基于關鍵層位置的敏東一礦導水斷裂帶高度預測

周 光，趙富強，馬正龍，鞠金峰

(1.神華國能集團，北京 100033； 2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116； 3.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116； 4.中國礦業大學 物聯網(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008)

巖層采動導水裂隙是煤礦突水的通道。若導水裂隙與富水性強的含水層連通，則水體會大量涌入，將給礦井帶來極大威脅[1]。伊敏河東礦區第一煤礦(以下簡稱敏東一礦)煤層上覆有強含水層和較厚軟弱巖層[2-3]，煤層厚度超過8 m，采用綜放開采，導水斷裂帶發育高度大[4]。工作面推進過程中，導水裂隙很可能溝通強含水層，造成突水事故。在敏東一礦南一盤區首采工作面開采過程中，工作面總涌水量接近900 m3/h，嚴重影響了礦井的安全高效生產。為了查明涌水來源，預測礦井涌水量，需要對導水斷裂帶發育高度進行準確的判斷。

近年來，有許多學者做了大量工作，研究出多種預測導水斷裂帶高度的方法[5]，如經驗公式法[6]、數值模擬法[7-8]、現場實測法[9]等。其中，現場實測法有鉆孔沖洗液漏失法[10]、井下仰孔雙端封堵測漏法[11]、電阻率法[12]等。目前預計覆巖導水斷裂帶高度普遍采用的是《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(以下簡稱《規范》)中的統計經驗公式[13]，然而，統計經驗公式對于大采高的綜放開采適用性并不強。筆者以敏東一礦首采盤區的4個工作面為研究對象，采用基于關鍵層位置的導水斷裂帶高度預計方法對導水斷裂帶高度進行預計算[14- 15]，判斷涌水情況，并為類似開采條件下的導水斷裂帶高度確定提供參考。

1 地質概況與開采條件

伊敏河東礦區位于大興安嶺西坡、呼倫貝爾草原伊敏河中下游的東側。敏東一礦于2008年建礦，設計規模500萬t/a，礦井服務年限100.6 a。敏東一礦首采盤區為南一盤區，采煤方法為綜合機械化放頂煤開采。該礦所處地形為大興安嶺西坡丘陵地帶，西北低，東南高，地表相對高差為95 m。南一盤區煤層平均傾角為5°，東翼首采煤層為16-3煤，埋深340～440 m，煤層厚度為7.60～15.00 m；西翼首采煤層為16-3上煤，埋深300～350 m，煤層厚度為5.15～17.05 m。根據敏東一礦南一盤區采掘工程平面圖，南一盤區共劃分4個工作面，依次為Ⅰ0116301、Ⅰ0116302、Ⅰ0116303和Ⅰ0116304工作面(以下簡稱為01、02、03、04工作面)，首采工作面為01工作面。01工作面長196 m，推進長度為1 280 m；02工作面長196 m，推進長度為1 742 m；03工作面長246 m，推進長度為1 200 m；04工作面長196 m，推進長度為 1 873 m。4個工作面的布置情況如圖1所示。

圖1 工作面布置及鉆孔分布情況

礦井水文地質類型為復雜型。煤系地層隔水層可分為4層：15煤層組頂板隔水層巖性為泥巖、粉細砂巖，厚度0～122.00 m，平均7.79 m；15煤層組層間隔水層巖性為泥巖、粉細砂巖，厚度0～214.30 m，平均43.48 m；16煤層組頂板隔水層(16-1煤層頂板)巖性為泥巖、粉細砂巖，厚度0～66.30 m，平均 19.98 m；16煤層組層間(16-1至16-3煤層層間)隔水層巖性為泥巖、粉細砂巖，厚度1.83～131.00 m，平均54.60 m。

礦井主采煤層充水含水層為煤系地層中煤層頂板及煤層間的礫巖和砂礫巖。含水巖組從上而下分為3組[16]，分別為15煤層組頂板及層間砂礫巖、砂巖含水巖組(Ⅰ含)，16煤層組頂板礫巖、砂礫巖含水巖組(Ⅱ含)和16煤層組間礫巖、砂礫巖含水巖組(Ⅲ含)。

Ⅰ含巖性以砂礫巖、中粗砂巖為主，凝灰質膠結，富水性強。其單位涌水量q=1.412～2.153 L/(s·m)，滲透系數K=1.62～3.79 m/d，水化學類型為HCO3-Cl-Na-Ca型水，礦化度0.349 g/L，地下水類型為承壓水，水位標高+650.157～+672.34 m，水壓為0.8～1.2 MPa。首采盤區西翼內Ⅰ含與16-3上煤層距離104.05～176.90 m，平均146.27 m；首采盤區東翼Ⅰ含距離16-3煤層120.30～232.22 m，平均176.20 m。

