神东矿区多煤层开采覆岩破坏及导水裂隙带高度特征研究

徐祝贺，李全生,2，张国军，杨英明，孙长斌

(1.北京低碳清洁能源研究院 煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室，北京 102209；2.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100011；3.中国安全生产科学研究院 矿山安全技术研究所，北京 100012；4.国家能源集团神东煤炭集团公司 石圪台煤矿，陕西 神木 719315)

神东矿区是我国重要的煤炭生产基地之一，也是煤炭高强度开采的典型代表之一[1-2]。煤炭资源的大规模高强度开采导致煤岩层结构发生强烈变形，产生大量覆岩裂隙和地表裂缝[3-4]，引发地下水资源系统补、径、排的剧烈变化，造成地表生态环境损伤[5]，如土壤水分养分流失、植物生长受损等，加之矿区生态本底脆弱，严重制约了矿区的生态文明建设。因此，研究神东矿区煤层开采覆岩破坏规律及导水裂隙带演化特征，是进行源头减损设计以及采后分区差异化地表生态修复的前提。

导水性是覆岩裂隙最受关注的特性之一，张培森[6]等以采区边界断层为背景，通过综合分析得出断距、断面正压力是影响其封闭性的主要因素；王晶[7]等采用现场实测的方法对被保护层裂隙发育进行了研究，详细分析了保护层开采时被保护层裂隙演化和渗透特征，得出保护层开采后被保护层卸压幅度及膨胀率都将增大的结论。导水裂隙带的高度、形状，影响其发育的各种因素以及对其进行预测的各种模型也是诸多学者研究的重点。一些学者[8-10]通过研究认为导水裂隙带最终形状为“马鞍形”；康国彪[11]等采用数值模拟、理论分析及工程类比等方法对大采高工作面覆岩导水裂隙带开展了研究，认为导水裂隙带形状为“梯台”型，采高、推进速率等是影响导水裂隙带高度的主要因素；邵良杉[12]、陈陆望[13]、张宏伟[14]等建立了导水裂隙带高度预测模型，为类似条件下导水裂隙带高度研究提供了参考。与理论分析、数值模拟等相比，实测是研究覆岩裂隙最直接、准确的方法。郭文兵[15]、许家林[16]、伊永杰[17]、岳宁[18]等采用钻孔观测的方法对不同现场的导水裂隙带高度进行了测量，获得了大量现场实测数据。

综上，大多数的研究成果是关于覆岩破坏特征及导水裂隙带高度预测的，鲜有关于覆岩裂隙直观展现及岩层自修复方面的研究。因此笔者以神东矿区石圪台煤矿典型的多煤层开采工作面为背景，采用自主研发的相似模拟试验台开展了关于覆岩破坏特征、岩层自修复的研究，并在神东矿区实测数据的基础上分析了导水裂隙带高度与工作面宽深比、深厚比的关系，为相似条件下导水裂隙带高度预测提供借鉴。

1 工作面概况

22305 工作面位于石圪台井田2-2煤三盘区，22305工作面北侧为实体煤，西侧为2-2煤南翼大巷，东侧为矿井边界，南侧为22304工作面采空区。工作面长度为254.8 m，推进长度为4 667.7 m，煤层厚度为0.5～3.0 m，煤层平均厚度约为2.0 m，倾角为1°～3°，埋深为72.6～92.9 m。工作面上部有1-2煤火烧区和第四系松散含水层，其中第四系松散含水层富水性强，预计工作面正常涌水量为200 m3/h，最大涌水量为300 m3/h。工作面涌水主要来源于松散层积水和上层煤火烧区积水。

31307 工作面位于石圪台煤矿井田3-1煤三盘区，工作面北侧为实体煤，西侧为3-1煤三盘区大巷，南侧为31306工作面采空区，东侧为井田边界，上部为22305工作面采空区。工作面长度为269 m，推进长度主运侧为4 302.9 m，回风侧为4 392.5 m。煤层厚度为2.34～4.45 m，煤层平均厚度约为3.5 m，倾角为1°～3°，埋深为130～180 m。31307工作面上覆松散层厚度变化较大，大气降水通过松散层、基岩裂隙直接下渗补给井下造成工作面淋水，预计正常涌水量为15 m3/h，最大涌水量为40 m3/h；上覆22304-1，22304-2和22305工作面采空区，工作面开采期间采空区积水通过基岩裂隙带直接涌入工作面，预计正常涌水量为65 m3/h，最大涌水量为160 m3/h。

22305和31307 工作面上下间距为30～40 m，辅运巷水平间距为50～70 m，主运巷水平间距为30～60 m，开切眼水平间距约为600 m，终采线水平间距约为950 m。22305和31307工作面位置关系如图1所示。

