高強度開采覆巖巖性及其裂隙特征

楊達明，郭文兵，譚 毅，王玉喜，馬曉川，李 壯

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000; 2.煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南 焦作 454000; 3.河南景惠科技有限公司，河南 鄭州 450000; 4.鄂爾多斯昊華精煤有限責任公司 高家梁煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

我國西部煤炭開采工作面由于開采厚度大、煤層埋藏淺、采礦地質條件簡單、工作面推進速度快等特點，造成覆巖破壞更劇烈，破壞高度大，導水裂隙帶常與地表裂縫貫通等[1]，同時由于西部生態環境脆弱，開采造成的地表及地下水流失會對地表植被及井下開采安全造成嚴重威脅[2-3]。針對上述問題，范立民首次提出了“保水采煤”的概念[4];其后，大量學者根據保水采煤的科學內涵開展了一些列的理論研究和工程實踐[5-9]。黃慶享針對保水開采巖層控制分析了覆巖“上行裂隙”和“下行裂隙”的發育規律，并提出了隔水巖組隔水性判據[10];馬立強針對目前充填保水采煤方法存在的充填時間和充填空間不足，采煤與充填作用協調困難等問題，提出了“采充并行”式充填保水采煤方法[11];李文平分析了N2紅土層的物理-水理-力學性質，發現N2紅土隔水性能受采動破壞后，具有良好的自我恢復功能，豐富了保水采煤技術體系[12];在工程實踐方面，王雙明、黃慶享、范立民等提出了基于含水層結構保護的充填開采、窄條帶開采、限高(分層)開采、短壁開采等“因地制宜”的技術方法[13-15]。

保水采煤技術主要為通過抑制導水裂隙帶發育高度，保護含水層結構的穩定或短暫失穩后造成的水位下降在一定時間后能恢復不影響其供水能力的范圍[16]。由于西部礦區多為高強度開采工作面，充填開采、條帶開采、限高開采等技術方法會嚴重影響工作面正常生產;因此部分學者對開采覆巖裂隙發育及擴展規律進行了大量研究。王新豐提出了覆巖裂隙場存在卸壓失穩、張裂破壞、萎縮變小、彌合封閉的時空演變過程[17]。賈后省通過相似模擬實驗及現場實測分析了淺埋工作面縱向貫通裂隙的孕育、張開、閉合及壓實規律[18]。

筆者通過對典型高強度開采礦區高家梁煤礦工程地質條件分析，實驗測定了工作面頂板覆巖的微觀結構及宏觀力學性質;通過物理實驗及理論分析，研究了工作面覆巖裂隙及結構特征;采用大地電磁，對覆巖破壞進行了探測，同時結合工作面地表裂縫發育特征，綜合分析了高家梁煤礦覆巖巖性與裂隙特征。

1 采礦及水文地質條件

高家梁煤礦位于內蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗，礦區地表植被稀疏，為半荒漠地區，生態環境脆弱，地表海拔標高為+1 435～+1 503 m。井田內賦存多層侏羅系煤層，共見可采煤層6層，目前主采2-2上和2-2中煤層。所選研究工作面為20313工作面，該工作面主采2-2中煤層，其上2-2上煤層未回采，平均煤層厚度4.0 m，煤層傾角1.5°，為近水平煤層，埋深149～205 m，平均177 m。根據地面鉆孔勘探資料，高家梁煤礦2-2中上方地層由老至新發育有:侏羅系中下統延安組、侏羅系中統直羅組和安定組、白堊系下統涇川組和東勝組、第三系上新統和第四系全新統;其中，2-2中煤層位于侏羅系中下統延安組，工作面頂板以砂質泥巖與砂巖互層為主。

