特厚煤層分層綜放開采斷層-離層耦合潰水機理

馬蓮凈，趙寶峰，徐會軍，曹海東

(1.長安大學 環境科學與工程學院，陜西 西安 710054; 2.長安大學 旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054; 3.中煤科工集團西安研究院有限公司 陜西 西安 710054; 4.國家能源投資集團有限責任公司，北京 100011)

隨著煤礦開采條件的日趨復雜，礦井機械化程度的提高和綜放開采等開采方式的普及，煤層開采對圍巖的擾動和破壞逐漸增大，由此引發的斷層和離層水害事故也呈現出頻發的趨勢。老虎臺礦是一個具有百年開采歷史的礦井。2007-03-10，73003工作面發生頂板潰水，造成了重大人員傷亡事故。通過對井田水文地質條件的分析，其致災因素為斷層和離層帶水，但是潰水特征又有別于常見的斷層和離層潰水。

關于斷層活化導水和致災機理的研究較多，蔣金泉等[1]采用三維數值模擬，分析了工作面向逆斷層推進過程中的煤層頂板運動、采動應力演化特征及斷層活化規律;喬偉等[2]提出了綜放開采下斷層活化突水先后經歷了孔隙流—裂隙流—管道流;朱斯陶等[3]利用理論分析、數值模擬和微震監測等方法，對特厚煤層開采斷層活化規律進行研究;卜萬奎等[4]通過建立巖石力學模型，推導了斷層位置法向應力和剪應力的計算公式;趙善坤[5]運用聲發射監測、采場覆巖位移和應力監測系統，研究了采動影響下斷層活化前后的覆巖運動特征、礦壓顯現規律和動力響應特征;師本強等[6]推導出斷層活化的臨界傾角、臨界開采深度和工作面的臨界推進距離;姜耀東等[7]研究了斷層接觸面上法向應力、剪切應力的時空演化規律及斷層上、下盤的運動規律。隨著對離層水害認識的逐步深入，其產生位置、潰水機制和防治措施成為了研究的重點，喬偉等[8-9]分析了崔木煤礦多起離層水害事故后，總結了離層水形成的基本條件和位置，并制定了離層水防治方案;孫學陽等[10]采用數值模擬的方法分析了離層形成過程，總結了離層水害的周期性特征;李新鳳等[11]對濟寧三號煤礦3上煤頂板離層水形成條件及對生產的影響進行了研究;姜國成[12]分析了離層水形成層位，并通過水化學方法確定了工作面潰水水源;方剛等[13]研究了玉華煤礦1418工作面離層水的形成、發展、潰水過程及潰水機理;李小琴[14]對堅硬覆巖下重復采動離層水形成、涌突機理進行了研究和探討，并提出了離層水防治的關鍵技術;韓東亞等[15]通過數值模擬和相似材料模擬認為淮北海孜煤礦的頂板水害為次生離層水包破裂所致，并通過鉆探等得到了證實。

以上研究對于斷層和離層水害防治起到了重要的推進作用，但斷層和離層共同作用下誘發水害事故的相關研究鮮有報道，同時復雜開采條件下多因素耦合潰水致災機理等方面研究內容較少。為了保障老虎臺礦的安全生產，需要通過對73003工作面潰水案例進行深入研究，揭示斷層-離層耦合潰水機理，進而提出水害防治對策，避免類似水害事故的再次發生。

1 礦井地質、水文地質和水害概況

1.1 礦井地質、水文地質條件

(1)井田地層。老虎臺井田內鉆孔揭露的地層由新至老分別為第三系、第四系、白堊系和太古鞍山群(表1)，礦井主采煤層為 “本層煤”，該煤層的最大厚度為130 m，最薄為8 m，平均厚度59.58 m，最大埋藏深度1 300 m。

(2)井田構造。老虎臺井田為軸向近似東西的不對稱向斜構造，北翼較陡，南翼較緩。由于受喜馬拉雅造山運動的影響，在南北擠壓應力的作用下煤田北部產生了F1逆斷層(圖1(a))，并與煤田走向以10°左右的夾角斜切向斜的北翼，把上盤的煤巖層沖到千米以上，后期被剝蝕。

(3)井田水文地質條件。老虎臺井田由上至下分別有第四系沖積層、第三系泥灰巖和凝灰巖、白堊系砂礫巖4個含水層，根據以往抽水試驗資料，第四系含水層為強富水，其余3個含水層均為弱～中等富水。井田內主要斷層多為泥質碎屑物、方解石所充填，為閉合斷層，經抽水試驗驗證，富水性較弱。

