恒昇9301工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度及突水危險性

榮 劍，黃順杰

（1.安徽省皖北煤電集團(tuán)臨汾天煜恒昇煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾041000；2.安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南232001）

煤層開采破壞了上覆巖層原始應(yīng)力場的平衡狀態(tài)，引起巖層應(yīng)力重新分布，造成采場上覆巖層的變形、移動、離層、斷裂、垮落等，形成冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶和彎曲帶[1]。當(dāng)煤層上覆巖層有含水層和老空區(qū)積水時，確定回采工作面冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度，是預(yù)測頂板突水及防治突水危險的前提和依據(jù)[2-3]。

目前，對采動覆巖移動、變形、破壞的研究主要有經(jīng)驗公式、數(shù)值模擬、相似試驗和現(xiàn)場探測等方法和技術(shù)手段[4-8]。這些方法在提高了冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度計算精度的同時，也為煤礦的安全、高效生產(chǎn)提供了保障。孫慶先等[4]綜合運(yùn)用地表鉆孔沖洗液漏失量觀測、鉆孔彩色電視觀測和井下瞬變電磁法物探等技術(shù)手段，對神華寧煤集團(tuán)紅柳煤礦1121厚煤層、軟覆巖工作面采空區(qū)上覆巖層“兩帶”高度進(jìn)行了探測，表明綜采一次采全高工作面冒落帶高度為煤層厚度的8.55倍、導(dǎo)水裂縫帶高度為煤層厚度的12.51倍。來興平等[5]以地處戈壁灘的新疆哈密地區(qū)大南湖一礦為工程背景，開展了極干旱氣候下三軟煤層綜放開采覆巖破裂及裂隙導(dǎo)水特征的研究，為三軟煤層綜放工作面安全開采及保水采煤方案的確定提供了科學(xué)依據(jù)。滕永海[6]依據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，探討了綜放條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征，研究了綜放導(dǎo)水裂隙帶最大高度計算公式，表明綜放條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度要比普采條件下、分層綜采條件下的大，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分別增大了1.37倍和2.31倍。楊達(dá)明等[7]以某礦11915綜放工作面為例，綜合運(yùn)用井下鉆孔注水漏失量觀測、鉆孔電視和數(shù)值模擬等技術(shù)手段，對厚松散層、軟弱覆巖下綜放工作面采空區(qū)上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了探測。張玉軍等[8]以王坡煤礦為試驗礦井，采用鉆孔沖洗液漏失量觀測和鉆孔彩色電視系統(tǒng)，探測了高強(qiáng)度綜放開采覆巖破壞高度，并對監(jiān)測到的裂隙發(fā)育演化進(jìn)行了數(shù)字化分析和相似模擬試驗研究。

上述研究成果在保障煤礦安全生產(chǎn)方面起到了有效指導(dǎo)作用，但沒有在確定上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步結(jié)合煤礦水文地質(zhì)條件對礦井突水危險性進(jìn)行分析研究。本文以臨汾天煜恒昇煤礦9301綜放工作面開采為工程背景，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，在確定9301綜放工作面冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的前提下，分析了9301綜放工作面回采過程覆巖破壞對上覆含水層和老空區(qū)積水的影響及其突水危險性。研究成果對保證9301工作面的安全高效開采具有重要的工程指導(dǎo)意義。

1 工程概況

安徽省皖北煤電集團(tuán)臨汾天煜恒昇煤礦現(xiàn)主采9+10號煤層，9301工作面位于三采區(qū)南部，該工作面北部為未開拓區(qū)域，南部為一采區(qū)，局部靠近9102和9104采空區(qū)，西部以北翼運(yùn)輸大巷里段為界，東部礦界外為皖北煤電集團(tuán)恒晉煤礦。9301工作面長938m，寬200m，煤層底板賦存標(biāo)高1140-1193m，平均煤層厚度5.0m，煤層一般傾角2°-10°，如圖1所示。

