徐祝賀，李全生,2，張國(guó)軍，楊英明，孫長(zhǎng)斌

(1.北京低碳清潔能源研究院 煤炭開采水資源保護(hù)與利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102209；2.國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011；3.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 礦山安全技術(shù)研究所，北京 100012；4.國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司 石圪臺(tái)煤礦，陜西 神木 719315)

神東礦區(qū)是我國(guó)重要的煤炭生產(chǎn)基地之一，也是煤炭高強(qiáng)度開采的典型代表之一[1-2]。煤炭資源的大規(guī)模高強(qiáng)度開采導(dǎo)致煤巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)烈變形，產(chǎn)生大量覆巖裂隙和地表裂縫[3-4]，引發(fā)地下水資源系統(tǒng)補(bǔ)、徑、排的劇烈變化，造成地表生態(tài)環(huán)境損傷[5]，如土壤水分養(yǎng)分流失、植物生長(zhǎng)受損等，加之礦區(qū)生態(tài)本底脆弱，嚴(yán)重制約了礦區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)。因此，研究神東礦區(qū)煤層開采覆巖破壞規(guī)律及導(dǎo)水裂隙帶演化特征，是進(jìn)行源頭減損設(shè)計(jì)以及采后分區(qū)差異化地表生態(tài)修復(fù)的前提。

導(dǎo)水性是覆巖裂隙最受關(guān)注的特性之一，張培森[6]等以采區(qū)邊界斷層為背景，通過綜合分析得出斷距、斷面正壓力是影響其封閉性的主要因素；王晶[7]等采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)被保護(hù)層裂隙發(fā)育進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了保護(hù)層開采時(shí)被保護(hù)層裂隙演化和滲透特征，得出保護(hù)層開采后被保護(hù)層卸壓幅度及膨脹率都將增大的結(jié)論。導(dǎo)水裂隙帶的高度、形狀，影響其發(fā)育的各種因素以及對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)的各種模型也是諸多學(xué)者研究的重點(diǎn)。一些學(xué)者[8-10]通過研究認(rèn)為導(dǎo)水裂隙帶最終形狀為“馬鞍形”；康國(guó)彪[11]等采用數(shù)值模擬、理論分析及工程類比等方法對(duì)大采高工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶開展了研究，認(rèn)為導(dǎo)水裂隙帶形狀為“梯臺(tái)”型，采高、推進(jìn)速率等是影響導(dǎo)水裂隙帶高度的主要因素；邵良杉[12]、陳陸望[13]、張宏偉[14]等建立了導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)模型，為類似條件下導(dǎo)水裂隙帶高度研究提供了參考。與理論分析、數(shù)值模擬等相比，實(shí)測(cè)是研究覆巖裂隙最直接、準(zhǔn)確的方法。郭文兵[15]、許家林[16]、伊永杰[17]、岳寧[18]等采用鉆孔觀測(cè)的方法對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了測(cè)量，獲得了大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

綜上，大多數(shù)的研究成果是關(guān)于覆巖破壞特征及導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)的，鮮有關(guān)于覆巖裂隙直觀展現(xiàn)及巖層自修復(fù)方面的研究。因此筆者以神東礦區(qū)石圪臺(tái)煤礦典型的多煤層開采工作面為背景，采用自主研發(fā)的相似模擬試驗(yàn)臺(tái)開展了關(guān)于覆巖破壞特征、巖層自修復(fù)的研究，并在神東礦區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分析了導(dǎo)水裂隙帶高度與工作面寬深比、深厚比的關(guān)系，為相似條件下導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)提供借鑒。

1 工作面概況

22305 工作面位于石圪臺(tái)井田2-2煤三盤區(qū)，22305工作面北側(cè)為實(shí)體煤，西側(cè)為2-2煤南翼大巷，東側(cè)為礦井邊界，南側(cè)為22304工作面采空區(qū)。工作面長(zhǎng)度為254.8 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為4 667.7 m，煤層厚度為0.5～3.0 m，煤層平均厚度約為2.0 m，傾角為1°～3°，埋深為72.6～92.9 m。工作面上部有1-2煤火燒區(qū)和第四系松散含水層，其中第四系松散含水層富水性強(qiáng)，預(yù)計(jì)工作面正常涌水量為200 m3/h，最大涌水量為300 m3/h。工作面涌水主要來源于松散層積水和上層煤火燒區(qū)積水。