高家梁煤礦井田內無水庫、湖泊等地表水體，但地表水系較發育，溝谷縱橫，無常年地表徑流，只有在雨季大雨過后形成短暫洪流。覆巖含(隔)水層情況如圖1所示;根據地下水的水力性質及賦存條件，地下水可劃分為松散巖類孔隙潛水含水巖組和碎屑巖類孔隙、裂隙承壓水含水巖組。潛水主要賦存于黃土、砂土、沖洪積砂礫石、風積沙等，主要補給來源為大氣降水，因大氣降水補給量較小，補給條件較差，與下部承壓水含水層水力聯系較小。承壓水含水層從白堊系志丹群頂部至侏羅系中下統延安組2煤組頂板泥巖，含水層巖性以砂巖為主，富水性弱，徑流條件不良，在溝谷邊緣地段轉為潛水。2-2中煤層頂板隔水層主要以灰色砂質泥巖為主，隔水性較好。工作面開采對松散層內寶貴的水資源及覆巖內承壓水含水層產生嚴重影響，破壞生態環境、威脅生產安全。

2 覆巖微觀結構及物理力學性質

由于鄂爾多斯南部淺埋煤系巖層形成時期較晚，造成其微觀結構、組分及宏觀力學性質與東部礦井煤系巖層不同;通過實驗獲取砂質泥巖頂板微觀結構和礦物組分及物理力學性質，分析砂質泥巖頂板采動裂隙特征。

2.1 微觀結構分析

試驗樣品分別取自2-2上煤層與2-2中煤層間隔巖層砂質泥巖(稱為試樣1)、2-2上煤層頂板上方10 m(侏羅系延安組)、50 m(侏羅系直羅組)、70 m(侏羅系安定組)、90 m(白堊系涇川組)、110 m(白堊系東勝組)和130 m(第三系上新統)處砂質泥巖(分別稱為試樣2～7)，各巖樣取樣位置、特征及埋深如圖1所示;采用JSM-6510LV高低真空掃描電子顯微鏡(SEM)對各試樣分別放大1 000,2 000,5 000倍進行分析;部分放大1 000倍的電鏡掃描照片如圖2所示。

試樣1,2微觀結構及礦物組分相似。微觀結構中高嶺石呈管狀、疊層狀，疊加定向排列，常分布于長石顆粒表面，其形成與長石分解溶蝕具有密切關系，并發育完美晶形;綠泥石板片狀集合體交織常附著于顆粒表面構成櫛殼式薄膜，絨球狀集合體常充填于粒間孔隙中。

試樣3,4均為含有黏土礦物的巖石，微觀結構相似;其伊/蒙混層礦物在巖石中顆粒表面呈片狀、定向分布;高嶺石多晶形較好，呈蠕蟲狀、書頁狀，薄膜式膠結的綠泥石較發育，多包繞在碎屑顆粒周圍形成孔隙襯邊。礦物組分中試樣3綠泥石較多、伊利石較少。

試樣5微結構中伊利石多呈碎晶形不完整，輪廓圓滑清晰，略具定向性;綠泥石主要呈片狀或薄板狀，厚度較大，晶體邊緣不平直;伊/蒙混層表現為邊緣模糊的半透明葉片或鱗片狀。試樣中伊利石、綠泥石和伊/蒙混層礦物含量較高，缺少高嶺石，極少見蒙脫石。

試樣6微觀結構中伊利石有的呈彎曲片狀和條狀、晶形不完整、輪廓圓滑、略具定向性，以薄膜、襯邊形式分布于顆粒表面;有的呈毛發狀、細絲狀、蜂窩狀，以孔隙充填形式存在，偶見與蒙脫石相伴。砂巖中綠泥石有的呈片狀或薄板狀，晶體邊緣不平直，呈花朵狀。試樣中伊利石、綠泥石含量較高，含少量蒙脫石和高嶺石。

圖2 砂質泥巖的電鏡掃描圖Fig.2 Electron microscopic scanning of sandy mudstone

試樣7巖石中含有大量的黏土礦物，伊/蒙混層礦物在巖石顆粒表面呈片狀、定向分布，局部有溶蝕空洞發育，高嶺石和伊利石充填于巖石顆粒的微裂隙中。含有大量遇水膨脹黏土礦物，次要礦物有伊利石、高嶺石和綠泥石等礦物。

2.2 物理力學性質

巖石試件取樣位置與電鏡掃描取樣位置相同，試件為整齊的圓柱體，直徑為54 mm，采用MTS815.03電液伺服巖石試驗系統對上述試樣分別進行物理力學性質測試，所測得試件的物理力學參數見表1。

