郭家河煤矿综放工作面覆岩导水裂隙带发育规律研究

李艳清，王 冠

(1.陕西省煤炭科学研究所，陕西 西安 710001；2.陕西郭家河煤业有限责任公司，陕西 宝鸡 721505)

0 引言

郭家河煤矿上覆洛河组强含水层，导水裂隙带发展高度直接关系到矿井安全。目前在麟北矿区还缺乏完整的“三带”发育研究成果，探索和研究冒落带、裂隙带的发育高度对矿井安全生产具有一定的现实意义。

1 采空区“三带”发育规律

采空区上覆岩层在采后将会发生较为复杂的移动和变形。根据采后岩体的破坏程度，可将上覆岩层自垂直方向大致分成3个区域，即冒落带(跨落带)、断裂带(裂隙带)和弯曲下沉带，如图1所示。“三带”在水平或缓倾斜煤层开采时表现得比较明显。由于采厚、采空区大小、岩石性质、顶板管理方法及开采深度等的不同，上覆岩层中的“三带”不一定同时存在。

1.1 冒落带

冒落带是指在使用全部跨落法管理的顶板在放顶后产生的破坏范围，其破坏特点如下：随着工作面的推进，直接顶在自重的影响下发生法向弯曲，而当岩体拉应力超过岩石的极限抗拉强度时，便产生拉裂。

1-地面塌陷区；2-岩层开始移动边界线；3-岩层移动稳动边界线；Ⅰ-冒落带；Ⅱ-裂隙带；Ⅲ-弯曲下沉带图1 开采后岩层移动概貌

冒落带高度主要取决于采厚及上覆岩体的碎胀系数，一般来说冒落带高度为采厚的3～5倍。薄煤层开采时，冒落带高度一般为采厚的1.7倍左右。顶板岩体坚硬时，冒落带高度为采厚的5～6倍。当顶板为软岩时，冒落带高度一般为采厚的2～4倍。一般来说冒落带高度可用下式近似估算：

式中：h—冒落带高度，m；m—开采厚度，m；k—覆岩碎胀系数；α—煤层倾角，(°)。

1.2 裂隙带

裂缝带是采空区上覆岩层中产生裂缝、离层及断裂，但仍保持层状结构的那部分岩层。裂缝带通常位于冒落带与弯曲带之间。

冒落带和裂缝带统称为导水裂隙带，两者之间的分界线并不明显。一般来说覆岩距采空区的距离越大，破坏程度就越小。在采深较小、采厚较大、采用全部跨落法管理顶板的情况下，两带高度有时甚至发展至地表。此时地表与采空区相互连通，呈现出塌陷或崩落状态。两带高度与岩石性质息息相关，一般来说，软岩形成的两带高度较硬岩低。

1.3 弯曲带

弯曲带是指位于裂隙带之上的岩体塑性变形区及弹性区。弯曲带内的岩石移动特点为：在自重作用下，弯曲带内岩层产生层面法线方向上的弯曲，且在水平方向上处于双向受压的状态，因此其压实性较好，具有隔水的作用。

开采深度是影响弯曲带高度的主要因素。在大采深情况下，弯曲带高度可以远超冒落带及裂隙带高度总和。此时，裂隙带不会发展至地表，地表的移动及变形也相对平缓。有时在地表面可能会形成些许由于地表拉伸作用产生的裂缝，但这些裂缝一般达到一定深度后会自行闭合或消失，其通常不与井下裂缝相连通。

2 导水裂隙带发育规律

2.1 导水裂隙带形态及特征

导水裂隙带往往起始于煤壁的前方或在煤壁上。对于软弱覆岩来说，导水裂隙带的形态通常为两边高中间低的“马鞍型”。而对中硬或以上覆岩来说，其导水裂隙带的“马鞍型”更为明显。随着工作面的推进，上覆岩层经历了弯曲、离层直至破坏的运动过程。而当工作面推进到一定程度，且经过一定时间，随着冒落岩石离层、压实过程的完成，导水裂隙带的发展将最终趋向稳定。

