 m时，Ⅱ2-1煤层顶板上覆分别在100 m和115 m处产生离层，下部离层空间闭合。在工作面不断推进过程中，上覆岩层裂隙呈现“阶梯式”垮塌特征(图3)；工作面附近裂隙动态发育，裂隙发育高度随着推进距离不断增加。除开切眼附近及工作面附近裂隙动态发育外，采空区中部采动空间迅速压实，垮落岩体裂隙空间大部分闭合。

2.2.2 Ⅱ3煤层顶分层开采覆岩破坏规律分析

当工作面推进212.5 m时，Ⅱ3煤层顶板导水裂缝带高度在40 m左右。当工作面推进250 m时，采空区上覆离层空间闭合，Ⅱ3煤层与Ⅱ2-1煤层层间岩层同步协调弯曲下沉，工作面后方层间岩层内无离层空间(图4)。此后随着工作面继续推进，工作面后方层间岩层呈现相同的运动规律，始终同步协调弯曲下沉。除工作面及开起眼附近存在较大离层空间外，其他位置层间岩层同步协调弯曲下沉，能够迅速填满开采空间，采空区裂隙迅速闭合。

图3 Ⅱ2-1煤层开采覆岩破坏过程Fig.3 Mining rock failure process of Ⅱ2-1 coal seam

图4 Ⅱ3煤层顶分层开采覆岩破坏过程Fig.4 Failure process of roof strata mining in Ⅱ3 coal seam

Ⅱ3煤层顶分层开采工作面推进过程中裂缝带发育高度变化见表1。 由表1可知，工作面推进87.5～175 m期间，裂缝带发育高度逐渐增加，采空区中部裂缝带发育速度最快，高于工作面附近。

表1 Ⅱ3煤层顶分层开采裂缝带发育高度变化Table 1 Variation of development height of fracture zone in top stratification mining of Ⅱ3 coal seam

2.3 数值模拟研究

为保证工作面达到充分采动，且考虑模型计算效率，将Ⅱ3煤层上覆未模拟的岩层3 MPa载荷替代施加在模型顶部，最终确定模型尺寸长×宽×高为700 m×500 m×323 m。分析Ⅱ2-1煤层与Ⅱ3煤层分别回采500 m时，上覆岩层破坏特征如图5和图6所示。

图5 Ⅱ2-1煤层推进500 m塑性区分布图Fig.5 Distribution map of plastic zone of 500 m advancing in Ⅱ2-1 coal seam

图6 Ⅱ3煤层顶分层开采12 m推进500 m塑性区分布图Fig.6 Distribution map of plastic zone of 12 m advancing 500 m in top slicing mining of Ⅱ3 coal seam

由图5可知，Ⅱ2-1煤层开采时，随着推进长度增加，顶板上部破坏发育呈现两侧高，中间低的“马鞍型”形态，工作面两侧覆岩破坏高度要大于中部，推进500 m时，顶板覆岩破坏发育达到稳定，导水裂缝带高度最大值为73 m。由图6可知，Ⅱ3煤层顶分层采12 m，工作面推进500 m时，导水裂缝带高度发育至74 m，两侧边界最高位置与Ⅱ2-1煤层的底板采动破坏带未沟通，此时采空区积水不会对顶分层开采造成直接充水影响，上部Ⅱ2-1煤层导水裂缝带高度发育无明显增加。

根据类比分析法、相似模拟法和数值模拟法综合分析，Ⅱ2-1煤层在煤层厚度为12 m开采的情况下，预计导水裂缝高度为75 m；Ⅱ3煤层顶分层采用12 m附近的综放开采工艺，预计导水裂缝带高度为75 m，导水裂缝带尚未导通上覆Ⅱ2-1煤层采空区。

3 水害防治技术

3.1 水害防治原则

为了实现正常综放开采，对垮落带范围内的砂岩含水层采用“先疏后采”的措施，要求在采前疏干，以防止工作面溃砂、溃泥等灾害；对导水裂缝带范围内的砂岩含水层采用“先疏后采”与“边采边疏”相结合的措施，要求在采前预先疏降以降低回采期间的涌水压力，通过“边采边疏”予以疏干或基本疏干，为实现疏干(降)开采创造条件，对处于导水裂缝带范围之上的含水层采用顶水开采措施。

首采工作面Ⅱ3煤层顶分层开采时，对于二含(2)及以上含水层现阶段按照留设防水安全煤岩柱考虑，防止二含(2)及以上含水层对工作面产生直接充水影响；对于二含(1)开采前需要将含水层水位疏降到含水层顶板以下；由于一含距离煤层较近，对工作面有充水溃砂影响，开采前需要将一含进行疏干处理；对于Ⅱ2-1煤层采空区积水，在开采前上采取疏干处理措施。

3.2 物探探查

3.2.1 一含含水层富水区分析

以工作面推进自右向左进行递减式编号，以米为单位进行计数，最右侧为开切眼，物探结果如图7所示。 采用音频电透视法获取的一含视电导率探测结果变化范围在7.42～10.02 S/m期间的变化，该层段异常阈值为9.22 S/m，大于该值的设为异常范围。

