三软煤层综放工作面覆岩垮落及裂隙导水特征分析

来兴平，崔 峰，曹建涛，吕兆海，康延雷

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054;2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054;3.国网哈密能源煤电有限公司,新疆 哈密 839000)

三软煤层综放工作面覆岩垮落及裂隙导水特征分析

来兴平1,2，崔 峰1,2，曹建涛1,2，吕兆海1，康延雷3

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054;2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054;3.国网哈密能源煤电有限公司,新疆 哈密 839000)

通过大南湖一矿三软煤层工程地质条件及煤岩物理力学参数的综合分析与测定，开展了对应条件下的物理相似模拟，分析了综放工作面围岩运移及覆岩破坏高度，探索了现场支架实测阻力与覆岩裂隙导水位置、导水量间的关系。综合分析表明：1303综放工作面顶板垮落带高度为20 m，模型表面裂隙延伸高度观测结果与3D钻孔电视合成的钻孔内壁破裂剖面揭示出的裂隙延伸高度均为98 m，与经验公式计算基本一致。工作面超前影响范围随开采范围而增大，最终趋于稳定。1303综放面工作面划分为两个较为明显的压力集中区，工作面裂隙导水量、导水位置与压力集中区中支架压力变化相关，覆岩裂隙导水显现的位置处在工作面中下部顶板压力集中显现区(2区)的位置几率较大。建议1303工作面提前疏放上覆含水层以及老窑积水的同时，加强对两个压力集中区(1区和2区)的监测，尤其是2区，密切关注架后顶板垮落情况与工作面淋水量变化，及时的给出来压预警与导水位置及导水量预测。

三软煤层；覆岩破裂；顶板来压；裂隙导水

新疆煤炭资源丰富，预测资源量2.19万亿t，占全国的39.3%，在国家能源安全中具有举足轻重的战略地位，是国家规划建设的第14个现代化大型煤炭基地，也是“新丝绸之路”经济带规划建设的主体能源基地。与东部矿区不同的是，新疆地区所属的矿井多属于干旱地区。气候干燥、日照时间充足而降水量少，但蒸发量巨大。如新疆宽沟煤矿年均降水量为411.88 mm，年均蒸发量为1 590.1 mm，年均降水量与陕北榆林千万吨矿井聚集区几乎一致，但是年蒸发量是榆林地区的1.72倍。新疆自治区内的屯宝煤矿、沙吉海煤矿所在地年蒸发量基本为降水量的10倍以上，大南湖煤矿的年蒸发量/降水量更是达到76.61倍。在降雨量稀少但蒸发量极大的干旱及极干旱地区开采煤炭资源，尤其要注重对地下水资源的保护，这对减少荒漠化、维持当地现有绿洲及生态环境十分必要。

目前许多学者对陕北神东矿区煤炭资源开发引发水资源破坏及流失的问题开展了丰富的研究。钱鸣高等[1]应用模型实验等综合方法，揭示了长壁工作面覆岩采动裂隙的两阶段发展规律与“O”形圈分布特征。李树刚等[2]分析了综放开采过程中覆岩离层裂隙变化形态。柴敬等[3]利用光纤监测分析采场上覆岩层沉降变形。周光华等[4]针对宁夏地区覆沙层下大采高开采分析了工作面覆岩运移规律。缪协兴等[5]研究了干旱半干旱矿区水资源保护性采煤基础。黄庆享[6]利用相似模拟揭示了浅埋煤层保水开采隔水层稳定性。范立民等[7]以近年来以陕北侏罗系煤田为背景，开展了生态脆弱矿区保水采煤研究。范钢伟等[8]针对神东矿区浅埋煤层开采覆岩移动与裂隙分布特征开展了研究，为确定合理保水采煤措施提供了依据。王双明等[9]研究了生态脆弱矿区含(隔)水层特征及保水开采分区。以上学者着重分析了覆岩采动裂隙的形成及演化规律，开展了陕北浅埋煤层大采高一次性采全高背景下的保水开采理论及工程实践研究。与陕北不同的是，新疆地区赋存着大量的特厚及巨厚煤层，综放开采是开采此类煤层的高效方法[10-11]，地区间地质构造特点及开采方法的差异性给新疆未来的保水开采提出了新的挑战。以张东升为首席科学家的研究团队依托国家重点基础研究计划(973)项目“我国西北煤炭开采中的水资源保护基础理论研究”，聚焦于新疆巨厚煤层综放保水开采相关研究，在新疆大型煤炭基地科学采矿的主体规划、覆岩运移规律、裂隙扩展模型、巨厚煤层综放工作面离层水形成机制与采动诱发水资源流失研究方面取得了积极的进展[12-17]。