表1 砂質泥巖頂板物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of sandy mudstone

圖3 砂質泥巖抗壓強度與埋深的關系曲線Fig.3 Curve of relationship between compressive strength of sandy mudstone and depth

由圖3可知，不同地層組處砂質泥巖的單軸抗壓強度相差不大，基本位于10～14 MPa，但隨著深度的增加，砂質泥巖的單軸抗壓強度有增大的趨勢。

如圖4所示。由圖可知，在地表110 m以上，砂質泥巖的單軸抗拉強度相差不大，基本位于0.6～0.8 MPa，在地表110 m以下時，隨著距地表深度的增加，砂質泥巖的單軸抗拉強度有增大的趨勢。

圖4 砂質泥巖抗拉強度與埋深的關系曲線Fig.4 Curve of relationship between tensile strength of sandy mudstone and depth

2.3 微觀結構及礦物成分對宏觀力學性能的影響

通過將上述測試結果進行對比，發現巖體微觀結構、礦物成分對其宏觀物理力學性能具有較大的影響。一般來說，巖體微觀結構中點接觸為不穩定接觸，在外力作用下容易發生變形;而線接觸、凹凸接觸和縫合接觸均為穩定接觸，很難發生變形。膠結物的成分是影響單元體連接強度的重要因素，一般認為硅質膠結物的連接強度最高，鈣質膠結物次之，泥質膠結物最差;從膠結類型看，基底膠結的膠結程度最高，孔隙膠結次之，鑲嵌膠結和接觸膠結最差。通過對比不同層位的砂質泥巖細觀結構、礦物組分及物理力學性質，得到以下認識:

(1)隨著與煤層距離的增大，巖石顆粒表面逐漸由片狀、定向分布，轉變為薄板狀、條帶狀或毛發狀，非定向分布;顆粒間接觸逐漸由點-點、點-面接觸轉變為線-面、面-面接觸，且顆粒體積有增大趨勢;顆粒間空隙逐漸由絨球狀集合體充填轉變為無充填，再轉變為局部有溶蝕空洞發育;伊/蒙混層的含量減小，伊利石和蒙脫石含量增大。

(2)砂質泥巖的物理力學參數普遍較小，并隨著與煤層距離的增大而減小，由煤層至地表，砂質泥巖更易破斷，斷裂塊度變小，斷裂后接觸面積更大，且遇水后顆粒體積膨脹，擠壓顆粒間的孔隙，孔隙通道減小，使宏觀通水性降低，有利于工作面安全保水開采。

3 保水開采的含(隔)水層結構破壞特征

3.1 相似模擬實驗

為掌握20313工作面開采含(隔)水層結構破壞規律，以實際采礦地質條件為基礎進行相似模擬實驗。實驗采用二維相似模擬實驗臺，模型長、高分別為4.0和194.2 m，根據相似模擬定律、實驗臺尺寸與現場開采條件，設計幾何相似比為0.01，容重相似比為0.6;模擬材料以砂子云母為骨料，以石膏、碳酸鈣為膠結物，根據巖層試件的抗壓強度，選取合理配比。模型左右邊界各留50 cm煤柱(實際50 m，為便于分析，文中以下描述均采用幾何相似比換算后的實際尺寸)，20313工作面實際開采速度約為15 m/d，模型開挖速度為15 cm/2.4 h，盡量呈現工作面實際開采過程。

當工作面推進至45 m時，頂板發生初次垮落，同時上覆巖層開始出現明顯離層;隨著工作面的推進，覆巖破壞繼續向上發展。當工作面推進至150 m時(圖5(a))，此時覆巖內的裂隙包括采空區邊界裂

圖5 工作面覆巖及地表裂隙發育特征Fig.5 Development characteristics of overburden and surface cracks in working face

