司馬煤礦薄基巖導裂帶高度主控因素研究

王海波

(山西潞安集團 司馬煤業有限公司，山西 長治 047105)

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司馬煤礦薄基巖導裂帶高度主控因素研究

王海波

(山西潞安集團 司馬煤業有限公司，山西 長治 047105)

我國薄基巖區分布廣泛，司馬煤礦一采區屬于薄基巖區，3#煤層采動易導致煤層和第四系含水層聯通而引發頂板水害，其頂板黏土層是導水裂隙帶發育高度的主控因素。因此通過室內壓汞實驗、土工實驗測試頂板黏土的滲透率和塑性指數，利用RFPA數值軟件分析頂板導水裂隙帶發育高度。研究結果表明：黏土層是頂板水害防治的雙重保障，一方面，司馬煤礦黏土層在彎曲下沉帶存在低滲透率區域，可以有效防止第四系水進入工作面；另一方面，黏土層具有良好的重塑性和再生性，是頂板水害防治的天然屏障。

薄基巖；導水裂隙帶；PFPA數值模擬；發育規律；黏土層；滲流特征；塑性

我國薄基巖、厚松散層地質條件的煤層儲量非常豐富，例如神東礦區，是典型的薄基巖、厚松散層的煤層，儲量達2 236億t，占全國探明儲量的1/3，還有潞安、永城、兩淮和濟寧等礦區也都存在這種特殊地質條件的煤層[1]. 此外，一些礦區為了充分挖掘礦井生產能力，延長服務年限，提高回采上限，縮小防水防砂煤柱，對原本屬于表外儲量的煤炭進行開采，使得煤層基巖變薄，地質條件成為薄基巖、厚松散層，例如安徽省的祁東煤礦等[2].

本文以潞安礦區司馬煤礦一采區3#煤層薄基巖區頂板水害防治為研究對象，采取室內試驗和數值模擬相結合的方法，分析頂板采動導水裂隙帶發育高度，找出導水裂隙帶高度的主控因素，研究其主控因素的控水作用。

1 礦井地質概況

潞安礦區司馬煤礦位于山西省長治縣境內，該礦井處于沁水煤田長治一采區的東部邊緣地帶，地形總趨勢是南高北低，北部地勢較為平坦，地面標高926.7～993.6 m. 井田面積29.494 km2，可采儲量96.56 Mt，煤質為易選的瘦煤、貧瘦煤，是國內外市場緊缺的優質煉焦配煤和優質動力用煤。目前，主采煤層為上組煤3#煤層，礦井設計產量為1.8 Mt/a.

1.1 薄基巖區地質概況

司馬井田東北部3#煤層頂板為薄基巖厚表土層地層，薄基巖厚度變化為30～80 m. 部分地區基巖厚度約30 m，最厚處達到40～80 m(如圖1a所示)。薄基巖巖性主要由淺灰色-深灰色泥巖、砂質泥巖、灰白色砂巖組成。

圖1 第四系和薄基巖等厚線圖

司馬井田東北部第四系廣泛分布，第四系厚度變化不大，埋深基本在150～200 m，第四系厚度變化的總體趨勢為一單斜構造，局部有小的隆起和凹陷(如圖1b所示)。第四系主要由亞砂土、亞黏土、黏土、砂組成，底部含礫石層。

1.2 薄基巖區水文地質概況

司馬煤礦一采區含水層由深到淺主要包括：奧陶系中統石灰巖巖溶裂隙含水層、石炭系太原組石灰巖巖溶裂隙含水層、二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層、二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層、基巖風化帶裂隙含水層和第四系沖洪積孔隙含水層。基巖風化帶和第四系含水層位于3#煤層頂板，基巖風化帶含水層巖性破碎，水位標高為857.85 m，單位涌水量為0.003 6 L/s·m，屬于弱富水含水層。第四系含水層孔隙度大，接受補給條件好，單位涌水量為0.02～0.17 L/s·m，屬于弱富水-中等富水含水層。

司馬煤礦的主要隔水層包括：石炭系中上統底部隔水層組、二疊系砂巖含水層層間隔水層和第四系黏土隔水層。其中，第四系黏土隔水層位于3#煤層頂板，其整體垂向越流能力差，底部沙層含導水性能弱、垂向越流能力更差。