Ⅱ含巖性以礫巖、砂礫巖、粗砂巖為主，凝灰質或泥質膠結，富水性強。其單位涌水量q=1.061～6.896 L/(s·m)，滲透系數K=1.26～8.33 m/d，水化學類型為HCO3-Cl-Na-Ca型水，礦化度0.208～0.562 g/L，地下水類型為承壓水，水位標高為+622.352～+653.287 m，水壓為1.5～1.8 MPa。首采盤區西翼Ⅱ含與16-3上煤層的間距為43.30～111.65 m，平均89.84 m；首采盤區東翼 Ⅱ 含與16-3煤層的間距為113.20～154.30 m，平均120.00 m。

Ⅲ 含巖性以礫巖、砂礫巖及中、粗砂巖為主，凝灰質或泥質膠結，富水性較 Ⅰ 含、Ⅱ 含弱些，但仍具強富水性。其單位涌水量q=0.146～1.378 L/(s·m)，滲透系數K=0.28～1.71 m/d，礦化度0.208～0.562 g/L，水化學類型為HCO3-Cl-Na-Ca型水，地下水類型為承壓水，水位標高+628.996～+660.225 m，水壓為2.3～2.6 MPa。首采盤區西翼Ⅲ含與16-3上煤層間距為0～88.55 m，平均24.37 m；首采盤區東翼Ⅲ含與16-3煤層間距0～99.81 m，平均34.22 m。

由含水層的賦存情況可知，含水層數量多，富水性強，部分區域Ⅲ含甚至與煤層相接，這使得煤層在開采過程中容易溝通含水層。而且，01工作面在開采過程中曾發生過突水事故，被迫停產。因此，必須考慮含水層對井下開采環境的影響。這就需要對工作面的導水斷裂帶發育高度進行預計，從而指導井下安全高效生產。

2 南一盤區采動覆巖導水斷裂帶高度預計

2.1 基于關鍵層位置的導水斷裂帶高度預計方法

《規范》中推薦的統計經驗公式[13]是劉天泉院士在大量實測數據統計基礎上得出的，一定程度上滿足了我國煤礦水體下保水采煤設計的要求。其計算方法將覆巖巖性分類為堅硬、中硬、軟弱、極軟弱等類型，分別采用不同的統計經驗公式(僅含煤層采厚參數)進行導水斷裂帶高度的預計。由于覆巖巖性的分類是將所有不同巖性巖層進行強度和厚度的加權平均后獲得，基于數學均化的思路，因此，該經驗公式掩蓋了關鍵層在覆巖破斷運動中的控制作用，從而導致在某些特定開采條件下的預計結果與實際偏差較大[14]。

為此，許家林等[14-15]結合覆巖關鍵層運動對導水裂隙演化的影響規律，提出了“基于關鍵層位置的導水斷裂帶高度預計新方法”。其具體判別流程為：根據地質勘探得到的具體覆巖柱狀，采用關鍵層判別軟件KSPB[17-18]進行覆巖關鍵層位置的判別，然后從開采煤層頂界面開始判斷覆巖7～10倍采高范圍外是否存在關鍵層：若存在，則導水斷裂帶高度為7～10倍采高范圍外第1層關鍵層底界面至煤層間的距離；若不存在，則導水斷裂帶高度將大于或等于基巖厚度。該預計方法的可靠性已得到現場多個工程案例的驗證[19-20]。筆者將采用該方法對敏東一礦南一盤區 4個工作面的導水斷裂帶高度發育情況進行預計。

2.2 不同工作面覆巖導水斷裂帶高度預計

首先，采用關鍵層判別軟件KSPB對南一盤區的鉆孔柱狀進行關鍵層位置判別，判別結果如圖2所示。

01工作面實際采高為5 m，按10倍采高計算，得到的關鍵層破斷裂縫貫通臨界高度為50 m。根據圖2(a)46-17鉆孔判別結果，主關鍵層距煤層高度為106.80 m，導水裂隙不會發育至基巖頂界面。亞關鍵層1和亞關鍵層2均在臨界高度以內，其破斷裂縫是貫通的，所控制的上覆巖層破斷裂縫也是貫通的；臨界高度外的第1層關鍵層為亞關鍵層3，則導水斷裂帶發育至亞關鍵層3底界面，高度為82.80 m。

02工作面實際采高為7.7 m，按10倍采高計算，得到的關鍵層破斷裂縫貫通臨界高度為77 m。根據圖2(b)56-22鉆孔判別結果，主關鍵層距煤層高度為131.36 m，故導水斷裂帶發育至臨界高度上第1層關鍵層底界面。亞關鍵層1在臨界高度以內，其破斷裂縫是貫通的；亞關鍵層2是臨界高度外的第1層關鍵層，則導水斷裂帶高度為83.06 m。