隙和采空區內的裂隙，采空區邊界裂隙寬度約為0.3 m;采空區內裂隙和離層裂隙貫通，寬度約為0.2 m，地表存在的明顯的拉伸裂縫，寬度約為0.1 m，覆巖破斷角約為70 °;當工作面推進至165 m時(圖5(b))，工作面前段的地表裂縫開始閉合，寬度小于0.1 m，覆巖裂隙向工作面前方發展傳遞，原覆巖裂隙閉合。當工作面推進至180 m(圖5(c))，原地表裂縫開始閉合，且在前方出現新的裂縫，寬度約為0.1 mm;當推進至195 m時(圖5(d))，原地表裂縫完全閉合，新發育地表裂縫擴展增大，采空區后方的覆巖裂隙進一步彌合。

實驗模型一共開挖了300 m，覆巖及地表裂縫以張開、閉合、壓實的過程重復向前發展，總體上覆巖含水層及頂板隔水層產生了一定程度破壞，但導通裂隙寬度較小，地表沒有出現明顯的塌陷裂隙。由于覆巖主要以砂質泥巖和細粒砂巖交互層存在，巖層總體強度較低;砂質泥巖以載荷層形式作用于下部硬巖層，硬巖層破斷后，由于軟弱巖層壓實作用，裂隙最終閉合，有效降低了裂隙巖體的通水性。

3.2 理論分析

采用壓力拱理論分析工作面開采后的覆巖破壞情況。近水平煤層開采下，工作面長度方向上壓力拱基本呈對稱形態，覆巖內應力拱軸線位于工作面覆巖彎曲帶和采場周圍未失穩煤巖體中，拱殼存在于尚未斷裂的覆巖中，拱高一般大于采動覆巖裂隙發育的最大高度。為便于分析，取工作面長度方向平面壓力拱結構模型進行分析，如圖6所示，其中壓力拱的拱高為h，跨度為b，工作面長度為l，煤層厚為m。

圖6 工作面長度方向壓力拱結構模型Fig.6 Pressure arch structure model along width of panel

將壓力拱簡化為三鉸拱結構，取左半側進行分析，如圖7所示;拱上作用有垂直的均布載荷q，拱頂作用有右半拱OB段對左半拱OA段水平切向支撐力T，A點作用有支點水平反力P及垂直反力N，假設三鉸拱為穩定的無彎矩狀態。

圖7 壓力拱受力分析簡化圖Fig.7 Simplified force diagram of pressure arch

左半側OA段拱在各種力的作用下處于平衡狀態，根據體系平衡可得:

(1)

N=qb/2

(2)

P=T

(3)

(4)

壓力拱處于極限平衡狀態時在拱腳處的水平反力P由垂直反力N產生的摩擦力平衡，即

P=Nf

(5)

式中，f為巖體的堅固性系數，或稱為似摩擦因數。

由式(3)，(5)得到

T=Nf

(6)

為保證拱在水平方向有足夠的穩定性，須使T

2T=Nf

(7)

取拱軸線上任意一點(x，y)，由幾何關系，得到壓力拱的軸線方程:

(8)

工作面煤壁裂隙滑移面與采空區下部煤壁側間的夾角為θ，由主動巖體壓力理論得:

(9)

式中，φ為上覆巖層體的內摩擦角。

壓力拱跨度b和高度h分別可表示為

b=l+2a=l+2mtan (45°-φ/2)

(10)

(11)

式中，H為煤層埋深。

大量研究表明工作面開采后基巖的破斷移動區呈倒漏斗型[19]，而壓力拱形態通常呈拋物線形或橢圓形，與實際呈現的倒漏斗型不完全相符。高家梁煤礦20313工作面頂板主要以軟弱砂質泥巖和相對較硬的砂巖互層為主，而砂巖層對上覆泥巖層的變形和破壞起控制作用。當壓力拱發育至硬巖層時，硬巖層會對壓力拱形態產生影響，若硬巖層不破斷，則壓力拱拱頂位于關鍵層下部附近或位于關鍵層內的平頂狀拱;若硬巖層破斷失穩，基于該巖層斷裂失穩位置會重新向上起拱，至形成穩定的壓力拱結構或覆巖破壞發育到地表時為止，如圖8所示。

圖8 硬巖層對壓力拱結構演化影響Fig.8 Influence of hard rock strata on the evolution of pressure arch structure