新疆哈密地区是著名的“哈密瓜”主产区，但气候属于极干旱气候，在开采煤炭资源的同时保护地下水资源的重要性显得尤为突出。本文以地处戈壁滩的新疆哈密地区大南湖一矿为以工程背景，开展极干旱气候下三软煤层综放开采覆岩破裂及覆岩裂隙导水特征研究，掌握工作面覆岩破断与裂隙导水特征，为工作面安全开采及保水采煤方案的确定提供科学依据。

1 三软煤层赋存特征及顶底板特性

1.1 大南湖一矿地质构造特征

大南湖矿区一号井田位于新疆哈密市。矿井南北长平均9.4 km，东西宽8 km，面积约75.28 km2。井田内地层有中生界的侏罗系、新生界的第四系组成。自下而上的地层层序是：下侏罗统三工河组(J1s)、中侏罗统西山窑组(J2x)、头屯河组(J2t)、第四系。井田内煤层埋藏平缓，地层倾角一般为3°～13°，煤层赋存稳定，23层可采煤层中有12层主要可采煤层均为中厚煤层，煤层生产能力大，有利于综合机械化开采，目前主采3号煤层。

1.2 顶底板特性

本区域3号煤层顶板岩层为极不稳定围岩，为Ⅳ，Ⅴ类围岩。煤层及顶底板岩石测试力学强度较低，单轴抗压强度多小于5 MPa，为典型的三软煤层，工作面煤层顶底板情况见表1。

1.3 水文地质条件

井田内地形北高南低、东高西低，一般高程420～500 m，区内最低标高417.80 m。井田内无地表水系，气候总体表现为降水稀少，极度干燥，为无地表植被的荒漠区。目前主采3号煤，1301工作面为矿井首采面，目前开采1303工作面。影响1303工作面回采的充水水源主要为3号煤层顶底板砂岩水和1301工作面老空水。3号煤层顶板含水层为侏罗系中统西山窑组中段弱含水层组，划分为3个砂岩含水层。预计采面正常涌水量80 m3/h(含钻孔水及生产用水)，最大涌水量160 m3/h。

表1 煤层顶底板情况

Table 1 Explosives and state equation parameters

名称岩石名称厚度/m岩石特征基本顶粉砂岩、泥岩、粉砂质泥岩、中夹煤线3.62直接顶泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、中夹煤线2.89泥岩、粉砂岩多为灰—灰白色,层理明显,参差状断口,遇到外力作用易变形,局部裂隙发育,垮落性好伪顶炭质泥岩0.01～0.03岩石力学强度小,极易破碎,随采随落直接底炭质泥岩、泥岩1.85岩石力学强度小,遇水泥化基本底粉砂岩、局部细、中砂岩、夹煤线2.70质地较硬,属半坚硬岩石,局部裂隙发育

1.4 开采技术条件

1303工作面井下标高+148.0～+233.0 m。采煤工作面走向可采长度1 937 m，倾斜长240 m，为一采区西翼第2个采煤工作面，上区段1301工作面于2013年8月回采完毕。上覆1，2煤层及下伏5煤层未开采。

1303工作面采用综采放顶煤开采方式，开采3号煤层，煤层厚度6.2～8.9 m，平均厚6.3 m，倾角7°～16°，平均9°，属稳定～较稳定煤层。工作面采煤工艺选用综采放顶煤采煤，其中采煤机割煤高度2.8 m，放煤高度3.5 m，采放比约为1∶1.25，放煤步距0.8 m。