司馬煤礦含隔水層示意圖見圖2. 3#煤層頂板基巖厚度僅為40～80 m，煤層厚度約為7 m，在采動影響下頂板導水裂隙帶極有可能穿越頂板基巖而進入第四系。但基巖裂隙含水層為弱富水含水層，如果僅基巖裂隙含水層出水，可能會影響煤層的回采進度，而不會造成大型突水事故。然而，第四系含水層為中等富水含水層，若頂板導水裂隙帶穿越黏土層聯通第四系含水層，則很有可能導致礦井安全事故。因此，3#煤層的導水裂隙帶發育高度和第四系含水層的阻隔水能力是司馬煤礦一采區頂板水害防治的研究重點。

圖2 含隔水層示意圖

2 導水裂隙帶發育規律研究

2.1 導水裂隙帶經驗公式

12個鉆孔資料顯示：一采區3#煤層頂板覆巖抗壓強度44.41 MPa，根據《礦井水文地質規程》[3]規定的標準，近煤層的頂板巖層組合類型為堅硬型(40～80 MPa)，其冒落帶厚度為：

其中：

H—導水裂隙帶高度，m；

ΣM—煤層總厚度，司馬煤礦一采區3#煤層厚度為7 m.

根據式(1)計算得到冒落帶高度為28～35 m.

其導水裂隙帶經驗公式為：

根據式(1)和式(2)分別計算得到一采區3#煤層導水裂隙帶發育高度為58.4～76.2 m和89.3 m.

司馬煤礦一采區部分3#煤層基巖厚度僅為30～40 m，其頂部主要為黏土層，近煤層的頂板的巖層組合類型為極軟弱型，其導水裂隙帶高度計算公式為：

計算得到導水裂隙帶高度僅為47.3 m. 因此，司馬礦薄基巖區導水裂隙帶發育高度在47.3～89.4 m. 但是，考慮到薄基巖區基巖厚度變化、巖層組合等條件的差異，不能僅通過經驗公式得到合理的結果，因此，必須用數值模擬軟件進行具體分析和計算。

2.2 導水裂隙帶數值模擬

采用RFPA軟件進行司馬煤礦一采區3#煤層的導水裂隙帶高度分析，根據綜采工作面鉆孔柱狀圖以及礦區巖石力學測試資料，整理得出的各煤系地層的力學參數見表1，并建立了與實際情況基本吻合的數值計算模型，見圖3. 煤層埋深為233 m，煤層厚7 m，直接頂砂質泥巖為厚7 m的細粒砂巖。數值模型水平方向為400 m，垂直方向為270 m. 數值計算時此模型被劃分為1 m×1 m的正方形網格，共400×270=108 000個。模擬煤層從左到右開挖，開挖長度為200 m，每個開挖步距為10 m，共20步。巖層與巖層之間設有強弱不等的層理。模型中巖層亮度越高，說明其彈性模量越大。

表1 數值模擬計算參數表

圖3 導水裂隙帶發育高度數值模擬力學模型圖

RFPA數值模擬頂板導水裂隙帶發育高度見圖4. 由圖4可知：隨著3#煤采場的不斷向前推進，頂板裂隙帶不斷向上發育。3#煤采場推進到50 m左右時，發生初次來壓；推進到100 m時，頂板裂隙達到65 m；推進到150 m后，頂板裂隙高度最終達到85 m左右；此后，隨著采場的推進，頂板裂隙高度變化趨于平緩。這是因為隨3#煤層上部巖層跨落巖層的不斷堆積，逐漸具有較強承載能力，因此司馬煤礦一采區3#煤層的導水裂隙帶發育高度為85 m，處于經驗公式計算范圍內。

圖4 導水裂隙高度隨工作面推進距離變化曲線圖

2.3 薄基巖區劃分

方新秋[4]等基于“上三帶”理論給出了薄基巖的定義：當基巖厚度小于冒落帶高度時，稱為超薄基巖；當基巖厚度大于冒落帶高度而小于裂隙帶高度時，稱為薄基巖。司馬煤礦的一采區3#煤層基巖厚度鉆孔統計數據見表2，大部分區域基巖厚度大于冒落帶高度35 m，除補8鉆孔外均小于導裂帶高度。因此，可將司馬煤礦一采區定義為薄基巖區。

表2 一采區3#煤頂板基巖厚度統計表

3 導水裂隙帶主控因素研究

綜上分析，司馬煤礦一采區3#煤層大部分導裂帶會進入第四系，黏土隔水層的隔水能力對于安全開采至關重要。因此，對司馬煤礦第四系黏土取樣并進行室內實驗測試，分析黏土層的滲流和塑性特征，及正常綜采過程中，導水裂隙帶是否會穿越黏土層導通第四系含水層而引發突水事故。