(a)46-17鉆孔關鍵層判別結果

(b)56-22鉆孔關鍵層判別結果

(c)44-21鉆孔關鍵層判別結果

(d)52-20鉆孔關鍵層判別結果

03工作面實際采高為4 m，按10倍采高計算，得到的關鍵層破斷裂縫貫通臨界高度為40 m。根據圖2(c)44-21鉆孔判別結果，主關鍵層距煤層高度為60.20 m，亞關鍵層1和亞關鍵層2均在臨界高度以內，亞關鍵層3為臨界高度外的第1層關鍵層，則導水斷裂帶發育至亞關鍵層3底界面，高度為45.65 m。

04工作面實際采高為5.3 m，按10倍采高計算，得到的關鍵層破斷裂縫貫通臨界高度為53 m。根據圖2(d)52-20鉆孔判別結果，主關鍵層距煤層高度為111.45 m，亞關鍵層1在臨界高度以內，其破斷裂縫是貫通的；亞關鍵層2為臨界高度外的第1層關鍵層，則導水斷裂帶高度為61.10 m。

3 工程實踐驗證

預計的導水斷裂帶高度是否正確，還需要實際檢驗。通過現場開采的實際情況及鉆孔沖洗液漏失法測量結果，從側面驗證預計結果的準確性。

對于01工作面，Ⅲ含距煤層高度為8.72 m，Ⅱ 含距煤層高度為97.48 m，而預計的導水斷裂帶高度為82.80 m。故導水斷裂帶將貫通Ⅲ含，未溝通Ⅱ含。因此，判斷開采時涌水量應不大，當開采一定距離后，涌水量應會突然增大。01工作面實際生產中，推進到16 m時涌水量由60 m3/h突然增至650 m3/h，這種明顯變化是導水斷裂帶溝通Ⅲ含的結果。并且，水質分析確定涌出的水屬于Ⅲ含。01工作面的實際情況說明理論分析是正確的。

在02工作面，曾采用鉆孔沖洗液漏失法測量導水斷裂帶發育高度。如圖1所示，在02工作面施工采前孔T1-1和采后孔T1-2。T1-1和T1-2鉆孔鉆進過程中沖洗液漏失量和水位變化情況見圖3～4。

(a)采前孔(T1-1)

(b)采后孔(T1-2)

(a)采前孔(T1-1)

(b)采后孔(T1-2)

從沖洗液漏失量來看，T1-2鉆孔在鉆進至246.22 m時，沖洗液漏失量快速增大至0.872 L/(s·m)，變化明顯。同時鉆孔沖洗液循環中斷，孔口不再返漿，之后鉆進過程中沖洗液消耗量明顯增加，因此可以初步推斷此處為導水裂隙發育頂界面。從水位變化來看，在243.22 m位置，鉆孔水位突然下降至67.5 m；在245.02 m時，水位下降至68.3 m。鉆孔水位埋深急劇變化情況也可佐證此時鉆孔鉆進至導水裂隙發育頂界面。至于水位下降后又上升，是因為泥巖遇水膨脹(見圖2(b))，堵住裂隙所致。結合鉆孔沖洗液漏失量可以判斷246.22 m處為采后上覆巖層導水裂隙發育頂界面，因此確定導水斷裂帶發育高度為83.78 m。預計的導水斷裂帶高度為83.06 m，與實測結果基本一致。

03工作面中，Ⅲ含距煤層高度為14.79 m，Ⅱ含距煤層高度為59.42 m，預計的導水斷裂帶發育高度為45.65 m；04工作面中，Ⅲ含距煤層高度為105.53 m，預計的導水斷裂帶發育高度為61.10 m。所以，在03工作面，導水斷裂帶將會貫通Ⅲ含，未溝通Ⅱ含；在04工作面，導水斷裂帶將不溝通含水層。但由于03工作面上的Ⅲ含富水性差，所以開采過程中03、04工作面涌水情況應比較相似，且涌水量應該不大。實際開采時，除了03工作面頂板局部出現輕微淋水現象外，兩工作面涌水量均保持在10～30 m3/h。

綜上所述，預計結果與工程實際相符，較好地指導了現場開采，說明基于關鍵層位置的導水斷裂帶高度預計方法是合理可靠的。

4 結論

1)采用基于關鍵層位置的導水斷裂帶高度預計方法，預計01、02、03和04工作面的導水斷裂帶發育高度分別為82.80、83.06、45.65、61.10 m。預計結果與水文地質資料結合分析，比較準確地預測了開采過程中的涌水情況。

2)02工作面中，鉆孔沖洗液漏失法實測導水斷裂帶發育高度為83.78 m，與預計結果83.06 m較為相近，說明采用本文所述方法預計導水斷裂帶發育高度是可行的。

3)對敏東一礦南一盤區的4個工作面的導水斷裂帶發育高度的預計結果，較好地指導了工作面的開采。這為工作面安全高效開采提供了依據，同時可為敏東一礦其他工作面的開采提供借鑒。