2 综放工作面顶板垮落特征

2.1 物理相似模拟模型构建

以大南湖一矿1303工作面地质条件为原型，进行物理相似模拟实验研究，实现了工作面围岩“声-光-电”物理、力学与损伤等综合信息指标参数全过程的实时测试，模拟分析了工作面向前推进过程中上覆岩层的运移规律等。实验采用(长×宽×高)为5.0 m×0.2 m×1.5 m的平面应力模型架，确定模拟实验的几何相似比例(模型∶原型)为1∶200，模型铺装尺寸(长×宽×高)为=5.0 m×0.2 m×1.2 m。从模型左端30 cm处做开切眼，然后依次向右推进[18]。

2.2 岩层表面位移运移趋势

煤层在开采后采场围岩应力平衡状态遭到破坏，围岩移动变形，寻求新的应力平衡，在顶板上方形成了暂时平衡的岩石松动圈，当工作面推进至达到顶板悬空极限时，顶板弯曲、破裂、垮落。所受到的应力重新达到平衡。在相似模拟实验中采用全站仪测取数据并制出位移云图，通过观察监测点位移云图，可更直观、快速地判断出上覆岩层垮落情况。具体是在开采煤层上覆岩层的水平方向上布设观测线。通过预估模型中垮落带、断裂带、弯曲下沉带的分布情况，共布置A，B，C，D，E，F六排共144个观测点。观测点之间横向间距0.20 m，纵向间距从上到下依次是0.20，0.20，0.20，0.10，0.10 m。在工作面推进至不同的阶段，利用徕卡TS02型无棱镜全站仪对测点沉降信息进行了共24次读取，测点布置如图1所示。

图1 测点布置

从工作面推进不同距离时岩层运移分布(图2(a))可看出，当工作面开采至距离开切眼150 m时，岩层运移波及工作面顶板方向近10 m的岩层，工作面后方顶板岩体破坏范围距离直接顶达60 m左右，工作面前方15 m处岩层出现移动迹象。当工作面开采至距离开切眼200 m时(图2(b))，在距离工作面36 m时工作面后方顶板岩体破坏范围高度达30 m左右。工作面前方近20 m处岩层移动达到1.2～2.2 mm，显示出工作面开采引发的超前影响范围。图2(c)反映出当工作面开采至距离开切眼250 m时，在距离工作面20 m左右顶板垮落严重，绿色云图显示出位移在3.2～4.2 mm的区域已经越过工作面上方覆岩高度90 m的监测线A。随着工作面的推进，上覆岩层逐渐破坏，并不断向上扩展，当工作面推进到250 m时，岩层下沉发展至地表。工作面前方近40 m处岩层移动达到1.2～2.2 mm。工作面的超前影响范围区域随开采从15 m(图2(a)),20 m(图2(b))拓展至40 m(图2(c))，表明超前影响范围区域随开采范围增大，最终趋于稳定。

图2 工作面推进不同距离时岩层运移分布

2.3 覆岩内部破裂演化特征

采用3D钻孔电视实时监测技术，对开采过程中覆岩破坏进行成像，制成3D钻孔剖面，精准刻画覆岩破坏特征，分析覆岩裂隙导水通道的延伸高度。分别在距离开切眼120 m(模型中距开切眼0.60 m)和420 m(模型中距开切眼2.10 m)处分别布置1,2号2个钻孔，钻孔直径50 mm，深度1 m，利用3D钻孔电视监测覆岩破坏高度结果(图3)。监测表明，随着工作面推进，1号钻孔覆岩破裂而成的裂隙高度发育到98 m，当工作面继续推进时，采空区上侧顶板裂隙逐渐有所闭合，减小至96 m；2号钻孔监测到裂隙高度发育到94 m。

图4为工作面推过1号钻孔后完成的钻孔内壁破裂图像观测。结合图3可以看出，初始状态下，顶板未受到工程扰动，未出现垮落和裂隙。随着工作面推过该观测钻孔，覆岩垮落高度、裂隙延伸高度分别稳定为20，98 m。