31307 工作面位于石圪臺(tái)煤礦井田3-1煤三盤區(qū)，工作面北側(cè)為實(shí)體煤，西側(cè)為3-1煤三盤區(qū)大巷，南側(cè)為31306工作面采空區(qū)，東側(cè)為井田邊界，上部為22305工作面采空區(qū)。工作面長(zhǎng)度為269 m，推進(jìn)長(zhǎng)度主運(yùn)側(cè)為4 302.9 m，回風(fēng)側(cè)為4 392.5 m。煤層厚度為2.34～4.45 m，煤層平均厚度約為3.5 m，傾角為1°～3°，埋深為130～180 m。31307工作面上覆松散層厚度變化較大，大氣降水通過松散層、基巖裂隙直接下滲補(bǔ)給井下造成工作面淋水，預(yù)計(jì)正常涌水量為15 m3/h，最大涌水量為40 m3/h；上覆22304-1，22304-2和22305工作面采空區(qū)，工作面開采期間采空區(qū)積水通過基巖裂隙帶直接涌入工作面，預(yù)計(jì)正常涌水量為65 m3/h，最大涌水量為160 m3/h。

22305和31307 工作面上下間距為30～40 m，輔運(yùn)巷水平間距為50～70 m，主運(yùn)巷水平間距為30～60 m，開切眼水平間距約為600 m，終采線水平間距約為950 m。22305和31307工作面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 22305和31307工作面位置關(guān)系Fig.1 Position of working faces 22305 and 31307

實(shí)驗(yàn)室獲取的巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata

2 淺埋多煤層開采覆巖與地表破壞相似模擬試驗(yàn)分析

2.1 相似試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為厘清神東礦區(qū)高強(qiáng)度開采覆巖及地表破壞特征，參照神東礦區(qū)石圪臺(tái)煤礦典型多煤層開采工作面22305和31307的賦存條件，開展淺埋多煤層開采重復(fù)擾動(dòng)下覆巖裂隙發(fā)育及巖層自修復(fù)特征的研究，尤其是下層煤開采對(duì)上層煤覆巖進(jìn)一步擾動(dòng)特征的研究。由于兩工作面開切眼之間以及終采線之間水平距離較大，根據(jù)沉陷理論可知下層煤開切眼、終采線的位置對(duì)上層煤開切眼、終采線上方覆巖裂隙發(fā)育不會(huì)產(chǎn)生位置疊加影響。筆者主要研究工作面開采區(qū)域中部大范圍內(nèi)巖層裂隙發(fā)育及巖層自修復(fù)情況，故模型開挖過程中盡可能加大了兩煤層的開采距離以達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)，故忽略兩煤層開切眼之間以及終采線之間的煤柱對(duì)試驗(yàn)的影響。

2.2 相似試驗(yàn)設(shè)備

相似模擬平臺(tái)采用自主研制的多煤層開采煤礦地下水庫(kù)模擬試驗(yàn)平臺(tái)，如圖2所示，其由垂直加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、含水層模擬系統(tǒng)、煤層模擬系統(tǒng)、注水口等模塊組成。模型主體框架尺寸為2 400 mm×2 100 mm×600 mm(寬×高×厚)，內(nèi)部空間尺寸為2 100 mm×1 800 mm×300 mm(寬×高×厚)。

圖2 多煤層開采煤礦地下水庫(kù)模擬試驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Simulation test platform for underground reservoirs in coal mines with multiple coal seams

2.3 相似試驗(yàn)條件

筆者根據(jù)相似準(zhǔn)則確定各相似比參數(shù)：幾何相似比為1∶100，泊松相似比為1∶1.5，密度相似比為1∶1.5，剛度相似比為1∶150，應(yīng)力相似比為1∶150，時(shí)間相似比為1∶12。骨料選用細(xì)砂，膠結(jié)料選用石膏、石灰，具體配比見表2。

表2 巖層材料配比Table 2 Rock layer materials ratio

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ晚敳繛榈乇?，模型左、右、下部為固定邊界，沒有水平加載。共鋪設(shè)3層煤：2-2上煤、2-2煤、3-1煤，全區(qū)主采煤層為2-2煤、3-1煤。分層鋪設(shè)壓實(shí)，巖層之間的分層材料為云母，鋪設(shè)完成的相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。采用下行式開采，先開采2-2煤，后開采3-1煤，每次推進(jìn)5 cm。

圖3 相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Similar simulation experimental model

2.4 2-2煤開采覆巖與地表破壞特征

2-2煤工作面推進(jìn)情況如圖4所示。

當(dāng)推進(jìn)到35 cm時(shí)，頂板淺部巖層出現(xiàn)明顯離層；當(dāng)推進(jìn)到45 cm時(shí)，基本頂出現(xiàn)初次破斷垮落；當(dāng)推進(jìn)到55 cm時(shí)，上覆巖層垮落至2-2上煤；當(dāng)推進(jìn)到65和75 cm時(shí)，覆巖繼續(xù)發(fā)生破斷垮落；當(dāng)推進(jìn)到90 cm時(shí)，工作面推進(jìn)距離和2-2煤埋深比約為1，地表產(chǎn)生裂縫，開切眼側(cè)出現(xiàn)兩個(gè)主要豎向裂隙帶，由于煤層較薄兩個(gè)條帶上下沒有貫通，右側(cè)條帶裂隙多是開口向上，左側(cè)條帶裂隙多是開口向下。2-2煤共推進(jìn)160 cm，是埋深的1.8倍，走向達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)，終采線側(cè)豎向裂隙帶不明顯。

