覆岩顶板导水裂隙带发育高度模拟与实测*

吕文宏

(陕西中能煤田有限公司，陕西榆林719000)

0 引言

陕西省中能煤田榆阳煤矿距离榆林市约12 km，建井开采面积约13.03 km2，目前规划范围扩大至237.32 km2，煤炭总资源量约11亿t.井田内水资源量相对较丰富，地下水主要有风积沙和上更新统萨拉乌苏组成的砂层水，抽水试验显示单位涌水量为1.375～2.596 L/s·m，属强富水，风化基岩含水组属中等富水;另外，煤层的直接充水层“真武洞砂岩”及“七里镇砂岩”;还有数个海子地表水体;矿井东约7 km处为榆林市重要水源地“红石峡水库”。特殊的地理位置和地理条件决定了中能煤田煤炭开采必须面临煤炭开采和水资源保护的协调问题。2005年以前，中能煤田榆阳煤矿以房柱式开采为主，矿井涌水量较小，2005年后扩大年产量，开采的方式也逐步转变为综采，伴随着年产量的大幅提高，矿井涌水量有着显著的增加，为查明矿井涌水的来源，做到保水采煤及预防工作面涌水溃沙事故的发生，有必要研究综采条件下导水裂隙带发育高度，为开采设计提供科学依据。

目前国内外对导水裂隙带高度的确定，一般的方法主要有数值模拟、相似模拟、经验公式计算法和现场实测法等［1］。而依据《煤矿安全规程》中给出的工作面采后垮落带和导水裂隙带最大发育高度经验公式具有一定的局限性，对一次采全高的综采工艺并不完全适用。因此，文中以榆阳煤矿2304综采工作面，首先提出经验公式预计结果的不足之处，然后采用数值分析手段对覆岩导水裂隙带发育高度进行定量模拟研究，并结合钻孔冲洗液消耗判定导水裂隙带发育高度的现场实测方法，以此互相验证来准确判断覆岩导水裂隙带的发育高度。

1 工作面地质条件概况

中能煤田榆阳煤矿2304工作面东临保护煤柱，西靠2308准备工作面，北边为井田边界，南边为运输大巷，煤层埋深188 m，工作面倾斜长度为200 m，走向长度为1 175 m，推进速度6.7 m/d，煤层采厚平均3.5 m，覆岩顶板主要由砂岩、中砂岩、泥岩和风化岩层等构成。

2 按经验公式预计导水裂隙带高度

考虑到榆阳煤矿2304综采工作面覆岩层主要由砂岩和泥岩构成，地层属于中硬岩层，可根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》对该面采后覆岩冒落带和导水裂隙带高度进行预计［5，7］，其公式如下

式中H冒，H导为冒落带和裂隙带高度，m;ΣM为累计采厚，取ΣM=3.5 m.

经公式(1)(2)预计计算可得，冒落带高度7.6～11.9 m，导水裂隙带高度32.4～43.6 m.

以上计算导水裂隙带最大高度未超过60 m，矿井综采条件下只会对上覆基岩含水层“真武洞砂岩”疏干、甚至无法疏干基岩含水层(“七里镇砂岩”)，更无法直接影响风化基岩含水层和松散砂层含水层，故规程中的经验公式计算值数值偏小。因此，考虑从数值分析角度和现场原位实测法导水裂缝带发育高度进行研究。

3 覆层破坏数值模拟分析

3.1 数值模型的建立

针对榆阳煤矿2304工作面实际地层情况，采用基于离散元法的UDEC数值分析软件进行模拟计算。考虑应消除位移边界和应力边界的影响，计算模型高210 m，长360 m，沿采煤工作面开采，开采步距为30 m，数值模型中将性质相似岩层划分为同一层，物理力学参数见表1.模型边界条件为:模型两端水平方向均设置为位移边界，顶部设置为自由边界，底部设置为水平和垂直位移边界。

表1 2304工作面覆岩层物理力学性质参数Tab.1 Physical mechanical parameters for overburden of No.2304 mining face

