浅埋煤层综放开采导水裂隙发育特征及隔水层稳定性研究

张金金，杜 航，张嘉晨，訾 龙

(陕西竹园嘉原矿业有限公司，陕西 榆林 719000)

伴随长期高强度开采，我国中东部地区煤炭资源日趋减少，煤炭能源开发战略逐渐西移。西北地区煤田煤炭资源赋存条件优异，煤层厚度大，赋存广泛、地质条件好、埋深小，适宜大规模开发利用。但是，西部荒漠地区生态环境脆弱，大规模高强度开采易造成水资源严重流失等生态问题[1，2]。陕北榆神矿区沙漠前滩砂层潜水是维持地区良好生态环境的重要水源，离石组黄土和N2红粘土(砂层直接底板)共同组成其隔水层，采动前后隔水层保持相对稳定[3]，且隔水性良好，是实现科学“保水采煤”的重要课题[4，5]。

围绕浅埋煤层保水开采等相关课题，石平五等[6]研究大柳塔煤矿浅埋煤层工作面顶板破坏规律，确定了薄基岩条件采动产生整体切落而非离层破坏；范立民等[7-10]提出保水开采科学观点，对保水开采区域进行了划分；余学义等[11，12]提出了陕北浅埋煤层绿色保水开采技术；谢广祥等[13]探究了浅埋煤层回采期间采场围岩力链演化特征，揭示了浅埋煤层工作面强矿压现象；黄庆享等[14-16]采用数值模拟和实测方法得到了浅埋煤层覆岩运动破坏规律，提出了浅埋煤层“组合关键层”理论；侯恩科等[17]以柠条塔煤矿S1233工作面为研究对象，探究了浅埋煤层开采上覆岩层导水裂隙带发育特征；赵兵朝等[18，19]基于理论分析、相似模拟和工程验证手段，分析提出了浅埋煤层采动隔水层稳定性评价模型；柴敬等[20]采用FBG、BOTDA光纤技术监测分析采动覆岩关键隔水层，系统评价了导水裂隙带发育高度与导通隔水层的稳定性。然而，受开采扰动影响，上覆隔水层隔水性能受到不同程度的损坏，不同开采区域上覆岩层岩性及结构特征存在差异，对不同生产地质条件的导水裂隙发育特征、含水层连通性以及隔水层稳定性有待进一步研究。

基于陕北榆神矿区柳巷煤矿工程背景，开展浅埋煤层综放开采导水裂隙发育特征及隔水层稳定性研究，以隔水性较好的N2红黏土为研究对象，分析导水裂隙发育及对隔水层破坏程度的影响规律，明确红土隔水层采动破坏主控影响因素，这对于实现“保水采煤”意义重大。

1 基本工程地质特征

1.1 工程概况

柳巷煤矿位于陕北榆神矿区东南部，主采煤层为侏罗系延安组3#煤层。矿井采用斜井开拓方式，一次采全高综采放顶煤方法，全部垮落法管理顶板。分两个水平开采，一水平划分2个盘区，主要开采3#煤层，埋深介于240～270 m，平均厚度11.05 m。矿井二水平划分1个盘区，开采6#煤层。

矿井典型工作面上覆岩层呈现“砂-土-基”型分布特征。砂层是主要含水层，井田中部最厚，最大值40.48 m，由中部向四周逐渐变薄；土层厚度72.59～211.3 m，平均139.02 m；基岩厚度为70.05～100.44 m，由煤矿南部向北部逐渐变薄。N2红土隔水层全区分布，岩性为棕红色粘土及粉砂质粘土，为第四系潜水与基岩裂隙水间良好的隔水层，厚度34.90～121.43 m，平均为76.76 m，含/隔水层空间分布如图1(b)所示。

1.2 N2红土地质组成

由于N2红土本身蕴含较多的三趾马动物化石，黏土呈现红色，故而又被称为“三趾马红土”。黏土层隔水性良好，位于主要含水砂层下方，是实现西北地区煤田保水采煤的主要隔水层。柳巷煤矿N2红土属粉土、粉质黏土，天然可塑、硬塑至坚硬，膨胀性较好。所含矿物质主要为石英，云母和重矿物含量较少，黏土矿物为伊利石、蒙脱石等，N2红土渗透性等级属弱透水～微透水。N2红土基本水理性质见表1。