圖1 9301工作面平面圖

如表1所示，9301工作面直接頂、老頂為淺海相石灰?guī)r，深灰色-黑灰色，鈣質(zhì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)，致密堅硬，裂隙發(fā)育有小溶洞，充填有方解石脈，含大量筵類動物化石，如長似紡錘筵和太原網(wǎng)格長身貝等，巖石以K2石灰?guī)r為主，中下部含泥巖薄層，平均厚度13.09m。K2石灰?guī)r抗壓強(qiáng)度較大，平均抗壓強(qiáng)度29.6MPa，平均抗拉強(qiáng)度1.3 MPa，抗剪內(nèi)摩擦角35°20′，凝聚力系數(shù)3.9，普氏硬度系數(shù)9.63，堅硬程度屬中硬巖，為較難冒落頂板。直接底為泥巖，黑色，粉砂質(zhì)膠結(jié)，含大量植物根部化石，厚度1.82m。老底主要為泥巖、煤、石灰?guī)r。

表1 9301工作面頂?shù)装鍘r性及其與上覆各巖層之間平均距離

9301工作面上方區(qū)域2號煤層已回采，老空區(qū)積水及頂板砂巖含水層（主要有K5、K7和2號煤采空區(qū)積水及頂板砂巖含水層）是工作面主要充水來源。若9+10號煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶連通上覆老空區(qū)積水和頂板砂巖含水層，將威脅著礦井的安全生產(chǎn)。為了保障礦井安全高效生產(chǎn)，需要根據(jù)現(xiàn)有的礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)資料，并結(jié)合9301工作面開采情況，對9301工作面開采覆巖破壞和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行探測研究，確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，形成相應(yīng)的防治水害技術(shù)措施，指導(dǎo)礦井安全高效生產(chǎn)。

2 9301工作面覆巖“兩帶”高度計算

由于綜放開采具有高產(chǎn)高效的優(yōu)點(diǎn)，在我國厚煤層開采礦井得到迅速普及。但目前《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中沒有綜放開采工作面“兩帶”高度的經(jīng)驗計算公式[2]。為此，中國礦業(yè)大學(xué)和唐山煤科院分別總結(jié)，并提出了一定條件下綜放開采“兩帶”高度的經(jīng)驗計算公式，如表2所示。

9301工作面選用ZF5600/18/35型液壓支架，9301工作面平均開采煤厚4.4m，工作面采高2.4m，放煤厚度2.0m。9301工作面上覆巖層為中硬巖層，根據(jù)表2計算得到冒落帶高度為：

表2 綜放開采“兩帶”高度經(jīng)驗計算公式

導(dǎo)水裂隙帶高度為：

因此，依據(jù)經(jīng)驗公式，恒昇煤業(yè)9301綜放工作面最大冒落帶高度為25.39m，最大導(dǎo)水裂隙帶高度為66.325m。

3 9301工作面覆巖“兩帶”破壞特征

9301工作面開采后，上覆巖層破壞具有明顯的分帶性，依據(jù)礦山壓力與巖層控制理論，工作面開采后上覆巖層自下而上一般形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，其中冒落帶和裂隙帶發(fā)育高度是工作面安全生產(chǎn)的重要技術(shù)參數(shù)，稱為“兩帶”。“兩帶”的形態(tài)和具體發(fā)育高度與工作面地質(zhì)條件密切相關(guān)，對指導(dǎo)礦井水害防治意義重大。下面分別從覆巖塑性區(qū)破壞特征和應(yīng)力判別法兩個角度來對9301工作面覆巖“兩帶”發(fā)育特征進(jìn)行分析。

3.1 覆巖塑性區(qū)破壞特征

巖層屈服后進(jìn)入塑性狀態(tài)，其完整性遭到破壞，一方面巖體本身固有的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展與延伸，另一方面又產(chǎn)生新的裂隙，這些裂隙互相連通即構(gòu)成裂隙通道。采場覆巖塑性區(qū)破壞特征能夠直觀地反映覆巖破壞形態(tài)，是分析“兩帶”發(fā)育高度，特別是判定最大導(dǎo)水裂隙帶高度的主要依據(jù)之一。9301工作面回采400m時，走向方向和傾向方向采空區(qū)中央位置處的塑性區(qū)剖面，如圖2所示。