图1 22305和31307工作面位置关系Fig.1 Position of working faces 22305 and 31307

实验室获取的岩层物理力学参数见表1。

表1 岩层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata

2 浅埋多煤层开采覆岩与地表破坏相似模拟试验分析

2.1 相似试验目的

为厘清神东矿区高强度开采覆岩及地表破坏特征，参照神东矿区石圪台煤矿典型多煤层开采工作面22305和31307的赋存条件，开展浅埋多煤层开采重复扰动下覆岩裂隙发育及岩层自修复特征的研究，尤其是下层煤开采对上层煤覆岩进一步扰动特征的研究。由于两工作面开切眼之间以及终采线之间水平距离较大，根据沉陷理论可知下层煤开切眼、终采线的位置对上层煤开切眼、终采线上方覆岩裂隙发育不会产生位置叠加影响。笔者主要研究工作面开采区域中部大范围内岩层裂隙发育及岩层自修复情况，故模型开挖过程中尽可能加大了两煤层的开采距离以达到充分采动状态，故忽略两煤层开切眼之间以及终采线之间的煤柱对试验的影响。

2.2 相似试验设备

相似模拟平台采用自主研制的多煤层开采煤矿地下水库模拟试验平台，如图2所示，其由垂直加载系统、水平加载系统、含水层模拟系统、煤层模拟系统、注水口等模块组成。模型主体框架尺寸为2 400 mm×2 100 mm×600 mm(宽×高×厚)，内部空间尺寸为2 100 mm×1 800 mm×300 mm(宽×高×厚)。

图2 多煤层开采煤矿地下水库模拟试验平台Fig.2 Simulation test platform for underground reservoirs in coal mines with multiple coal seams

2.3 相似试验条件

笔者根据相似准则确定各相似比参数：几何相似比为1∶100，泊松相似比为1∶1.5，密度相似比为1∶1.5，刚度相似比为1∶150，应力相似比为1∶150，时间相似比为1∶12。骨料选用细砂，胶结料选用石膏、石灰，具体配比见表2。

表2 岩层材料配比Table 2 Rock layer materials ratio

本次试验模型顶部为地表，模型左、右、下部为固定边界，没有水平加载。共铺设3层煤：2-2上煤、2-2煤、3-1煤，全区主采煤层为2-2煤、3-1煤。分层铺设压实，岩层之间的分层材料为云母，铺设完成的相似模拟试验模型如图3所示。采用下行式开采，先开采2-2煤，后开采3-1煤，每次推进5 cm。

图3 相似模拟试验模型Fig.3 Similar simulation experimental model

2.4 2-2煤开采覆岩与地表破坏特征

2-2煤工作面推进情况如图4所示。

当推进到35 cm时，顶板浅部岩层出现明显离层；当推进到45 cm时，基本顶出现初次破断垮落；当推进到55 cm时，上覆岩层垮落至2-2上煤；当推进到65和75 cm时，覆岩继续发生破断垮落；当推进到90 cm时，工作面推进距离和2-2煤埋深比约为1，地表产生裂缝，开切眼侧出现两个主要竖向裂隙带，由于煤层较薄两个条带上下没有贯通，右侧条带裂隙多是开口向上，左侧条带裂隙多是开口向下。2-2煤共推进160 cm，是埋深的1.8倍，走向达到充分采动状态，终采线侧竖向裂隙带不明显。

2.5 3-1煤开采覆岩与地表破坏特征

3-1煤工作面推进情况如图5所示。

图5 3-1煤推进不同距离时覆岩垮落损伤情况Fig.5 Damage caused by the collapse of overlying rocks at different distances during the advancement of 3-1 coal seam

当工作面推进距离较短时，工作面顶板未发生 下沉垮落；当推进到40 cm时，直接顶发生垮落；当推进到50 cm时，上方岩层出现离层；当推进到55 cm时，基本顶与其所控制的上方岩层发生破断垮落；当推进到70 cm时，3-1煤和2-2煤之间的覆岩发生破断下沉，2-2煤开采垮落稳定的岩层又发生明显的二次下沉垮落，且覆岩中重新产生离层，在开切眼侧上方形成了明显的贯通裂隙，即导水主通道，在工作面上方岩层中同样形成了贯通裂隙带；当推进到80 cm时，覆岩下沉垮落范围进一步扩大，岩层中离层位置逐渐向上移动；当推进到95 cm时，地表发生明显的二次下沉，开切眼侧上方岩层中的两条竖向裂隙带发育更加明显，部分区域上下已导通；当推进到120 cm时，此时与上层2-2煤终采线水平间距40 cm(相当于实际距离40 m)，2-2煤终采线侧上方岩层中开始出现竖向裂隙带，即下层3-1煤开采开始对上层2-2煤终采线上方覆岩裂隙产生影响；当推进到160 cm时，达到埋深的1.2倍，在推进方向上呈充分采动状态，此时2-2煤终采线上方岩层中两条竖向裂隙带发育明显，部分区域上下已导通；但在终采线处，3-1煤与2-2煤之间的岩层未出现明显贯通的竖向裂隙带。在开采范围内的沉陷区域中部2-2煤上覆岩层裂隙已基本闭合，但3-1煤和2-2煤之间岩层中部分区域裂隙仍然较为发育，自修复难度较大。