表1 N2红土基本水理性质参数Table 1 Basic hydro-physical parameters of N2 laterite

2 薄基岩厚土层综放开采覆岩损害特征

当煤层工作面开挖后，采空区周围岩体原岩应力状态改变，上覆岩层结构逐渐失去平衡，产生岩层的移动、变形、破坏和断裂，由下往上依次为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带[21]，采动覆岩移动破坏地层分布如图1(a)所示。裂隙带下部裂隙极度发育，连通性强，透水性好，向上逐层减弱，当裂隙带发育上部含水层时，成为含水层导水通道，即导水裂隙带[22]。当采动裂隙贯通重要含水层时，地下水沿采动裂隙向采空区渗漏，将导致水位降低等问题。

矿井3#煤层厚度10.20～11.65 m，平均11.05 m，埋深247 m。由于煤层上覆岩层均为砂泥岩互层，抗压强度26.1～45.5 MPa，属于中硬岩层。故依据导水裂隙带公式计算：

式中，∑M为累计采厚，m；Hli1为垮落带高度，m；Hli2为导水裂隙带高度，m。

代入计算得到导水裂隙带高度为50.6～62.1 m，平均为57.9 m。

结合综放开采“两带”高度公式对中硬岩类导水裂隙带进一步计算：

代入计算得到导水裂隙带高度为91.8～129.1 m，平均为113.9 m。

综上所述，不同矿区、矿井地质条件下地层岩性不同，采动覆岩破坏三带计算方法亦存在一定差异。导水裂隙带发育高度与工作面采高、采动充分程度直接相关，对应工作面回采期间的不同推进阶段，非充分采动、充分采动和超充分采动情况下近地表岩层移动破坏特征也存在差别[23，24]。依据覆岩破坏充分采动程度，确定工作面临界尺寸下导水裂隙带发育特征[25]。采动上覆岩层导水裂隙带发育规律如图2所示，不同工作面走向长度下导水裂隙发育规律近似，随走向长度增加继续向上发育对应非充分采动阶段，裂隙带高度达到最大值对应充分采动阶段，当裂隙带发育高度最大值不再随工作面走向长度增加而增加则对应超充分采动阶段。

图2 采动上覆岩层导水裂隙带发育规律Fig.2 Development law of water flowing fractured zone in overlying strata under mining

3 采动导水裂隙发育规律及对N2红土层的影响

3.1 工作面采动导水裂隙发育规律

3.1.1 数值分析

为了研究煤层开采覆岩导水裂隙发育规律，确定其对N2红土隔水层的采动影响程度，选取3#煤层典型工作面为模型进行计算。建立二维数值计算模型，模型尺寸为500 m×230 m，采高为9 m，一次采全高，开挖步距为10 m。模型左右两侧各留设50 m边界煤柱，消除模型边界效应对计算结果的影响，如图3所示。

图3 数值计算模型Fig.3 Numerical calculation model

模型上部边界在地表为自由边界，模型左右边界位移固定水平约束，底部双向位移约束边界。假定各岩层单元为均质各向同性弹性体，采用摩尔库伦强度准则作为单元破坏判据进行计算。模型采用分步开挖方式，以模拟煤层开采过程中不同推进距离的工作面覆岩导水裂隙带发育情况。

模拟过程中，沿走向方向10 m/步开挖工作面，得到工作面不同推进距离下覆岩裂隙演化特征。可知：当工作面刚刚开始推进时，上覆岩层裂隙不发育；工作面逐渐向前推进，破坏区域随着工作面采空空间增大逐渐呈“拱形”向上方发展，导水裂隙带高度随工作面距离的增加而增大。当推进至140 m时，顶板产生初次垮落，在采空区底部由于顶底板产生接触，进而出现采空区的应力局部集中区域，破坏区域逐渐呈现由“拱形”至“拱箱形”形态结构的转变；当推进至170 m时，导水裂隙带发育高度继续向上发展，这一阶段最大发育高度为91.8 m。工作面逐渐向前推进，导水裂隙带向上发展增长速率缓慢，当贯穿基岩发育至土层底部后开始不再向上发展，破坏区域逐渐趋于稳定，整体呈“拱箱型”形态，最大发育高度约为96.5 m。