2.2 影响导水裂隙带发展的因素

采厚与工作面参数：由于郭家河煤矿采用综采放顶煤一次性采全高进行开采，开采煤层厚度较大，则导水裂隙带发育高度也比较大。

采煤方法和顶板管理方法：郭家河煤矿采用综采放顶煤一次性采全高开采工艺，全部垮落法管理顶板，由于煤层开采后冒落空间较大，将加剧上覆岩层的破坏，导致导水裂隙带发育高度较大。

岩性和地质条件：根据郭家河井田勘探地质报告，工作面煤层直接充水含水层为侏罗系中统直罗组砂岩裂隙含水层(Ⅸ)，以及侏罗系中统延安组煤层及其顶板砂岩裂隙含水层(Ⅹ)，充水方式为顶板进水，对工作面生产影响不大。但在距3煤工作面上方300 m左右的白垩系下统洛河组砂岩孔隙～裂隙含水层涌水量较大，若其顺导水裂隙带进入工作面，将对工作面的安全生产产生很大的影响。但在白垩系下统洛河组含水层下方有几层厚度较大的砂质泥岩和砂岩，由于砂质泥岩强度弱，可塑性较好，能有效阻止导水裂隙带的发展，而上覆砂岩岩层较厚且比较坚硬，可有效支撑上覆软岩阻止其破坏断裂，通过砂质泥岩和砂岩的组合，可有效阻止导水裂隙带向上覆含水层的发展。

煤层赋存情况：煤层赋存情况对导水裂隙带高度的影响主要体现在煤层倾角上。随着煤层倾角的变化，导水裂隙带的发展过程、分布形态、高度等一系列特征都将产生变化。一般来说，由于煤层倾角的影响，冒落的岩块将在采空区发生运动，从而影响上覆岩层的破坏情况。对于综放开采来说，由于其煤层倾角较小，因此对于导水裂隙带的影响有限。但在向斜和背斜的轴部，煤层倾角较大，对导水裂隙带发育的程度还是有一定的影响，随着工作面的推移，上覆岩层将逐渐破碎冒落，在向斜轴部附近，由于断裂岩块的相互咬合，可有效支承上覆岩层阻止其断裂，且已冒落岩块向向斜轴部滑落，可有效对采空区进行充填，可进一步阻止上覆岩层的断裂，对控制导水裂隙带的发展具有积极影响。在背斜的轴部附近，由于岩块断裂后旋转失稳滑落，降低了对上覆岩层的支承作用，导致破碎岩层进一步发展，而且由于轴部附近已冒落矸石向背斜翼部滑落，导致背斜轴部附近采空区冒落空间进一步加大，加剧了导水裂隙带向上覆岩层的发展。

地质构造：断层与采空区的位置、断层的透水性等因素将影响导水裂隙带的最大高度及其破坏形态。根据相关研究结果，断层对导水裂隙带影响主要体现在：随着断层与采空区相对位置的变化而变化；断层面倾角越大，导水裂隙带高度增长率就越大；当不留设断层防水煤柱时，开采断层上盘所引起的导水裂隙带增长比开采下盘时要小；留设一定的防水煤柱而至开采断层上盘或下盘的情况，与上下盘同时留设煤柱开采的情况相比，导水裂隙带高度不会明显增大。而在靠近断层的一侧，导水裂隙带在横向范围上会有所缩小。

时间过程：根据郭家河煤矿综放面生产计划表，当日平均推进4～5 m，且工作面上覆岩层属中硬岩层，约2个月时间，即当工作面推进长度约等于工作面倾向长度时，上覆岩层破坏范围最大，导水裂隙带也将达到最大。随着工作面的推进，上覆岩层将弯曲下沉，并有序地压在已破碎岩层上，且工作面上方岩层为泥岩和砂岩互层，经过上覆岩层的挤压作用，有利于岩层中裂隙的闭合，致使导水裂隙带高度有所降低。

2.3 理论基础和研究方法

导水裂隙带的高度：可认为是由“冒落带”和“断裂带”组成的。冒落带的高度可通过冒落公式进行计算，裂隙带的高度则根据基本顶、主关键层及较厚的软岩层的位置来断定。随着工作面的推移，直接顶将直接破碎冒落，形成冒落带。在基本顶与主关键层之间的岩层则会发生破坏、断裂、离层等现象形成裂隙带。当工作面推进到一定的距离后，超过主关键层的承受极限，主关键层也将断裂，进而导致裂隙带向上发育。但随着主关键层的断裂，上覆在主关键层的岩层也将发生断裂、弯曲下沉。以1303工作面为例，在主关键层的上方有一层64.06 m的软弱岩层——砂质泥岩，其对裂隙的发展将成主要抑制作用，从而阻止下位岩层裂隙传递至上位岩层。