图7为矿井瞬变电磁法在运输顺槽的水平方向剖面图和矿井瞬变电磁法在回风顺槽的水平方向剖面图，中间阴影充填区域为音频电透视方法推断的富水异常，网格状充填区域为基于矿井瞬变电磁法推断的富水异常。

通过两种物探方法推断的异常范围分布情况，以两种方法吻合程度较高的区域、密集分布的区域为基准，结合其分布趋势圈定了两个重点的异常区域，分别是工作面点号为2090～2350区域及2450～2850区域这两个重叠程度高的区域，认为这两个范围内其电性异常较为一致，富水异常的可能性较大，是防治水工作的重点区域。 而Y4区、Y6区和Y1区分布虽然两种方法圈定范围具有一定的差异性，但也是异常的分布区域，需采取钻探等方法进行验证。

3.2.2 Ⅱ2-1煤层采空富水区分析

矿井瞬变电磁法与音频电透视法对Ⅱ2-1煤层采空富水区综合探测成果如图8所示。采用音频电透视法获取的，视电导率探测结果变化范围在2.12～6.52 S/m期间的变化，该层段异常阈值为4.03 S/m。

综合以上分析，通过两种物探方法推断的异常范围分布情况，以两种方法吻合程度较高的区域、密集分布的区域为基准，结合其分布趋势圈定了两个重点的异常区域，分别是点号为2070～2330区域及2400～2850的区域，认为这两个范围所在的区域其电性异常较为匹配，富水异常的可能性较大，是防治水工作的重点区域。

图7 矿井瞬变电磁法与音频电透视法对一含含水层综合解释图Fig.7 Comprehensive interpretation chart of aquifer by transient electromagnetic method and audio electric perspective method in mine

图8 矿井瞬变电磁法与音频电透视法对Ⅱ2-1煤层采空富水区综合解释图Fig.8 Comprehensive interpretation chart of mine transient electromagnetic method and audio electric perspective method for Ⅱ2-1 coal seam mining goaf rich water area

3.3 钻探探查

首采工作面运输顺槽内依次施工疏放水钻场，钻场间距不大于100 m，钻场内一含疏放水钻孔间距以含水层富水性为依据进行调整，每个钻场布置钻孔1～3个。回风顺槽按照100 m间距向煤壁方向依次施工疏放水钻孔。一含探放水钻孔初始疏放水量主要介于1～4 m3/h，个别钻孔初始疏放水量达到24 m3/h。二含(1)主要借助Ⅱ2-1煤层采空区积水疏放水孔进行疏放，针对工作面中部二含(1)厚度较大的、且未施工Ⅱ2-1煤层采空区积水疏放水孔的区域，在一含疏放水钻场内布置1～2个钻孔进行补充疏放。受松软地层影响，Ⅱ2-1煤层采空区积水疏放水孔钻孔成孔率较低，钻孔施工完成后基本无水。

为了便于实现对井下疏放水钻孔的调整，一含钻孔的终孔层位为一含顶板。兼做二含(1)疏放水的Ⅱ2-1煤层采空区积水疏放水孔以穿过Ⅱ2-1煤层底板5 m为准，Ⅱ2-1煤层采空区积水疏放水孔重点布置在地势低洼处等疑似积水区，尤其是区段煤柱附近，作为二含(1)补充疏放水钻孔的终孔层位为Ⅱ2-1煤层底板的隔水层。

3.4 水害防治效果

通过钻孔预先疏放上覆含水层的富水性，确保了首采工作面的安全回采，工作面一次见方期间，工作面涌水量为8～26 m3/h，说明针对不同含水层(体)，采取针对性的水害防治措施，有助于提升疏放水效率、改善工作面作业环境，提高工作面安全开采水平。

4 结 论

1) 弱固结地层特厚煤层综放开采过程中Ⅱ2-1煤层回采时，存在“阶梯式”垮塌特征；特厚煤层顶分层重复采动至250 m以后，上覆岩层呈现出与Ⅱ2-1煤层层间岩层同步协调弯曲下沉，工作面后方岩层内无离层空间的特点。

2) 采用类比分析法、相似模拟法和数值模拟法，研究得出Ⅱ2-1煤层在煤层厚度为12 m开采时，预计导水裂缝高度为75 m；Ⅱ3煤层顶分层采用12 m左右的综放开采工艺，预计导水裂缝带高度为75 m，小于Ⅱ2-1煤层和Ⅱ3煤层之间的间距，即Ⅱ3煤层顶分层开采的导水裂缝带尚未导通上覆Ⅱ2-1煤层采空区。

3) 以采前疏干垮落带内含水层、疏降导水裂缝带内含水层、不波及导水裂缝带以外的含水层为原则，采用“音频电透视+瞬变电磁”叠加分析的方法探查Ⅱ3煤层导水裂缝带内含水层富水性和Ⅱ2-1煤层采空区水，并采用钻孔进行探放，保证了工作面安全回采。