2.5 3-1煤開采覆巖與地表破壞特征

3-1煤工作面推進(jìn)情況如圖5所示。

圖5 3-1煤推進(jìn)不同距離時(shí)覆巖垮落損傷情況Fig.5 Damage caused by the collapse of overlying rocks at different distances during the advancement of 3-1 coal seam

當(dāng)工作面推進(jìn)距離較短時(shí)，工作面頂板未發(fā)生 下沉垮落；當(dāng)推進(jìn)到40 cm時(shí)，直接頂發(fā)生垮落；當(dāng)推進(jìn)到50 cm時(shí)，上方巖層出現(xiàn)離層；當(dāng)推進(jìn)到55 cm時(shí)，基本頂與其所控制的上方巖層發(fā)生破斷垮落；當(dāng)推進(jìn)到70 cm時(shí)，3-1煤和2-2煤之間的覆巖發(fā)生破斷下沉，2-2煤開采垮落穩(wěn)定的巖層又發(fā)生明顯的二次下沉垮落，且覆巖中重新產(chǎn)生離層，在開切眼側(cè)上方形成了明顯的貫通裂隙，即導(dǎo)水主通道，在工作面上方巖層中同樣形成了貫通裂隙帶；當(dāng)推進(jìn)到80 cm時(shí)，覆巖下沉垮落范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，巖層中離層位置逐漸向上移動(dòng)；當(dāng)推進(jìn)到95 cm時(shí)，地表發(fā)生明顯的二次下沉，開切眼側(cè)上方巖層中的兩條豎向裂隙帶發(fā)育更加明顯，部分區(qū)域上下已導(dǎo)通；當(dāng)推進(jìn)到120 cm時(shí)，此時(shí)與上層2-2煤終采線水平間距40 cm(相當(dāng)于實(shí)際距離40 m)，2-2煤終采線側(cè)上方巖層中開始出現(xiàn)豎向裂隙帶，即下層3-1煤開采開始對(duì)上層2-2煤終采線上方覆巖裂隙產(chǎn)生影響；當(dāng)推進(jìn)到160 cm時(shí)，達(dá)到埋深的1.2倍，在推進(jìn)方向上呈充分采動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)2-2煤終采線上方巖層中兩條豎向裂隙帶發(fā)育明顯，部分區(qū)域上下已導(dǎo)通；但在終采線處，3-1煤與2-2煤之間的巖層未出現(xiàn)明顯貫通的豎向裂隙帶。在開采范圍內(nèi)的沉陷區(qū)域中部2-2煤上覆巖層裂隙已基本閉合，但3-1煤和2-2煤之間巖層中部分區(qū)域裂隙仍然較為發(fā)育，自修復(fù)難度較大。

2.6 采后覆巖自修復(fù)分析

為對(duì)煤層開采后覆巖自修復(fù)情況進(jìn)行分析，在兩層煤模擬開采完成后，將所鋪煤巖層從模型頂部開始依次向下進(jìn)行剝離，得到不同層位巖層的損傷及自修復(fù)情況，如圖6所示。

圖6 煤層開采后不同層位巖層的損傷及其自修復(fù)情況Fig.6 Damage and self-healing of different layers of rock strata after coal seam mining

從橫向上看，工作面開采完成后，在開切眼和終采線上部巖層中存在明顯未閉合的裂隙，即工作面兩端的邊界裂隙，這部分的裂隙屬于永久裂隙，需要人工干預(yù)才能實(shí)現(xiàn)修復(fù)。工作面開采區(qū)域中部巖層，在垮落壓實(shí)及破斷碎屑的充填等作用下，自修復(fù)程度較高。從縱向上看，巖層距離開采煤層越遠(yuǎn)，巖層裂隙多為垂直推進(jìn)方向分布，巖層裂隙閉合程度越好，巖層自修復(fù)程度越高；距離煤層越近，特別是直接頂、基本頂，裂隙發(fā)育程度越高，裂隙分布雜亂無序，自修復(fù)難度越大，自修復(fù)程度越低。