表1老虎臺井田地層
Table1StrataofLaohutaicoalfield

巖性密度/(kg·m-3)彈性模量/MPa抗壓強度/MPa抗拉強度/MPa泊松比黏聚力/MPa內摩擦角/(°)綠色頁巖2 45314 92026.32.950.214.050油母頁巖2 1891 1705.51.010.241.144煤層1 2203 35017.32.980.283.442泥灰巖2 71244 76840.14.600.226.854砂礫巖2 55217 88523.01.520.183.057斷層1 7201 0001.60.200.310.131松散層1 7201 0001.60.200.310.131

圖1 68002,73003工作面及“3·10”潰水位置示意Fig.1 Position of 68002,73003 working face and “3·10” water inrush site

1.2 礦井潰水概況及成因初步分析

老虎臺礦采用特厚煤層水平分層走向長壁后退式、綜合機械化放頂煤采煤法。73003綜放工作面位于井田中部，開采厚度為40～60 m，工作面走向長度650 m，由東向西小面對接大面俯斜式開采，東部傾向長度80 m，走向長度300 m，西部傾向長度100 m，走向長度350 m(圖1(b))，煤層頂板為油母頁巖，底板為凝灰巖。73003工作面上方的68002工作面已于2001年底回采完畢。

73003工作面于2007-03-10回采至190 m(6250剖面附近)處發生頂板潰水事故(圖1)，潰水持續約0.5 h，總潰水量3 000 m3，包括綠色頁巖、油母頁巖、煤炭淤泥及少量砂礫巖在內的沖積物5 000 m3;約30 t的大塊綠色頁巖從工作面上端頭移動距離約260 m;沖毀機巷和煤門膠帶3條，上隅角3個支架移動1.2 m。

根據對73003工作面潰水點、井下各水平涌水點和地表水取樣化驗，采用同位素、水化學特征、飽和指數SI和指紋圖等方法綜合分析，73003工作面潰水主要來自白堊系砂礫巖含水層。

73003工作面潰水具有以下幾個特點:架后潰水、瞬時水量大、衰減速度快、潰水勢能大、過水通道大、潰出物成分復雜等。根據對73003工作面潰水特征的分析，初步判斷此次潰水的直接水源為一定規模空間內的蓄積水體，根據潰出物成分，導水通道為73003工作面回采產生的垮落帶，本質為工作面頂板斷層-離層耦合潰水。筆者選取距離水害事故發生最近的6250剖面作為研究對象，采用數值模擬和相似材料模擬實驗兩種方法定量分析、相互驗證，總結了特厚煤層分層綜放開采條件下覆巖破壞規律、斷層和離層空間形成特征，進而揭示了斷層-離層耦合潰水機理。

2 特厚煤層分層綜放開采數值模擬

2.1 數值模型及參數

將發生水害事故附近的6250剖面作為數值模型主斷面(圖1(a))，模型模擬范圍長2 000 m，高760 m，模型內的各巖層做分層處理，如圖2所示。利用UDEC軟件建立數值模型，采用不規則的三角形劃分網格單元，模型塊體的本構關系選用莫爾—庫侖模型，節理的本構模型采取面接觸的庫侖滑移模型。

圖2 老虎臺礦6250剖面數值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model of profile 6250 in Laohutai Coal Mine

根據老虎臺礦巖石力學性質實測數據設置模型所需參數(表2)。模型開采時，自上而下進行，先分5步開采圖2中的白色區域，然后依次開采68002和73003工作面。

表2老虎臺礦煤、巖層物理力學參數
Table2PhysicalandmechanicsparametersofcoalandrockinLaohutaicoalmine

圖3 特厚煤層分層綜放開采覆巖破壞Fig.3 Overburden failure of fully-mechanized sublevel caving of ultra-thick coal seam

2.2 覆巖破壞特征

當68002工作面回采后(圖3(a))，上覆巖層產生拉張破壞，塑性破壞區主要集中分布在上覆油母頁巖中，F18和F1斷層帶之間綠色頁巖局部發生破壞。采空區兩端應力集中，呈現兩端不對稱的“馬鞍狀”狀破壞區。73003工作面回采后(圖3(b))，覆巖破壞進一步擴大，塑性破壞區高度進入綠色頁巖，并且越過F18斷層擴大至斷層上盤。

利用數值模擬得到的塑形區分布范圍和高度，確定垮落帶和導水裂縫帶的發育高度。68002工作面開采后，垮落帶高度約210 m，導水裂縫帶高度約299 m，其冒采比和裂采比分別為5.25和7.48;73003工作面開采后，垮落帶高度增加至282 m，而導水裂縫帶高度則增加至431 m，其冒采比和裂采比分別為4.70和7.18(表3)。