從塑性區(qū)分布可以看出，采空區(qū)上覆巖層主要以拉伸和拉剪破壞為主，再向上以剪切破壞為主。采動后覆巖自上而下大致可以分為5個變形破壞區(qū)域，分別為未受破壞區(qū)、塑性變形區(qū)、拉張裂隙區(qū)、拉張破壞區(qū)和局部拉張區(qū)。煤層開采后，影響覆巖裂隙帶高度的主要是工作面前后巖壁上方和采空區(qū)上方的塑性區(qū)分布。冒落帶巖層一般處于局部拉張區(qū)，塑性區(qū)表現(xiàn)為拉破壞，由圖2可以獲得9301工作面冒落帶發(fā)育高度為16.33m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為60.6m（塑性區(qū)發(fā)育最大高度）。

圖2 9301工作面回采400m時走向和傾向方向采空區(qū)中央位置塑性區(qū)分布

3.2 應(yīng)力判別法

應(yīng)力判別法是通過采用不同的強(qiáng)度準(zhǔn)則和屈服準(zhǔn)則，進(jìn)行有限元計算，獲得每一節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力，通過該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)來判斷該點(diǎn)是否發(fā)生屈服破壞。其中，拉應(yīng)力區(qū)和較小壓應(yīng)力區(qū)是裂隙發(fā)育的區(qū)域，拉張破壞區(qū)和拉張裂隙區(qū)的上界限是確定冒落帶高度和導(dǎo)水裂隙帶高度的重要判別依據(jù)。圖3為9301工作面推進(jìn)400m時走向和傾向方向采空區(qū)中央位置最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、水平應(yīng)力（SXX和SYY）云圖。

從圖3（a）和（b）主應(yīng)力等值線云圖可以看出，最大主應(yīng)力的形態(tài)類似于“馬鞍”型，與塑性區(qū)分布形態(tài)基本上一致，最小主應(yīng)力的形態(tài)呈“拱”型向上發(fā)展；從圖3（c）和（d）水平應(yīng)力等值線云圖可以看出，上覆巖層內(nèi)水平應(yīng)力的垂直分帶比較明顯，采空區(qū)上覆一定范圍內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，超過此范圍后，拉應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，且水平應(yīng)力等值線變得稀疏。

圖3 9301工作面推進(jìn)400m時最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和水平應(yīng)力云圖

從主應(yīng)力的大小、方向可以得到在垂直方向上，按照水平應(yīng)力和主應(yīng)力的大小和性質(zhì)可以分為三個區(qū)，分別為雙向拉應(yīng)力區(qū)、拉壓應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)。雙向拉應(yīng)力區(qū)表現(xiàn)為最大和最小主應(yīng)力都大于0，主要分布于采空區(qū)冒落帶巖層內(nèi)，當(dāng)拉應(yīng)力超過巖體的極限抗拉強(qiáng)度時，巖層斷裂、垮落，應(yīng)力釋放轉(zhuǎn)移；拉壓應(yīng)力區(qū)表現(xiàn)為最大主應(yīng)力大于0，最小主應(yīng)力小于0，主要分布在冒落帶巖層外，巖層所受某一方向的拉（壓）應(yīng)力高于抗拉（壓）強(qiáng)度而產(chǎn)生剪切裂隙、拉張裂隙；壓應(yīng)力區(qū)表現(xiàn)為最大和最小主應(yīng)力都小于0。冒落帶一般位于采動覆巖雙向拉應(yīng)力區(qū)和拉壓應(yīng)力區(qū)，其破壞形式以拉張破壞和剪切破壞為主，主應(yīng)力的大小和巖體性質(zhì)控制著冒落帶的發(fā)育高度以及，采動裂隙的張開度、密度和貫通性。

3.3 “兩帶”界定準(zhǔn)則

巖石是一種抗壓不抗拉的材料，一般認(rèn)為，如果采空區(qū)覆巖最大、最小主應(yīng)力都為拉應(yīng)力，該位置處巖石將產(chǎn)生全面拉破壞，該處頂板冒落形成冒落帶；如果只有一個主應(yīng)力是拉應(yīng)力，則與該拉應(yīng)力垂直的方向?qū)a(chǎn)生明顯裂隙，形成裂隙帶。設(shè)定拉應(yīng)力為正，以覆巖主應(yīng)力都為拉應(yīng)力范圍作為冒落帶，將一個方向主應(yīng)力為拉應(yīng)力的范圍作為裂隙明顯的裂隙帶高度。