綜上可知，相似模型開采后不同巖層的裂隙發(fā)育和自修復(fù)情況不盡相同，兩層煤之間的巖層裂隙發(fā)育程度較高，自修復(fù)程度較低。

22305和31307工作面開采區(qū)域中部地表裂縫自修復(fù)情況如圖7所示。由圖7可知，開采引起的中部區(qū)域地表裂縫均已彌合，驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果。

圖7 22305和31307工作面開采區(qū)域中部地表裂縫自修復(fù)情況Fig.7 Self-healing of surface cracks in the central mining area of the working faces 22305 and 31307

3 覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育分析

為掌握神東礦區(qū)煤炭開采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，收集整理了神東礦區(qū)布爾臺(tái)、補(bǔ)連塔、烏蘭木倫、大柳塔、上灣等煤礦12個(gè)工作面開采參數(shù)，以及上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)值(通過鉆孔沖洗液漏失量及鉆孔水位，輔以鉆孔電視觀測(cè)綜合確定)，見表3。

表3 神東礦區(qū)工作面開采參數(shù)和導(dǎo)水裂隙帶高度Table 3 Mining parameters and the height of water-conducting fracture zone of Shendong Mining Area

煤層開采后，影響覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的因素有煤厚、煤層埋深、工作面采寬、覆巖巖性等。筆者主要分析寬深比、深厚比與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度之間的關(guān)系。圖8為導(dǎo)水裂隙帶高度與寬深比之間的關(guān)系，圖9為導(dǎo)水裂隙帶高度與深厚比之間的關(guān)系。

圖8 導(dǎo)水裂隙帶高度與寬深比的關(guān)系Fig.8 Relationship between the height of water-conducting fracture zone and width-to-depth ratio

圖9 導(dǎo)水裂隙帶高度與深厚比的關(guān)系Fig.9 Relationship between the height of water-conducting fracture zone and depth-to-thickness ratio

由圖8可知，導(dǎo)水裂隙帶高度隨寬深比的增大總體呈降低趨勢(shì)，擬合公式為

導(dǎo)水裂隙帶高度在寬深比0.7～3.0時(shí)，隨寬深比的增大而逐漸降低；寬深比大于3.0時(shí)，變化不大。

由圖9可知，導(dǎo)水裂隙帶高度隨深厚比的增大總體呈上升趨勢(shì)，擬合公式為：

導(dǎo)水裂隙帶高度在深厚比12～65時(shí)，隨深厚比的增大而逐漸增大；深厚比大于65時(shí)，變化不大。

為驗(yàn)證擬合公式的適用性，選取布爾臺(tái)煤礦22101工作面和補(bǔ)連塔煤礦12401工作面進(jìn)行驗(yàn)證，相關(guān)參數(shù)見表4。把表4中布爾臺(tái)煤礦22101工作面的數(shù)據(jù)分別代入式(1)和式(2)，得到導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)測(cè)值，分別為137.4 m和158.4 m，與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，誤差分別為2%和13%；同理得到補(bǔ)連塔煤礦12401工作面導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)測(cè)值，分別為130.0 m和135.4 m，與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，誤差分別為7%和4%。詳細(xì)預(yù)測(cè)結(jié)果及誤差見表5。由表5可知，由式(1)和式(2)得到的導(dǎo)水裂隙帶高度具有一定的適用性，可為相似地質(zhì)條件煤層采后的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)提供參考。

表4 布爾臺(tái)煤礦22101工作面和補(bǔ)連塔煤礦12401工作面相關(guān)參數(shù)Table 4 Relevant parameters of 22101 working face in Buertai Coal Mine and 12401 working face in Bulianta Coal Mine

表5 布爾臺(tái)煤礦22101工作面和補(bǔ)連塔煤礦12401工作面導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)值及誤差Table 5 Predicted values and errors of the height of water-conducting fracture zone in 22101 working face in Buertai Coal Mine and 12401 working face in Bulianta Coal Mine

4 結(jié) 論

(1) 采用下行式對(duì)多煤層進(jìn)行開采，上層煤開采時(shí)，覆巖破壞特征與單一煤層開采時(shí)相似；下層煤開采時(shí)，兩煤層之間的覆巖會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞，且上層煤覆巖發(fā)生二次擾動(dòng)破壞，裂隙進(jìn)一步發(fā)育。

(2) 開采完成后，巖土層距離開采煤層越遠(yuǎn)，裂隙(裂縫)閉合程度越好，自修復(fù)程度越高。兩煤層之間的巖層裂隙發(fā)育程度較高，自修復(fù)程度較低。

(3) 神東礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度隨工作面寬深比的增大總體呈降低趨勢(shì)，隨工作面深厚比的增大總體呈上升趨勢(shì)，并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了預(yù)測(cè)公式的適用性，為相似條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)提供借鑒。