表368002和73003工作面“兩帶”發育高度
Table3Heightsof“twozones”of68002and73003workingface

工作面采高/m垮落帶高度/m導水裂縫帶高度/m冒采比裂采比68002402102995.257.4873003602824314.707.18

2.3 斷層空間形成特征

為了分析68002工作面開采對斷層的擾動，在F18,F16-1和F1斷層上、下盤分別布設監測點，監測68002工作面回采后各斷層上、下盤的位移情況。斷層上的監測點布置原則是:自煤層頂板向上每間隔100 m設置一組監測點，至斷層頂部;當斷層延伸范圍有限時，適當調整監測點的間距;斷層上、下盤的監測點位于同一水平面上，斷層帶上的監測點布置如圖4所示。

圖4 斷層面監測點布置示意Fig.4 Monitoring points of fault planes

當68002工作面回采后，F18斷層上、下盤下沉值之差最大值為0.85 m，F16-1斷層上、下盤下沉值之差最大值為0.04 m，F1斷層上、下盤下沉值之差最大值為0.09 m(圖5)，并且隨著與煤層頂板距離增大，斷層上、下盤的間距表現出先增大后減小的特點。

圖5 68002工作面回采后斷層空間形成特征Fig.5 Formation characteristic of fault space after 68002 working face mining

2.4 離層空間形成特征

68002工作面回采后，F18斷層周邊形成的離層空間主要位于距離煤層頂板200～250 m，F16-1和F1斷層之間的離層空間主要位于250～300 m(圖6)，這兩個位置恰好是油母頁巖和綠色頁巖的接觸面，由于這兩種地層的巖性和物理力學性質存在較大差異，在工作面回采擾動下，容易形成離層空間。F18斷層周邊地層受68002工作面采動影響較大，形成了覆巖中規模較大的離層空間。

圖6 68002工作面回采后離層空間形成特征Fig.6 Formation characteristic of bed separation space after 68002 working face mining

3 特厚煤層分層綜放開采相似材料模擬

3.1 相似材料模擬模型

根據井田地層結構特點，以河沙為骨料，以石膏為膠結物，以滑石粉為填料，用不同配比模擬地層中的軟弱、中硬和堅硬巖層。用白云母片模擬各巖層之間的層理面。根據相似比以及模擬煤巖層的物理力學參數，結合相似材料試件測試成果，選擇相似材料的配比見表4。相似材料模擬實驗所用裝置長3.0 m，高1.5 m，寬0.2 m。由于實驗設備高度有限，綠色頁巖之上的地層采用荷載形式實現。

表4相似材料模擬配比
Table4Similarmaterialsimulationratio

巖性模擬材料質量配比煤粉沙石膏滑石粉綠色頁巖0837油母頁巖0928煤261515泥灰巖0737砂礫巖0837

相似材料模擬實驗模擬地層總厚度約為760 m，其中煤層上覆巖最大厚度650 m，根據相似條件，模型的尺寸及開采厚度見表5和圖7。

表5模型尺寸及開采厚度
Table5Modelsizeandminingthickness

參數橫向長度垂向高度煤層采高原型尺寸/m1 20076040/50/60模型尺寸/cm30015010/12.5/15

圖7 相似材料模型Fig.7 Similar material model

圖8為測點布置示意，實際模擬時自煤層頂板上方10 cm處開始布設4排觀測點，每排各測點順著巖層傾向，第1排布設在距離煤層頂板10 cm處，第2排布設在第1排上方20 cm處，第3排布置在油母頁巖和綠色頁巖巖層分界線處，第4排觀測點布置在第3排上方20 cm處，在斷層處加密測點。

圖8 相似材料模擬實驗裝架Fig.8 Similar material simulation experiment frame

相似材料模型左邊留有10 cm的煤柱，開挖分5大步完成，第1步至第3步模擬68002工作面之前的傾斜煤層開采區域，每步采厚12.5 cm(即50 m);第4步模擬開采68002工作面，開采厚度10 cm(即40 m)，開采長度25 cm(即100 m);第5步模擬開采73003工作面，開采厚度15 cm(即60 m)，開采長度20 cm(即80 m)。

3.2 覆巖破壞特征

根據相似材料模擬實驗成果，68002工作面開采后，垮落帶高度約228 m，導水裂縫帶高度約289 m，其冒采比和裂采比分別為5.70和7.23;73003工作面開采后，垮落帶高度增加至308 m，而導水裂縫帶高度則增加至418 m，其冒采比和裂采比分別為5.13和6.97(表6)。