图4 三维钻孔电视合成钻孔剖面

垮落带高度理论计算由《矿井水文地质规程》中岩性及顶板管理方法与模拟工作面相近的经验公式确定，垮落带最大冒落高度Hc为

导水断裂带高度(包括垮落带最大高度)Hf为

式中,M为开采厚度，m；n为开采煤层层数。

可得

工作面覆岩裂隙发育程度随开采不断提高，所形成的裂隙将是引发工作面涌水的主要通道。开采结束后模型表明覆岩裂隙发育分布如图5所示，模型表面观测的裂隙延伸高度为98 m。综合以上可知，模型内部裂隙延伸高度的3D钻孔电视监测结果、模型表面覆岩裂隙最大高度与经验公式计算所得的导水断裂带高度3者基本一致。经验公式计算值也反映出导水断裂带高度偏小，为93.83 m(偏小约4.26%)。由于误差在5%以内，基本可以接受。为提高计算结果的精确性，应根据现场煤岩体的节理裂隙发育程度，将计算值适当加大。根据上述相似模拟实验与经验公式计算得出的覆岩破裂高度及范围，有助于确定合理的保水开采措施，为后期工作面涌水特征分析提供了依据。

图5 模型垮落分布特征

3 顶板来压与覆岩裂隙导水联合分析

3.1 三软煤层矿压显现实测分析

通过对1303综放工作面开采期间(2015年1—3月)支架压力的实时记录，分析工作面全范围内的矿压分布规律，探讨工作面覆岩裂隙发育导水的特征，保障工作面安全快速推进与保水方案的制定。根据支架压力监测数值绘制了工作面支架压力分布与覆岩裂隙导水量联合分析图(图6)，可看出,工作面支架的工作状态、矿压显现的区域及裂隙导水的时间节点与水量，为准确地判定工作面来压时间与位置及来压强度提供了可视化。

1303综放工作面采用ZF10000/20/32型低位放顶煤液压支架，初撑力31.4 MPa。2015-01-01—31，1303综放工作面已经进入正常生产，平均推进112.5 m。从图6可以看出1303综放工作面1月份支架压力除少部分支架未达到初撑力外，大部分支架压力均在30 MPa以上，反映出支架的支护状态较好，较高的支撑力能够及时的控制顶板，支架能够适应本工作面的开采。部分支架压力较大，超过了40 MPa，表明工作面来压强度较高，超过40 MPa的支架主要是40～60号支架与80～110号支架。

2015-02-01—28，1303综放工作面已经进入正常生产，平均推进39.8 m。在此期间工作面中大部分支架压力均在30 MPa以上，部分支架压力较大，超过了40 MPa，仍是位于红色区域中的40～60号支架与80～110号支架。

3月份1303综放工作面支架压力分布与1，2月较为相似的是：40～60号支架与80～110号支架仍是压力集中区，且3月份压力分布中25～30 MPa的分布面积偏多，反映出工作面部分支架的支撑力未达到质量标准化。特别是在工作面下顺槽附近的5～30号支架，整体压力均较小，与2月份类似。

根据对1303综放工作面2015年1—3月支架压力的分布特征，认为在工作面中存在两个较为明显的压力集中区：1区和2区(图6中的蓝色框内)。在上述2个区域中支架压力均较大，特别是2区，支架压力值基本在35 MPa以上，且拥有相当数量的红色区域(40～45 MPa)，表明该区域压力较大，部分支架的压力已达到额度工作阻力。1区主要范围是80～110号支架，2区范围是40～60号支架。根据支架压力的分布特征，可以将1303工作面的矿压显现1区看做是工作面中上部的来压集中显现区，2区是工作面中下部顶板压力集中显现区。

图6 1303综放工作面支架压力与覆岩裂隙导水量

3.2 工作面覆岩裂隙导水特征

为掌握工作面覆岩破断与涌水间的关系，给出了1303工作面覆岩裂隙的导水情况(表2)。由于2014年的支架压力未观测到，前2次工作面导水不做分析。结合工作面支架压力变化与导水量、时间综合分析(图6)，以2015-01-28日裂隙导水为例，70～124号架范围内导水时90～100号支架间压力超过40 MPa，1区80～110号支架的压力普遍较大，基本在35 MPa以上，可以判断出该处顶板已垮落，正处于来压期间。基本顶的破断垮落使得上覆隔水层亦发生破断，裂隙发育，进而引发该区域的导水现象。