圖4為9301工作面不同推進(jìn)距離時，覆巖冒落帶和裂隙帶發(fā)育高度變化規(guī)律。由圖4可知，當(dāng)9301工作面推進(jìn)40m時，冒落帶高度為7.5m，裂隙帶高度為35.2m；推進(jìn)80m時，冒落帶高度為8.6m，裂隙帶高度為44.9m；推進(jìn)120m時，冒落帶高度為9.55m，裂隙帶高度為49.1m；推進(jìn)160m時，冒落帶高度為11.89m，裂隙帶高度為53.12m；推進(jìn)200m時，冒落帶高度為13.11m，裂隙帶高度為56.23m；推進(jìn)240m時，冒落帶高度為13.92m，裂隙帶高度為57.54m；推進(jìn)280m時，冒落帶高度為14.61m，裂隙帶高度為58.2m；推進(jìn)320m時，冒落帶高度為15.52m，裂隙帶高度為59.4m；推進(jìn)360m時，冒落帶高度為16.01m，裂隙帶高度為60.1m；推進(jìn)400m時，冒落帶高度為16.33m，裂隙帶高度為60.6m。綜上分析可知，9301工作面覆巖冒落帶高度與工作面推進(jìn)距離關(guān)系不大，隨工作面推進(jìn)距離的增加而緩慢增加，冒落帶發(fā)育高度為7.5-16.33m；裂隙帶發(fā)育高度隨著工作面推進(jìn)距離的增加而快速增加，在工作面一次見方后，裂隙帶發(fā)育高度趨于平緩，基本保持在一個穩(wěn)定值，裂隙帶發(fā)育高度為35.2-60.6m。

圖4 9301工作面不同推進(jìn)距離時覆巖冒落帶和裂隙帶發(fā)育高度

4 9301工作面突水危險性

依據(jù)水文地質(zhì)和物探資料（表1），9301工作面上覆巖層主要有K2、K3、K4、K5裂隙含水層和2號煤層采空區(qū)積水及頂板砂巖含水層，其中K2石灰?guī)r和K5砂巖含水層富水性較好，屬富水性弱-中等的含水層，為9+10號煤層直接充水含水層，且K2灰?guī)r和K5砂巖存在富水異常區(qū)。另外，2號煤層部分已開采區(qū)域存在水量不詳、分布不均的老空區(qū)積水。

根據(jù)9301綜放工作面中硬頂板的條件，由經(jīng)驗公式計算的9301綜放工作面冒落帶高度為20.68±4.71m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為54.835±11.49m。由數(shù)值模擬獲得的9301綜放工作面冒落帶高度為16.33m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為60.6m。理論分析和數(shù)值模擬表明，9301綜放工作面冒落帶高度在15.97-25.39m之間，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度在43.345-66.325m之間。因此，9301綜放工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度為66.325m，而9+10號煤層與上覆K6泥質(zhì)灰?guī)r之間的距離為67.37m，與上覆4號煤層之間的距離為79.28m，如表1所示。9301工作面開采后，采場覆巖導(dǎo)水裂隙帶最高發(fā)育到K6泥質(zhì)灰?guī)r內(nèi)，同時，4號煤層下方泥巖對覆巖導(dǎo)水裂隙具有一定的封堵作用。由于9+10號煤層與上覆K5砂巖之間的距離為42.43m、與K6泥質(zhì)灰?guī)r之間的距離為67.37m，因此9301工作面開采后，9+10號煤層上覆的K5砂巖、K6泥質(zhì)灰?guī)r將進(jìn)入覆巖導(dǎo)水裂隙帶的最高發(fā)育范圍內(nèi)，而2號煤層將整體處于9+10號煤層上覆彎曲下沉帶范圍內(nèi)。