表668002和73003工作面“兩帶”發育高度
Table6Heightsof“twozones”of68002and73003workingface

工作面采高/m垮落帶高度/m導水裂縫帶高度/m冒采比裂采比68002402282895.707.2373003603084185.136.97

3.3 斷層空間形成特征

68002工作面回采后F18斷層順著斷層延伸方向發育有長度224 m，寬度32 cm的裂縫。F1斷層順著延伸方向發育有長度164 m，寬度8 cm的裂縫(圖9)。

圖9 68002工作面開采后斷層及離層空間Fig.9 Fault and bed separation space after 68002 working face mining

3.4 離層空間形成特征

68002工作面回采后覆巖中產生兩個離層，1號離層距煤層頂板236 m，長度136 m，2號離層距煤層頂板238 m，長度72 m。1號離層發育位置位于綠色頁巖和油母頁巖的接觸面附近(圖9)。

4 特厚煤層分層綜放開采工作面頂板斷層-離層耦合潰水機理及防治

4.1 重復采動下工作面“兩帶”發育高度

以往老虎臺礦針對覆巖破壞規律方面開展的研究工作較多，采用的方法包括數值模擬、微震探測和沖洗液消耗觀測法等，具體成果見表7。以往數值模擬研究的是覆巖破壞高度，沒有區分垮落帶和導水裂縫帶;微震探測的83002工作面采高僅有11.6 m，與68002和73003工作面采高差異較大;沖洗液消耗觀測法是最直觀的探測方法，其結果通常可以代表實際情況。

根據本次數值模擬和相似材料模擬研究成果，冒采比約為4.98～5.42，裂采比約為7.10～7.30，和沖洗液消耗觀測法所獲取的裂采比接近，說明本次所得到工作面重復采動覆巖破壞規律科學合理，可以作為分析73003工作面水害形成機理的依據。與同忻等礦區特厚煤層頂板堅硬覆巖“兩帶”發育高度相比，老虎臺礦本層煤頂板軟弱覆巖的冒采比和裂采比相對較小[16]。

表7重復采動下工作面“兩帶”發育高度探查成果
Table7Heightsof“twozones”underworkingfacerepeatmining

項目本次數值模擬本次相似材料模擬以往數值模擬微震探測沖洗液消耗觀測冒采比4.985.426.00——裂采比7.337.10—30.177.00

4.2 工作面頂板斷層-離層空間形成過程

68002工作面回采前，其頂板覆巖和斷層受擾動較小(圖10(a));68002工作面回采后，F18,F16-1和F1斷層由于上、下盤的沉降程度不同形成各自的斷層空間。68002工作面覆巖中油母頁巖和綠色頁巖的巖性差異較大，受到工作面采動的影響，其接觸面產生了規模較大的離層空間。橫-縱交錯的斷層和離層空間形成過程彼此獨立，成為了良好的導水通道和儲水空間(圖10(b))。

圖10 工作面頂板斷層-離層形成、充水及潰水過程示意Fig.10 Formation,water filling and water inrush process of fault-bed separation on working face roof

4.3 工作面頂板斷層-離層空間充水過程

F1斷層上盤的白堊系砂礫巖含水層對F1斷層空間進行持續水量補給，導致F1斷層活化為含(導)水斷層，由于離層空間已經將3條斷層空間溝通，F1斷層中的水體沿著離層空間進入F18和F16-1斷層空間，并對覆巖中的離層進行充水(圖10(c))。白堊系砂礫巖含水層富水性較弱，斷層和離層空間的充水也是一個緩慢的過程。綜上所述，68002工作面回采時，并未發生水害，而是為下部的73003工作面創造了潰水的條件。

4.4 工作面頂板斷層-離層潰水過程

73003工作面回采前，其覆巖中的離層空間以及F18,F16-1和F1斷層空間已經蓄積了一定規模的水體(圖10(c))，由于73003工作面采放高度最大達到了60 m左右，并在局部可能更高，其形成的垮落帶溝通至斷層或離層水體，這些水體便以近似管道流的形式迅速潰入工作面(圖10(d))，并且73003工作面埋深較大，斷層和離層水體位置較高、距離工作面較遠，因此，具有高承壓和高勢能等特點，從而具備將大塊綠色頁巖攜帶至工作面的條件。