3.1 黏土層物理力學滲流特性分析

為了分析司馬煤礦黏土層的滲透率變化規律，在黏土層不同埋深處取樣進行壓汞實驗，試驗測得司馬煤礦黏土隨埋深的變化規律，見圖5. 由圖5可知；在淺埋深70～80 m處和深埋125～150 m處滲透率較大，最大達到了10-8m2數量級，其隔水性能較弱；在埋深90～125 m處存在低滲透率區域，其隔水性能接近大孔隙巖石的隔水性能，可以看作相對隔水層，而埋深90～125 m區域處于采動導水裂隙帶頂部的彎曲下沉帶，受采動影響較小，可以有效防止第四系含水層水進入工作面，是煤層頂板的天然防水屏障。

圖5 黏土層隨埋深的變化規律圖

3.2 黏土層的塑性指數分析

為了分析司馬煤礦的黏土層塑性特征，從埋深60～155 m分別取樣進行室內土工實驗，測試黏土的液限和塑限分析其塑性指數：

其中：

Ip—黏土的塑性指數；

wL—黏土的塑限；

wp—黏土的液限。

司馬煤礦黏土層的液限、塑限和塑性特征見圖6. 由圖6可知：司馬煤礦的塑性指數Ip>10，而通常Ip>10代表土的顆粒較細，比表面積大，土的黏粒或親水礦物(如蒙脫石)含量較高，土處在可塑狀態的含水量變化范圍就較大。即黏土層在外力作用下具有良好的重塑性和再生性，當頂部導水裂隙帶進入黏土層后，由于黏土層具有良好的重塑性和再生性，在采動破壞后可以再次形成天然的隔水屏障，可確保司馬煤礦一采區3#煤層的安全生產，是司馬煤礦導水裂隙帶發育高度的主控因素。

圖6 塑限、液限和塑性指數隨埋深的變化曲線圖

4 結 論

通過室內試驗、數值模擬等方法對司馬煤礦一采區3#煤層開采過程中頂板水害防治進行研究，得到以下主要結論：

1) 司馬煤礦一采區3#煤層開采頂板水害防治的關鍵是分析采動導水裂隙帶高度是否能夠穿越第四系黏土層而聯通第四系含水層。

2) 數值模擬和經驗公式計算結果顯示，司馬煤礦一采區3#煤層的導水裂隙帶發育高度為85 m，大于一采區大部分地區的基巖厚度，為薄基巖區。

3) 頂板黏土層為頂板水害防治的主控因素，黏土層具有較低的滲透率，良好的重塑性和再生性是頂板水害防治的雙重保障。

[1] 涂 敏，桂和榮，李明好，等.厚松散層及超薄覆巖厚煤層防水煤柱開采試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2004，23(20)：3494-3497.

[2] 杜 鋒，白海波，黃漢富，等.薄基巖綜放采場基本頂周期來壓力學分析[J].中國礦業大學學報，2013,42(3):362-369.

[3] 宣以瓊.薄基巖淺埋煤層覆巖破壞移動演化規律研究[J].巖土力學,2008,29(2):512-516.

[4] 方新秋,黃漢富,金 桃,等.厚表土薄基巖煤層開采覆巖運動規律[J].巖石力學與工程學報,2008,27(S1):2700-2706.

Research on Major Controlling Factors of Water Guiding Fracture Zone Height with Thin Bedrock in Sima Coal Mine

WANG Haibo

Thin bedrock exists in Sima coal mine just as in many other coal field all over the country, mining activities in No.3 coal seam are prone to connect the upper roof water in the Fourth aquifer which may cause Roof water hazard, the clay layer of its roof is the main controlling factor of the height in the water guiding fractured zone. The specification for penetration rate and plasticity of the clay inside roof were tested under the condition of indoor mercury engineering, by which the height of the water guiding fracture zone was analyzed with RFPA numerical software. The results show that the roof clay layer plays the roles of waterproof wall. One point, the roof clay layer in Sima coal mine has the property of low permeability in the bending zone, which can prevent the water in Fourth aquifer effectively from entering the working face. Another point, the roof clay layer has the property of Good remodeling and regeneration, consists of the natural waterproof wall.

Thin bedrock; Water guiding fracture zone; PFPA numerical simulation; Developmental law; Clay layer; Seepage characteristics; Plasticity

2017-03-13

王海波(1973—)，男，山西黎城人，2014年畢業于東北大學，助理工程師，主要從事煤炭生產技術管理工作

(E-mail)466457313@qq.com

TD325

B

1672-0652(2017)04-0012-04