煤厚区划分：根据1303煤层厚度赋存规律，从切眼向前300 m范围内煤层较厚，平均煤厚约18 m；从G16-3钻孔至工作面采面的中部，平均煤厚约15 m；从采面中部到设计停采线位置，平均煤厚约12 m。为了研判整个1303首采综放面覆岩运动规律，按煤层厚度将工作面划分3个段落，分别为18 m煤厚区、15 m煤厚区和12 m煤厚区。通过研究3种煤厚区的覆岩运动规律，来体现整个1303工作面的覆岩运动规律。

2.4 导水裂隙带发育高度的预测

18 m煤厚区(煤层开采厚度为18 m)：1303工作面直接顶岩层大部分为砂岩，因此岩石的碎胀系数取1.25，来粗略估算采高h对覆岩运动的影响。根据冒落空间计算公式，冒落带的高度即为顶煤到i层之间岩层的厚度，参照3种煤厚区的煤层厚度，来分别计算不同的采高对覆岩运动的影响，以确定其导水裂隙带的发育高度。

KAmi>Si=h+m1+m2+…+mi-KAm1-KAm2-…-KAmi-1

根据冒落空间公式计算到3煤层上方第21层(粗粒砂岩)冒落空间为

S21=h+m1+m2+…+m21-KAm1-KAm2-…-KAm20=3.005 m

m21冒落后充填厚度为

KAm21=KA×m21=1.25×2.90=3.625 m

因KAm21>S21，故m21岩层不冒落。

煤层上方18层岩层厚度之和为66.55 m，即冒落带高度可以达到离3煤顶板66.55 m处；由于第22层主关键层粉砂岩可看作基本顶或者认为较接近基本顶，因此随着工作面的推移主关键层也很快随之断裂，则对裂隙发育起抑制作用的软岩(64.06 m厚的砂质泥岩)将阻止裂隙发育到上位岩层，因此裂隙带的高度为离3煤顶板66.55～175.31 m。

15 m煤厚区(煤层开采厚度为15 m)：根据冒落空间公式计算到3煤层上方第19层(泥岩)冒落空间为

S19=h+m1+m2+…+m19-KAm1-KAm2-…-KAm18=10.495 m

m13冒落后充填厚度为

KAm18=KA×m18=1.3×6.25=11.275 m

因KAm19>S19，故m19岩层不冒落。

煤层上方16层岩层厚度之和为47.90 m，即冒落带高度可达到离3煤顶板为47.90 m处；根据柱状图可知第20层中粒砂岩为其基本顶，且主关键层第22层20.26 m厚的粉砂岩对裂隙的发育也有一定的抑制作用，在一定程度上降低了裂隙的发育，因此裂隙带的高度为离3煤顶板47.90～111.25 m。

12 m煤厚区(煤层开采厚度为12 m):根据冒落空间公式计算到3煤层上方第17层(炭质泥岩)冒落空间为

S17=h+m1+m2+…+m17-KAm1-KAm2-…-KAm16=1.00 m

m17冒落后充填厚度为

KAm17=KA×m17=1.25×1.2=1.50 m

因KAm17>S17，故m17岩层不冒落。

煤层上方14层岩层厚度之和为40.45 m，冒落带高度为可达到离3煤顶板40.45 m处，则第18层中粒砂岩为基本顶。根据柱状图及关键层计算知第20层中粒砂岩为亚关键层，第22层粉砂岩为主关键层，关键层在一定程度上抑制裂隙的发育，阻止裂隙发育到上位岩层，因此裂隙带的高度为离3煤顶板40.45～89.71 m。

3 结语

根据理论计算可知，煤层开采厚度为18 m时，冒落带高度为66.55 m，裂隙带发育高度最大为175.31 m；煤层开采厚度为15m时，冒落带高度为47.90 m，裂隙带高度最大为111.25 m；煤层开采厚度为12 m时，冒落带高度为40.45 m，裂隙带高度最大为89.71 m。