4.5 工作面頂板斷層-離層潰水機理

結合工作面頂板斷層-離層空間形成、充水和潰水過程分析，其潰水機理為:特厚煤層分層開采過程中，受到上分層綜放工作面開采的擾動，覆巖中巖性不同的巖層之間出現離層，同時含(導)水性較差的斷層由于上、下盤沉降程度不同出現斷層空間，從而“活化”導水，斷層-離層空間在接受含水層的補給后，形成斷層和離層水體，當下分層綜放工作面開采形成的垮落帶溝通至斷層和離層水體后，發生潰水。

4.6 工作面頂板斷層-離層潰水特點

通過對老虎臺礦73003工作面斷層-離層耦合潰水機理的分析，并結合礦井地質和水文地質條件分析，其潰水水源、通道和特征與常規斷層水害和離層水害相比有以下3個特點:

(1)斷層、離層作為水源和通道的復合特性。受到特厚煤層分層綜放開采的擾動，斷層和工作面覆巖中產生空間，斷層空間接受白堊系含水層的補給，成為充水水源，同時作為導水通道向離層空間進行水量補給;而離層在接受斷層水補給后成為充水水源，同時又向周邊斷層空間進行水量補給，成為導水通道。

(2)垮落帶在工作面潰水中的特殊屬性。以往頂板水害防治關注的導水通道為垮落帶和導水裂縫帶，而對于油母頁巖和綠色頁巖等軟弱覆巖，遇水容易崩解泥化，形成的導水裂縫帶高度較堅硬覆巖有所減小，并且在高地應力和遇水的條件下易閉合，故73003工作面潰水的通道為垮落帶，從潰出物中存在大塊綠色頁巖可以得到驗證。

(3)潰水的滯后性。斷層-離層潰水具有顯著的滯后性，主要表現在上分層工作面開采并不會發生水害，但是形成的斷層和離層水體為下分層工作面回采埋下了水害隱患，當下分層工作面回采波及至斷層和離層水體時，即發生潰水事故。

4.7 工作面頂板斷層-離層潰水防治方案

在查明了斷層-離層耦合潰水機理后，可以采取有針對性的防治水方案，杜絕水害事故的發生。

根據斷層-離層潰水機理，將研究區煤層按受水害威脅程度進行分區:Ⅰ區受水害威脅程度輕:覆巖未產生或產生小規模斷層和離層空間;Ⅱ區受水害威脅程度較輕:覆巖中產生較大規模斷層和離層空間，但未充水;Ⅲ區受水害威脅程度較重:覆巖中形成小規模斷層和離層水體，且下分層工作面的垮落帶能夠波及至水體;Ⅳ區受水害威脅程度重:覆巖中形成大規模斷層和離層水體，且位于下分層工作面的垮落帶范圍內。通過對典型剖面Ⅰ區和Ⅱ區煤層的安全回采，初步證明了分區的可靠性(圖11)。

圖11 水害威脅程度分區及驗證(7200剖面)Fig.11 Partition of threat level of water disaster and verification(7200 profile)

對于Ⅲ區和Ⅳ區內的工作面在回采前，必須開展斷層-離層水害防治工作，包括以下3個方面:

(1)上分層工作面回采完畢后，對剛形成且尚未充水的斷層和離層空間進行注漿充填，避免斷層和離層水體形成;

(2)從地面或井下施工斷層和離層水體探放鉆孔，在下分層工作面回采前，對發育規模較大的斷層和離層水體進行疏放;

(3)減少工作面放頂高度或采用充填開采等方法開采下分層工作面，以減少對覆巖的再次破壞，避免溝通至已形成的斷層和離層水體。

5 結 論

(1)模擬特厚煤層分層綜放開采軟弱覆巖條件下冒采比約為4.98～5.42，裂采比約為7.10～7.30，相對于堅硬覆巖條件下“兩帶”發育高度較低。

(2)斷層在綜放工作面采動影響下，由于上、下盤沉降幅度的差異，形成了斷層空間，距離回采工作面較近、落差較大的斷層形成的空間較大。

(3)在上分層工作面回采擾動下，不同巖性軟、硬巖層間易形成離層空間，其中能夠接受水源補給且位于下分層工作面垮落帶范圍內的為致災離層，是離層水害防治的重點對象。

(4)斷層-離層耦合潰水主要是由于特厚煤層上分層工作面回采導致斷層和離層空間的形成，接受斷層上盤含水層補給后形成斷層和離層水體，當下分層工作面回采時產生的垮落帶溝通至水體后形成水害事故。

(5)對于斷層-離層耦合潰水，可以采取將斷層和離層水體進行超前疏放，減少放頂高度或采用充填法開采等技術來減少對覆巖的擾動。