2015-02-06—11间1～26号支架导水时，2区内40～60号支架压力较大，且部分支架压力超出40 MPa时，可以推断顶板正在来压或者顶板即将来压，导致2区40～60号支架顶板岩层发生弯曲、断裂、垮落，将覆岩载荷传递于支架。覆岩的运移及断裂行为发生过程是导水裂隙产生的直接诱因。随着覆岩破断高度延伸至上覆含水层，在煤层倾角平均为9°的作用下，上覆含水层中的水将通过破断处沿工作面倾斜方向溃至工作面下部。因此在工作面1～26号架处出水且出水量较大(60 m3/h以上)，推测是由于2区顶板来压导致基本顶断裂，引发覆岩裂隙上行至含水层，含水层内的水溃至工作面所致[19]。

表2 1303工作面覆岩裂隙导水记录

Table 2 Records of overlying rock fissure conductive water from 1303 working face

时间推进距离/m裂隙导水显现位置2014-08-1239.51～3号支架2014-12-23438.320～35号支架2015-01-28578.470～124号支架2015-02-06584.41～26号支架2015-02-08590.41～26号支架2015-02-111～26号支架2015-04-0267734～56号支架

综放工作面支架压力与覆岩裂隙导水量联合分析(图6)显示，在3月24日以前，工作面导水量较多，基本在40 m3/h以上，与之相对应的是工作面支架压力也偏高。统计表明，在图6的开采期间内，1区(80～110号)支架压力在40～45 MPa范围内的出现49次；2区(40～60号)支架压力在40～45 MPa范围内的出现56次。可以看出，虽然1区涵盖支架数量多(30架)，但支架整体承受压力峰值的频度小于2区，显示出2区范围内的支架整体承受较大的压力。在该处顶板达到弯曲极限时即发生断裂，在导致顶板来压的同时也引发上覆西山窑组上段弱含水层组Ⅳ内的水体下泄，即导致2区40～60号支架位置顶板出水，促发工作面导水量增加。

将工作面裂隙导水显现位置、水量与支架压力综合分析得出：图6所示的支架压力整体分布反映出1区和2区是顶板沿倾向破断的主要位置，覆岩破断位置对应于工作面2—3月份导水位置与导水量。工作面支架压力分布与导水位置及导水量存在一定关系。工作面导水存在间歇性的特征，水量伴随工作面支架压力的增加而加大，实质上是顶板来压导致覆岩断裂引发导水裂隙上行延伸至含水层。验证了工作面导水量的间歇性特点与支架压力变化相关。

在2015-04-02T5:23，工作面33～53号支架架后采空区覆岩裂隙导水，导水强度约270 m3/h，此次覆岩裂隙导水具有突然性、初始导水量大的特点，为建矿以来所罕见。分析得出，4月2日出现的覆岩下来裂隙导水现象恰好处于上述研究提出的压力集中2区，推测是由于顶板垮落诱发上覆岩层破断，上部含水层溃水促使导水的位置处在工作面中下部顶板压力集中显现区(2区)的位置。这表明相似模拟实验和理论分析得出的覆岩破坏高度正确，随着工作面的开采裂隙延伸至上覆含水层，工作面周期来压导致顶板破裂进一步诱发工作面覆岩裂隙导水。考虑到煤层平均9°的倾角，结合2区范围内的支架整体承受较大的压力，引发覆岩断裂形成的导水裂隙发育程度要大于1区，因此判断2区覆岩裂隙导水的几率要大于1区。

建议1303工作面提前疏放上覆含水层以及老窑积水，从根本上降低工作面来压期间的裂隙导水量，并加大排水力度，避免巷道围岩受裂隙导水影响而强度下降。在1303工作面的开采实践中应加强对两个压力集中区(1区和2区)的监测，尤其是2区，密切关注架后顶板垮落情况与工作面淋水量变化，加强工作面中上部与中下部的顶板监测、工作面的超前排水工作，同时根据支架压力变化及时的给出来压预警与裂隙导水预测。