根據20313工作面實測地表移動數據，工作面最大下沉值為w=2.45 m;認為煤層開采后垮落帶巖層垮落碎脹充填采空區，地表與裂隙帶及彎曲下沉帶巖層協同下沉;采厚m=4.0 m，Δm=m-w，垮落帶巖層碎脹系數k取1.1，計算得到垮落帶高度約為Hk=(m-w)/(k-1)=15.5 m，發育至厚12.1 m砂質泥巖位置(圖9中序號5)。

圖9 20313工作面鉆孔柱狀圖Fig.9 Borehole columnar section of 20313 working face

20313工作面長度為300.5 m，根據工作面煤層覆巖物理力學參數，取覆巖的堅固性系數為1.3，覆巖的內摩擦角加權平均值為30 °;基于垮落帶頂部位置計算壓力拱高度，覆巖破斷角為70 °，壓力拱2對應的等效采厚Δm=1.55 m;根據幾何關系由覆巖破斷角計算得到裂隙帶底部巖層在工作面長度方向上的垮落范圍l1=289.2 m，計算得到壓力拱2拱高h2=111.9 m，煤層埋深約177 m;因此，工作面開采后覆巖會形成穩定的壓力拱結構，覆巖破壞不會與地表裂隙貫通，地表潛水不會直接與井下工作面貫通。

3.3 覆巖破壞大地電磁探測

3.3.1 探測原理及方案設計

大地電磁法是以天然電磁場為場源來研究地球內部電性結構的電磁法勘探技術。本次采用CAN-II型便攜大地電磁探測儀(圖10),其上一代CAN-I型儀器已成功用于覆巖破壞探測[20]。升級的CAN-II型儀器在硬件設計上采用能采集微弱信號的新型傳感器，將接收到反應巖層密度、電阻率、孔隙率、膠結程度等性質的各類信號和場源信號變化信息，利用試驗測試數據形成的模型，通過加權復合疊加成綜合數值，并正演成連續曲線，軟件處理時，針對曲線幅值、均勻度、平溫度、疏密程度、幅值變化幅度等要素進行對比識別，利用大量測試數據和分析處理軟件，反演成巖層剖面[21-22]。

圖10 CAN-II型大地電磁探測儀Fig.10 CAN-Ⅱ magnetotelluric instrument

結合20313工作面地形及開采計劃，在地表設置A,B,C三條大地電磁觀測線，其中B,C線垂直于工作面走向方向，A線位于采空區走向的中心且平行工作面的推進方向，設置探測點的間距為10 m。2018-05-02進行了首次觀測，5月5日工作面開始生產調試，8月5日對A,B,C三條線進行了復測，此時該區域下方煤炭已采出。20313工作面大地電磁探測點布置如圖11所示。

圖11 20313工作面大地電磁探測點布置Fig.11 Magnetotelluric measuring point layout in panel 20313

3.3.2 探測結果分析

從上述3條探測線中選取B線開采前后的CAN型綜合值剖面云圖進行分析(圖12)，0～400 m分別對應測點B1～B41。

首先將工作面綜合柱狀與開采前CAN型綜合值云圖(圖12(a))進行對比分析，由鉆孔柱狀煤層埋深約177 m，對應圖12(a)中相應埋深位置有橫向黃色帶狀區域，且該區域被上下兩條連續曲線夾持，說明該區域即為煤層位置，上下連續曲線區域即為煤層頂底板位置。通過對煤巖層走勢觀察，在145～165 m區域煤巖層走勢突然向上，且越靠近地表，等值線越密集且出現很多團狀等值線，在該位置巖層更破碎;判斷此處為一正斷層，通過對比工作面回采地質圖得到證實。在高程1 395～1 430 m區域I,II,III位置，存在3個較大的團狀曲線，該區域巖層穩定性較差，各區域之間存在破碎帶。水平165～400 m，對應高程1 405～1 455 m區域內巖層完整性顯著優于0～165 m巖層?？傮w上:① 高程1 305～1 375 m巖層完整性較好，靠近地表的巖層約70 m范圍內巖層完整性差，對照工作面綜合柱狀圖，該范圍內以新生界巖層為主;② 斷層上盤側巖層較下盤側穩定性差。

圖12 工作面開采前后CAN型綜合值云圖Fig.12 CAN-type comprehensive value cloud map before and after working face mining