监测记录工作面不同推进距离下上覆岩层的裂隙带发育情况，得到煤层开采对N2红土隔水层稳定性的影响，如图4所示。分析可知：导水裂隙带发育的工作面临界尺寸为170 m，当工作面推进距离为170 m时，导水裂隙带发育至91.8 m；当工作面推进距离继续增加，覆岩破坏继续向上发育缓慢；当工作面推进距离为240 m时，导水裂隙带高度达到该地质采矿条件下的最大值，裂隙带高度不再随工作面走向长度的增加而继续增加，此阶段达到导水裂隙带高度稳定阶段。

图4 导水裂隙带发育过程Fig.4 Development process of water flowing fractured zone

3.1.2 现场实测

按照《导水裂隙带高度的钻孔冲洗液漏失量观测方法》(MT/T 865—2000)规范要求，采用L2、L3、L4探查钻孔进行水文观测，即冲洗液漏失量与水位观测，结果如图5所示。

图5 两带高度钻孔探查观测结果Fig.5 Two-zone height borehole exploration observation results

分析可知：L2钻孔土层段冲洗液漏失量变化为0.0132～0.0.0537 L/(s·m)，基岩段冲洗液漏失量变化为0.1233～0.8741 L/(s·m)，观测期间土层段变化基本稳定，进入120.10 m处由0.0437 L/(s·m)增大至0.1433 L/(s·m)，152.99 m至154.42 m处增至最大0.8741，全部漏失，漏失中断。随着孔深增加水位逐渐降低，土层段变化正常，冲洗液漏失后孔内无法测得水位。L2钻孔导水裂隙带发育高度为121.10 m。同理，L3、L4钻孔导水裂隙带发育高度分别为126.45 m和139.79 m。综上，现场实测结果平均值为129.11 m。

基于矿井3#煤层30105工作面实际情况，分别布设了L2、L3、L4三个地面探查钻孔，在施工过程中观察液漏失量变化，水位变化现象，探查导水裂隙带实际发育情况。两带钻孔测点布置方案如图6所示，其中L2钻孔布置在30105工作面回风巷内侧20 m处，L3布置在工作面倾向中心位置，L4钻孔布置在工作面倾向中心位置，距离L3钻孔500 m。

3.2 N2红土隔水层采动破坏影响程度

陕北榆神矿区N2红土厚度、煤层埋深和开采厚度条件不同，柳巷煤矿红粘土隔水层全区分布，厚度34.90～121.43 m，东南分布最薄。位于井田不同区域，工作面顶板岩层结构局部分布不均，将引起N2红土层的差异性破坏特征。因此，基于煤层采动覆岩破坏三带理论，考虑工作面采动对隔水层的破坏影响程度，将N2红土采动破坏分为三类，见表2。

表2 N2红土采动破坏影响程度Table 2 Influence degree of mining damage of N2 laterite

4 N2红土隔水层采动破坏主控因素分析与评价

4.1 N2红土隔水层采动破坏影响因素分析

N2红土隔水层采动破坏影响因素主要包括红土层与3#煤层工作面的实际垂距、红土层厚度、红土的地质组成如矿物成分和孔隙度等。

1)红土层厚度。红土层厚是影响其抵抗采动影响的重要因素。在空间位置分布上，N2红土自身物化水理性质变化偏小。但是，由井田东北向西南厚度增加，红土层最大厚度121.43 m。在其他因素不变时，土层厚度越大，采动影响越小，对于上覆地表水体及生态环境的保护愈加有益。

2)红土层与煤层间距。红土层与主采煤层间的有效间距是直接关系煤层采动对于红土层开采扰动影响程度的重要因素。采场覆岩垮落后，空间应力重新分布，在上覆载荷作用下，岩层逐渐产生移动变形破裂。红土层受破坏影响程度，随其与煤层间距的增大而减小，是影响采动裂隙对红土波及高度的重要指标。

3)导水裂隙带发育高度。一般而言，导水裂隙带发育高度随煤层采高增加而增大，随煤层分层开采数目增加而减小，随煤层顶板强度和硬岩岩性比例系数增加而增大。裂隙带发育高度越大，对红土层的扰动破坏程度越大。