另外，9301工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度尚未達(dá)到2號煤層，且9301工作面上覆K2、K3、K4和K5裂隙含水層之間均勻分布有厚度不等的泥巖、砂質(zhì)泥巖，其巖性比較致密，具有良好的隔水性能，阻隔了各含水層之間的水力聯(lián)系，厚度不等的泥巖、砂質(zhì)泥巖起到了層間隔水作用。因此，當(dāng)9301工作面上覆2號煤層沒有開采、比較完整、不存在老空區(qū)時，9301工作面開采過程中基本不會受到2號煤層老空區(qū)積水的威脅，其防治水的重點(diǎn)為K2灰?guī)r和K5砂巖富水異常區(qū)。9301工作面回采前，應(yīng)依據(jù)地面瞬變電磁探測結(jié)果，對K2灰?guī)r和K5砂巖富水異常區(qū)進(jìn)行預(yù)先疏放，同時在回采過程中加強(qiáng)K2灰?guī)r和K5砂巖含水層水害的探查和水文地質(zhì)觀測分析。而當(dāng)9301工作面上覆2號煤層已開采、存在老空區(qū)，并形成底板采動破壞裂隙帶時，9301工作面開采后產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶可能會與2號煤層底板采動破壞裂隙帶溝通，此時會受到2號煤層老空區(qū)積水的威脅，其防治水的重點(diǎn)為K2灰?guī)r、K5砂巖富水異常區(qū)和2號煤層老空區(qū)積水。9301工作面回采前，應(yīng)依據(jù)地面瞬變電磁探測結(jié)果，對K2灰?guī)r、K5砂巖富水異常區(qū)和2號煤層老空區(qū)積水進(jìn)行預(yù)先疏放，同時在回采過程中加強(qiáng)K2灰?guī)r、K5砂巖含水層和2號煤層老空區(qū)積水的探查和水文地質(zhì)觀測分析。

綜上所述，9301工作面開采后，采場覆巖導(dǎo)水裂隙帶最大高度（66.325m）發(fā)育到4號煤層下方K6泥質(zhì)灰?guī)r內(nèi)，其尚未達(dá)到2號煤層；對于沒有開采的2號煤層，其下方9+10號煤層開采時基本不會受到2號煤層老空區(qū)積水的威脅；而對于已開采的2號煤層，其下方9+10號煤層開采后產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶可能會與2號煤層底板采動破壞裂隙帶溝通，此時會受到2號煤層老空區(qū)積水的威脅，應(yīng)加強(qiáng)探放水，做好水害防治技術(shù)措施。應(yīng)注意的是，雖然9+10號煤層上覆含水層屬富水性弱-中等含水層，但局部地段可能出現(xiàn)中等至強(qiáng)含水層，在構(gòu)造發(fā)育地段易形成積水空間和導(dǎo)水通道，開采至此部位時，易發(fā)生突水事故。特別是隨著開采面積的增大，采空區(qū)頂板塌陷、冒落后，會進(jìn)一步加強(qiáng)煤層上覆各含水層之間的水力聯(lián)系。開采過程中應(yīng)根據(jù)涌水量變化情況及時采取相應(yīng)措施，加強(qiáng)礦井水文地質(zhì)工作和防治水工作，確保礦井安全生產(chǎn)，必須堅持探放水原則，以防發(fā)生突水事故。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中經(jīng)驗公式，計算了綜放條件下恒昇煤礦9301工作面冒落帶最大高度為25.39m，導(dǎo)水裂隙帶高度為66.325m。

（2）采用FLAC數(shù)值軟件，分析了工作面覆巖應(yīng)力場及塑性區(qū)分布特征，通過塑性區(qū)破壞特征、應(yīng)力判別等方法，獲得了恒昇煤礦9301工作面冒落帶發(fā)育高度為16.33m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為60.6m。

（3）理論分析和數(shù)值模擬表明，恒昇煤礦9301綜放工作面冒落帶高度在15.97-25.39m之間，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度在43.345-66.325m之間。

（4）恒昇煤礦9301工作面開采后所形成的最大導(dǎo)水裂隙帶高度小于9+10號煤層與2號煤層之間的平均間距，9301工作面開采后上覆2號煤層整體處于彎曲下沉帶范圍內(nèi)，基本不會受到2號煤層老空區(qū)積水的威脅，其防治水的重點(diǎn)為K2灰?guī)r和K5砂巖富水異常區(qū)。