2.6 采后覆岩自修复分析

为对煤层开采后覆岩自修复情况进行分析，在两层煤模拟开采完成后，将所铺煤岩层从模型顶部开始依次向下进行剥离，得到不同层位岩层的损伤及自修复情况，如图6所示。

图6 煤层开采后不同层位岩层的损伤及其自修复情况Fig.6 Damage and self-healing of different layers of rock strata after coal seam mining

从横向上看，工作面开采完成后，在开切眼和终采线上部岩层中存在明显未闭合的裂隙，即工作面两端的边界裂隙，这部分的裂隙属于永久裂隙，需要人工干预才能实现修复。工作面开采区域中部岩层，在垮落压实及破断碎屑的充填等作用下，自修复程度较高。从纵向上看，岩层距离开采煤层越远，岩层裂隙多为垂直推进方向分布，岩层裂隙闭合程度越好，岩层自修复程度越高；距离煤层越近，特别是直接顶、基本顶，裂隙发育程度越高，裂隙分布杂乱无序，自修复难度越大，自修复程度越低。

综上可知，相似模型开采后不同岩层的裂隙发育和自修复情况不尽相同，两层煤之间的岩层裂隙发育程度较高，自修复程度较低。

22305和31307工作面开采区域中部地表裂缝自修复情况如图7所示。由图7可知，开采引起的中部区域地表裂缝均已弥合，验证了试验结果。

图7 22305和31307工作面开采区域中部地表裂缝自修复情况Fig.7 Self-healing of surface cracks in the central mining area of the working faces 22305 and 31307

3 覆岩导水裂隙带发育分析

为掌握神东矿区煤炭开采后覆岩导水裂隙带发育规律，收集整理了神东矿区布尔台、补连塔、乌兰木伦、大柳塔、上湾等煤矿12个工作面开采参数，以及上覆岩层导水裂隙带高度实测值(通过钻孔冲洗液漏失量及钻孔水位，辅以钻孔电视观测综合确定)，见表3。

表3 神东矿区工作面开采参数和导水裂隙带高度Table 3 Mining parameters and the height of water-conducting fracture zone of Shendong Mining Area

煤层开采后，影响覆岩导水裂隙带发育高度的因素有煤厚、煤层埋深、工作面采宽、覆岩岩性等。笔者主要分析宽深比、深厚比与导水裂隙带发育高度之间的关系。图8为导水裂隙带高度与宽深比之间的关系，图9为导水裂隙带高度与深厚比之间的关系。

图8 导水裂隙带高度与宽深比的关系Fig.8 Relationship between the height of water-conducting fracture zone and width-to-depth ratio

图9 导水裂隙带高度与深厚比的关系Fig.9 Relationship between the height of water-conducting fracture zone and depth-to-thickness ratio

由图8可知，导水裂隙带高度随宽深比的增大总体呈降低趋势，拟合公式为

导水裂隙带高度在宽深比0.7～3.0时，随宽深比的增大而逐渐降低；宽深比大于3.0时，变化不大。

由图9可知，导水裂隙带高度随深厚比的增大总体呈上升趋势，拟合公式为：

导水裂隙带高度在深厚比12～65时，随深厚比的增大而逐渐增大；深厚比大于65时，变化不大。

为验证拟合公式的适用性，选取布尔台煤矿22101工作面和补连塔煤矿12401工作面进行验证，相关参数见表4。把表4中布尔台煤矿22101工作面的数据分别代入式(1)和式(2)，得到导水裂隙带高度的预测值，分别为137.4 m和158.4 m，与实测结果相比，误差分别为2%和13%；同理得到补连塔煤矿12401工作面导水裂隙带高度的预测值，分别为130.0 m和135.4 m，与实测结果相比，误差分别为7%和4%。详细预测结果及误差见表5。由表5可知，由式(1)和式(2)得到的导水裂隙带高度具有一定的适用性，可为相似地质条件煤层采后的覆岩导水裂隙带高度预测提供参考。

表4 布尔台煤矿22101工作面和补连塔煤矿12401工作面相关参数Table 4 Relevant parameters of 22101 working face in Buertai Coal Mine and 12401 working face in Bulianta Coal Mine

表5 布尔台煤矿22101工作面和补连塔煤矿12401工作面导水裂隙带高度预测值及误差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 结 论

(1) 采用下行式对多煤层进行开采，上层煤开采时，覆岩破坏特征与单一煤层开采时相似；下层煤开采时，两煤层之间的覆岩会发生严重破坏，且上层煤覆岩发生二次扰动破坏，裂隙进一步发育。

(2) 开采完成后，岩土层距离开采煤层越远，裂隙(裂缝)闭合程度越好，自修复程度越高。两煤层之间的岩层裂隙发育程度较高，自修复程度较低。

(3) 神东矿区导水裂隙带高度随工作面宽深比的增大总体呈降低趋势，随工作面深厚比的增大总体呈上升趋势，并通过实测数据验证了预测公式的适用性，为相似条件下的导水裂隙带高度预测提供借鉴。