3.2 数值模拟结果分析

图1 工作面顶板覆岩塑性破坏区图Fig.1 Over burden plastic failure zone of mining face roof

本次数值模拟计算塑性破坏区如图1所示。通过分析采空区覆岩顶板塑性破坏区可看出，当工作面不断开采后，采空区顶部围岩塑性破坏范围逐渐增大。当工作面开采至30 m时，直接顶已完全垮落，覆岩冒落带高度达16 m，采空区上方出现拉伸屈服破坏区域;当工作面向前推进至90 m时，顶板塑性破坏区继续向上发展，此时导水裂隙带高度达到48 m;当工作面继续推进到120 m，导水裂隙带高度发育至72 m;当工作面推进至150 m，此时导水裂隙带发育高度已达到86 m;当工作面推进至180 m，覆岩顶板塑性破坏范围不再继续向上发展，仅在水平方向随着工作面开采而扩大，此时，导水裂隙带发育高度达到最大86 m.因此，由数值模拟计算得到覆岩冒落带高度为16 m，导水裂隙带最大发育高度为86 m.

4 导水裂隙带高度现场实测研究

本次试验采用一种直观的观测手段，即钻孔简易水文地质观测和注水试验来探测导水裂隙临界面最高部位的分布，以确定导水裂隙带高度。在导水裂隙带范围内，导水裂隙以内的水流必然向采空区运动排泄而不可能在临界面储存。因此在此位置时钻孔冲洗液漏失，水位相应下降;钻孔中断给水后，水位不断下降直至孔底［8］。

4.1 钻孔设计与实施方案

本次工程共布置钻孔2个，分别布置在2304综采面采空区开切眼以内350 m(ZP1钻孔)及距离收作线130 m左右靠近回风顺槽处(ZP2钻孔)。该采面至今已回采2 a，采空区已经达到稳定。ZP1覆岩类型为土基型、ZP2覆岩类型为砂基型。

现场钻孔采用清水钻进(图2)，钻孔孔径108 mm，大于要求的钻孔直径91 mm，由于钻孔揭露松散层时没有水位，因此钻进过程中没有加套管，控制每个回次长度小于4 m，裂隙带小于2 m，钻进穿过煤层底板后终孔，完成观测后利用水泥、碎石及沙进行封孔(图3)。

图2 钻塔及钻机Fig.2 Rigs and rig

图3 封孔Fig.3 Sealing

4.2 观测结果分析

4.2.1 ZP2 钻孔观测结果分析

1 )岩层裂隙发育状况。钻孔过程揭露松散砂层(7.52 m)，无黄土层，安定组强风化砂岩，直罗组及含煤的延安组。其中:强风化带为7.52～17.4 m，中等及弱风化带为17.4～44.8 m，风化带岩体如图4(a);除风化裂隙上覆岩层局部裂隙和离层较发育，在导水裂隙带以上有多组局部裂隙发育(图4(b));104.8 m以下岩层垂向裂隙普遍发育(图4(c))，可视为导水裂隙带的顶界面，173.8 m以下岩体取芯率下降较大，所取岩样普遍破碎(图4(d))，可视为冒落带的顶界面。

图4 ZP2钻孔不同深度岩层裂隙发育情况Fig.4 fractured rock conditions of ZP2 drilling for different depths

2 )钻孔冲洗液消耗观测。ZP2钻孔进入基岩段后开始观测钻孔冲洗液消耗量，在34 m以浅，钻孔冲洗液消耗量保持同一水平，较小为18.8～23.3 L/min，钻进34 m时泵量150 L/min时不返水，并出现吸风现象，继续钻进至孔底的过程中全泵量不返水，冲洗液消耗与钻孔孔深关系曲线如图5所示。

图5 ZP1，2钻孔冲洗液消耗量Fig.5 Fluid consumption for ZP1 and ZP2 drilling

3 )钻孔内水位观测。ZP2钻孔对不同的含水层均进行了水位测量，松散砂层没有观测到水位(0～7.52 m)，风化基岩带于13.5 m测量到稳定水位并保持到34 m水位消失(13.5～34 m);七里镇砂岩(93.45～111.9 m)没有观测到水位，该层中砂岩中水被疏干;真武洞砂岩(173.8～183.7 m)没有观测到水位，该层中砂岩中水被疏干，水位与孔深关系如图6所示。

4 )冒落带及导水裂隙带高度观测结果。依据ZP2钻孔观测成果综合确定钻孔深度173.8 m和104.8 m分别为冒落带和导水裂隙带的顶界面，煤层在此处的底板在188 m，因此冒落带和导水裂隙带高度分别为14.2和84.8 m，此处煤层采厚为3.5 m，冒采比为4.06，裂采比为24.2.