4 结 论

(1)工作面顶板垮落带高度为20 m。工作面超前影响范围随开采范围增大而增加，最终稳定于40 m。3D钻孔电视合成的钻孔内壁破裂剖面揭示出1号导水断裂带发育到98 m，随着工作面的继续推进，采空区上侧顶板裂隙逐渐有所闭合，导水断裂带减小至96 m。2号钻孔监测到导水断裂带发育到94 m。与理论计算结果(93.83 m)基本一致，确定出导水断裂带高度为98 m。

(2)将1303综放面工作面划分为两个较为明显的压力集中区：1区(80～110号支架)和2区(40～60号支架)。在上述两个区域中支架压力均较大，其中1区是工作面中上部的来压集中显现区，2区是工作面中下部顶板压力集中显现区。

(3)工作面裂隙导水量、导水位置与支架压力变化相关。综放工作面开采形成的裂隙逐渐向上延伸，周期来压导致的顶板岩层破裂进一步诱发覆岩裂隙延伸至上覆含水层，揭示了工作面开采过程中支架间出水是由于顶板垮落诱发覆岩裂隙上行至含水层所致。

(4)工作面中下部顶板压力集中显现区(2区)范围内的覆岩裂隙发育程度较高，该区覆岩裂隙导水几率大于1区。建议1303工作面提前疏放上覆含水层以及老窑积水的同时，加强对2区的监测，密切关注该区域架后顶板垮落情况与工作面淋水量变化，给出来压预警与覆岩裂隙导水可能性预测。

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Analysis on characteristics of overlying rock caving and fissure conductive water in top-coal caving working face at three soft coal seam

LAI Xing-ping1,2,CUI Feng1,2,CAO Jian-tao1,2,LÜ Zhao-hai1,KANG Yan-lei3

(1.EnergySchool,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;2.KeyLaboratoryofWesternMinesandHazardPreventionofChinaMinistryofEducation,Xi’an710054,China;3.StateGridEnergyHamiCoalandElectricityCorporationLtd.,Hami839000,China)

With the specimens obtained from the Dananhu Coal Mine,according to the comprehensive analysis and determination of engineering geological conditions and the physical and mechanics parameters of coal-rock in three soft coal seam from Dananhu No.1 coal mine,a physical simulation model experiment has been built to analyze the moving law of surrounding-rock and the disturbed height of overburden stratum in the fully-mechanized top-coal caving working face.The relationship between the measured resistance of field support and the position and water volume of overlying rock fissure conductive water is explored.The results show that the roof caving zone height at 1303 working face is 20 m,both the heights of fissure conductive water obtained by the observation of surface crack extension height on the model and revealed by 3D borehole TV synthetic borehole profile are 98 m,which is consistent with the empirical formula.The advance-disturbance scope expands with the increase of mining area,and eventually tends to be stable.The 1303 working face is divided into two parts of the pressure concentration(No.1 area and No.2 area).The volume and position of fissure conductive water are related to support pressure change,the position of overlying rock fissure conductive water has bigger chance in the middle and lower part of working face(No.2 area).The authors suggest the overlying aquifer and gob water in the 1303 working face should be drained in advance,meanwhile,strengthen the detection of two pressure concentration areas,especially the No.2 area.The roof failure and volume changes of water-drawing should be paid more attention,giving the immediate strata behavior warning and prediction of fissure conductive water position and volume.

soft roof-coal-floor coal seam;overlying rock caving;strata behavior;fissure conductive water

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5022

2016-10-08

2016-11-22责任编辑:张晓宁

国家重点基础研究计划(973)资助项目(2015CB251600)；国家自然科学基金资助项目(51504184)

来兴平(1971—)，男，宁夏平罗县人，教授，博士生导师。E-mail：laixp@xust.edu.cn

TD322

A

0253-9993(2017)01-0148-07

来兴平，崔峰，曹建涛，等.三软煤层综放工作面覆岩垮落及裂隙导水特征分析[J].煤炭学报,2017,42(1):148-154.

Lai Xingping,Cui Feng,Cao Jiantao,et al.Analysis on characteristics of overlying rock caving and fissure conductive water in top-coal caving working face at three soft coal seam[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):148-154.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5022