圖12(b)為工作面開采后CAN型綜合值云圖，對比采前探測結果，等值線密度增大、閉合現象明顯增多，說明采后巖層的完整性遭到破壞;總體上斷層上盤側巖層破壞較下盤側更為嚴重，其中區域I,II,III位置曲線云圖變化最為明顯，說明開采后該區域巖層塌陷嚴重。自煤層頂板至高程1 405 m范圍內，由下到上曲線云圖的密度和閉合現象減少，說明靠近煤層的巖層破壞更嚴重，與實際采動覆巖破壞規律一致。在斷層下盤側，高程1 405～1 465 m，曲線基本以平滑層狀分布為主，說明該區域巖層破壞程度小;由于表土層的流動性及壓實作用，采動裂隙閉合，靠近地表的曲線云圖平滑層狀分布情況較好。

通過上述分析，采動后總體上斷層上盤側巖層整體上破壞更嚴重，越靠近地表，采動破壞程度越小;在斷層下盤側，雖然采動后云圖內出現了較多環狀閉合曲線，但仍有平滑層狀曲線包裹，說明采動覆巖的連續性分布較好，巖層內發育的裂隙數量較少且寬度較小。

4 工作面開采實踐

通過上述相似模擬實驗、理論分析、大地電磁探測及現場地表踏勘發現，總體上工作面開采后覆巖含(隔)水層整體上均出現了一定程度的破壞，但破壞程度較小;自頂板至地表的巖層由于覆巖內存在大量的軟弱砂質泥巖，采動后覆巖裂隙發育程度低，且裂隙彌合較好，且由于地表潛水及覆巖承壓水富水性較弱，之間水力聯系小，承壓水含水層徑流條件差，極大的降低了工作面開采的風險性。

20313工作面開采過程中對工作面地表裂縫進行了觀測。工作面地表多以細小拉伸或擠壓裂縫為主，裂縫總體數量不多，選擇了16條較為明顯的地表裂縫進行了持續觀測。主要包括超前于工作面發育的拉伸型裂縫、工作面正上方的臺階裂縫及坡體上發育的滑動型裂縫?；旧纤辛芽p經歷了“張開-擴展-閉合”完整發育過程(圖13)，僅采空區邊界裂縫沒有完全閉合。裂縫發育周期最長的為15 d，最短為7 d;裂縫寬度最大為6.3 cm，臺階落差最大為8.7 cm。裂縫間隔平均約為13.95 m，實測工作面周期來壓步距約為15.8 m，基本與工作面周期來壓步距吻合。由于地表裂縫寬度及臺階落差較小，且裂縫閉合良好，說明覆巖沒有出現全厚切落現象。

圖13 工作面地表裂縫張開-閉合過程Fig.13 “Open-close” law of surface cracks in panel 20313

截至2018-09-10，20313工作面已安全回采超過700 m，井下正常涌水量為0.5 m3/h，最大涌水量為1.5 m3/h，地表植被生長及分布情況與開采前基本一樣，說明工作面開采的安全性及地表生態基本不受影響。

5 結 論

(1)通過砂質泥巖頂板細觀結構和礦物組分及物理力學性質測試，越靠近煤層，巖石顆粒越小，顆粒間孔隙隨之減小;砂質泥巖頂板強度較低，斷裂塊度小且相互擠壓，孔隙通道減小，使宏觀通水性降低，有利于工作面保水安全開采。

(2)采用物理實驗、理論分析、大地電磁探測及現場踏勘對工作面開采后覆巖破壞情況分析，開采后覆巖裂隙沒有直接貫通地表，總體上裂隙發育寬度小，且存在彌合，增加了保水開采的安全性。

(3)20313工作面含水層地表潛水及覆巖承壓水富水性較弱，之間水力聯系小，承壓水含水層徑流條件差，且覆巖采動裂隙具有彌合性，工作面井下沒有出現突水潰砂事故，工作面實現了安全開采。

致謝河南景惠科技有限公司在覆巖破壞大地電磁探測上提供了幫助，現場工作得到了高家梁煤礦領導的大力支持，在此一并表示衷心感謝！