图6 ZP1，2钻孔水位观测曲线Fig.6 Level observation curve for ZP1 and ZP2 drilling

4.2.2 ZP1 钻孔观测结果分析

1 )钻孔冲洗液消耗观测。ZP1钻孔进入基岩段后开始观测钻孔冲洗液消耗量，在34 m以浅，钻孔冲洗液消耗量保持同一水平，较小为18.8～23.3 L/min，钻进34 m时泵量150 L/min时不返水，并出现吸风现象，继续钻进至孔底的过程中全泵量不返水(图5)。

2 )钻孔内水位观测。ZP1钻孔对不同的含水层均进行了水位测量，松散砂层没有观测到水位(0～7.52 m)，风化基岩带于13.5 m测量到稳定水位并保持到34 m水位消失(13.5～34 m);七里镇砂岩(93.45～111.9 m)没有观测到水位，该层中砂岩中水被疏干;真武洞砂岩(173.8～183.7 m)没有观测到水位，该层中砂岩中水被疏干(图6)。

3 )冒落带及导水裂隙带高度观测结果。依据ZP1钻孔观测成果综合确定钻孔深度190.8和111.7 m分别为冒落带和导水裂隙带的顶界面，煤层在此处的底板在208 m，因此冒落带和导水裂隙带高度分别为17.2和96.3 m，此处煤层采厚为3.5 m，冒采比为4.91，裂采比为27.5.

4.2.3 钻孔观测结果综合分析

本次井田范围内现场实测的综采条件下冒落带高度14.2～17.2 m，为采厚4.06～4.91倍;导水裂隙带发育高度84.8～96.3 m，为采厚的24.2～27.5倍。

5 各方法结果比较分析

本次将经验公式计算、数值分析及现场实测结果分别列如表2中。通过3种方法所得结果对比分析可知，采用规程中经验公式计算导水裂隙带最大高度值较其他2种方法相差达一倍左右，说明规程中有关导水裂隙带经验公式在榆阳煤矿不能完全照搬经验公式。

从表2可以看出，综合3种方法所得中能煤田榆阳煤矿3#煤层2304综采工作面顶板覆岩冒落带最大高度为17.2 m，冒采比为4.9，导水裂隙带最大发育高度为96.3 m，裂采比为27.5.

表2 预测公式、数值模拟及现场实测结果对比Tab.2 Results comparison for prediction formula，numerical simulation and field measurement

6 结论

文中就榆阳煤矿2304综采工作面覆岩导水裂隙带发育高度的研究，采用了预测公式和数值模拟分析计算，结合现场采用钻孔冲洗液消耗判定导水裂隙带发育高度的现场实测方法进行对比分析，得到以下主要结论

1 )采用经验公式所得导水裂隙带最大高度仅为32.4～43.6 m，较数值模拟和现场实测相差达一倍以上，这表明规程中给出的中硬岩层导水裂隙带经验公式具有一定的局限性和区域性，在榆阳煤矿中不能完全适用。

2 )根据现场钻孔冲洗液消耗判定榆阳煤矿2304综采面冒落带高度介于14.2～17.2 m，导水裂隙带发育高度介于84.8～96.3 m.

3 )数值模拟结果研究表明，由数值计算所得冒落带和裂隙带高度分别为16和86 m，与现场实测结果基本吻合，其结果相互验证，反映了用数值计算手段解决实际问题的可行性及现场实测数据的正确性和可靠性。

4 )综合数值模拟和现场实测结果最终确定榆阳煤矿2304综采工作面顶板覆岩冒落带最大高度为17.2 m，导水裂隙带最大发育高度为96.3 m.本次研究成果将对矿井保水采煤及附近区水资源、生态环境保护等具有重大经济和社会意义。

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