4.2 基于层次分析法的N2红土层采动损害评价

1)层次分析模型构建。基于N2红土隔水层采动破坏影响因素分析，确定红土层厚、红土层与主采煤层间距、导水裂隙带发育高度作为隔水层采动损害主控影响因素，建立红土层采动破坏评价模型，如图7所示。

图7 红土层采动破坏评价模型Fig.7 Evaluation model of mining failure of laterite layer

2)确定评估指标权重。判断上述各影响因素的重要程度，将各个影响因素两两对比进行专家打分赋值，确定各因素相对重要程度及其权重，建立红土层采动破坏评价判断矩阵进行计算，见表3。

表3 判断矩阵Table 3 Judgement matrix

计算判断矩阵最大特征值λmax=4.1179。

计算判断矩阵一致性指标CI：

计算判断矩阵一致性比例CR：

利用一致性指标CI、一致性比例CR，判断矩阵一致性可接受，层次分析排序满足一致性检验。

对各因素影响程度进行细化，得到N2红土层采动破坏的主要影响因素的权重值，见表4。

表4 一致判断矩阵各因素权重Table 4 Weight of each factor in the consistent judgement matrix

3)基于层次赋权的N2红土采动损害评价。基于柳巷煤矿导水裂隙带发育规律分析结果，即利用经验公式所得导水裂隙带发育高度为57.9 m(与实测结果相差较大，不符)或113.9 m，数值模拟计算所得裂隙带最大发育高度为96.5 m，现场实测所得裂隙带发育高度为121.10～139.79 m。依据现场钻孔地质资料，井田由南向北红土层与主采煤层的间距逐渐增大，最小值为70 m，最大值为112 m，而在大多数区域两者岩层的间距介于80～110 m。与此同时，N2红土隔水层全区分布，厚度34.90～121.43 m，平均为76.76 m。考虑采动损害主控因素对比分析可知，采动导水裂隙波及N2红土层高度一般小于50 m，导穿基岩发育到N2红土层底部，红土层残余厚度是影响隔水土层稳定性评判的重要指标。

4.3 保水开采结果分析

隔水层稳定性取决于导水裂隙带发育高度及其波及N2红土隔水层的范围。预计导水裂隙带发育高度，考虑红土层厚度(h1)、红土层与主采煤层间距(h2)、红土层残余厚度(h3)三类因素，建立隔水层稳定性判据，采用自然分割法对N2红土采动破坏程度进行分区(分级阈值分别取0.3和0.6)，系统评价导水裂隙带发育对N2红土隔水层的影响，并评判其稳定性，见表5。

表5 基于导水裂隙带发育的红土隔水层稳定性评价Table 5 Stability evaluation of laterite aquiclude based on the development of water flowing fractured zone

黄庆享教授将保水开采划分为3类：自然保水开采、可控保水开采和特殊保水开采[26]。结合表5分析可知，当N2红土隔水层稳定性校好或好，可实现自然保水开采；当隔水层稳定性一般时，应依据实际地质条件进行预测，如大部区域隔水层稳定性一般，应采取疏水降压等保水开采措施；当隔水层稳定性差或较差，应采取限高开采、疏水降压等保水开采措施；当粘土隔水层完全破坏，易导致突水溃砂，引起水资源易流失，实现保水开采必须采取充填开采、短壁开采等特殊措施。

5 结 论

1)基于理论分析结果确定柳巷煤矿典型工作面导水裂隙带发育高度为113.9 m，现场实测所得裂隙带发育高度平均129.11 m，数值分析确定当工作面推进距离达170 m后，导水裂带发育高度逐渐趋于稳定，最大发育高度约为96.5 m，此时裂隙导穿基岩并发育到N2红土层底部。

2)基于层次分析方法(AHP)构建N2红土层采动破坏评价模型，明确了采动破坏主控因素为导水裂隙带发育高度、红土层厚度、红土层与主采煤层间距，建议考虑红土层残余厚度进行保水开采评价。

3)针对N2红土隔水层稳定性一般、差和较差区域，应采取限高开采、疏水降压等保水措施，针对特殊地质条件粘土隔水层完全破坏区域，实现保水开采须采取充填开采、短壁开采等措施。