浅埋近松散含水层下综放开采覆岩破坏特征

申晨辉，康永华，刘秀娥，宋业杰，赵秋阳，郭英杰

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013； 3.内蒙古平庄煤业(集团)有限责任公司，内蒙古 赤峰 024047)

煤层开采后围岩的原始应力平衡被破坏，并且覆岩产生变形破坏，一旦导水裂缝带与地下含水层或地表水体沟通，水就会涌入工作面，造成突水事故[1-3]。因此覆岩破坏高度是开展水体下采煤的关键参数，也是确定合理采厚和防水安全煤岩柱合理留设尺寸的基础数据，准确掌握覆岩破坏高度是实现水体下安全开采的必要前提[4]。学者们对煤矿开采形成的覆岩破坏高度进行了大量研究，经验公式法前提是具备大量的实测数据[5]，室内物理相似材料模拟法及数值模拟法也只是对现场条件的再造与反演[6]。康永华[7]利用现场钻孔实测法对兖州兴隆庄煤矿综放开采条件下的覆岩破坏规律进行了深入研究；许延春[8]等收集整理40余个综放开采工作面不同覆岩类型的“两带”高度实测数据，利用回归分析的方法，得到了综放开采条件下的“两带”高度计算的经验公式；腾永海[9]以现场实测资料为基础，研究了潞安、兖州及淮南矿区综采放顶煤导水裂缝带最大高度的计算方法和计算公式；李东发[10]应用相似材料模拟和地表钻孔实测方法研究了沙吉海煤矿B10煤层综放开采覆岩破坏特征；张玉军[11]以梅河煤矿为试验对象，以钻孔冲洗液漏失量观测法实测的覆岩破坏高度为基础，研究得出了急倾斜特厚煤层水平分层综放开采覆岩破坏特征。

目前，覆岩破坏规律的研究方法已基本成熟，逐步掌握了炮采、普机采、综采的覆岩破坏规律[12]。但是，由于区域煤炭开发的影响，研究成果大多集中在中东部地区，对于新疆地区，覆岩破坏实测工作尚处于起步阶段，实测数据严重缺乏[13]。本次研究区伊犁四矿其煤层厚度大、埋深浅，古近系砂砾岩含水层赋存于煤系地层之上，煤层开采后覆岩破坏会波及到上覆含水层造成开采威胁。研究该类条件下综放开采的覆岩破坏特征，具有十分重要的现实意义，研究成果能为伊犁四矿后续水体下安全开采提供可靠的基础数据。

1 地质采矿条件

伊犁四矿位于新疆伊犁哈萨克自治州霍城县东南部，井田东西长18.7km，南北宽9.3km，面积113.3km2。21103工作面是位于伊犁四矿+660m水平11采区南部的首采工作面，采用综放开采工艺，开采赋存于侏罗系八道湾组的21-1煤层，煤层厚度4.8～8.5m，煤层埋深55～140m，平均埋深约102m。21-1煤层上部赋存有古近系砂砾含水层，含水层富水性弱至中等，煤层上覆基岩较薄，据井下探放水钻孔揭露，在21103工作面开采范围内煤层距离古近系砂砾含水层仅为20.87～37.25m。煤层开采时，采动破坏将直接波及砂砾含水层，砂砾含水层将对工作面产生充水影响。由于砂砾含水层胶结性差，且泥质含量较高，垮落带波及到该含水层时，还会对工作面开采产生溃砂、溃泥威胁。同时，综放开采的覆岩破坏程度剧烈，因此对处于浅埋深薄基岩条件下的21103工作面进行21-1煤层开采的覆岩破坏发育特征研究，显得尤为重要。

2 覆岩破坏特征数值模拟研究

基于伊犁四矿21103工作面附近钻孔资料，建立数值模型，数值计算岩石力学参数如表1所示。模型顶板方向设置高度60m，煤层底板垂高取50m。在岩柱垂向，煤厚设置8m，实际采厚分为一次采全厚8m和限厚综采4m两种情况。建模时，设置工作面走向长度400m，另外考虑两边100m的边界影响区域，最终模型的走向计算长度为600m，煤层及其直接顶、基本顶和直接底等岩层均按实际的厚度进行模拟，模型顶部为自由边界，其余均为固定边界。

表1 数值计算岩石力学参数

2.1 全厚开采覆岩破坏高度模拟

如图1～图2是21103工作面21-1煤层全厚开采(8m)的破坏场模拟结果，工作面推进距离分别为20m和50m的情况。

图1 工作面推进距离为20m时的覆岩采动破坏场(采厚8m)

图2 工作面推进距离为50m时的覆岩采动破坏场(采厚8m)

分析可知，自工作面切眼回采开始，工作面顶底板及煤壁前方和工作面后方均产生明显的破坏区域，自煤层顶板由下往上，依次发育拉伸破坏和剪切破坏，覆岩破坏形态具有两端高、中间低的特征，破坏范围呈明显的“马鞍”型。当工作面推进距离为20m时，垮落带高度约为4m，裂缝带高度为15m；随着工作面向前推进，顶板破坏高度逐渐增加，当工作面推进至50m时，垮落带高度发育至20m。可见，当22-1煤层全厚开采时，垮落带发育高度为20m，因第四系松散层的抑制作用，裂缝带发育至松散层底界后停止发育。

2.2 限厚开采覆岩破坏高度模拟

图3是21103工作面21-1煤层限厚开采(4m)推进距离为80m时的破坏场模拟结果。

图3 工作面推进距离为80m时的覆岩采动破坏场(采厚4m)

分析可知，在推进距离为20m，50m和80m时，垮落带高度分别为4m，8.5m和8.5m，裂缝带高度分别为7.5m，32m和32m(进入松散层底部)，其中在推进50m后，覆岩破坏已经进入到第四系粉砂土中，在工作面推进80m时，垮落带和裂缝带最大高度均不再增加。可见，当22-1煤层限厚开采、采厚为4m时，垮采比为2.12，裂缝带将发育至第四系松散层底部，因第四系松散层的抑制作用，裂缝停止发育，松散层底部至地表均进入塑性状态，随着上伏地层的破断、下沉而发生整体下沉。

综合分析可知，21103工作面开采时，因煤层埋深浅，且基岩柱薄，采动裂缝将发育至松散层底界。张玉军[14]对榆神矿区浅埋深采动覆岩破坏特征进行过研究，成果表明：当基岩厚度较小时，导水裂缝带高度将受到风化岩层和黏性土层的抑制。而本次数值模拟结果表明，当21-1煤层开采8m时，工作面推进50m后垮落带发育高度为20m，覆岩采动裂缝发育异常剧烈，因第四系松散层的抑制作用，裂缝停止发育；当21-1煤层限厚开采采厚为4m时，工作面推进50m后，采动裂缝已穿过基岩柱，进入到松散粉砂土层底部，当工作面继续推进至80m时，受第四系松散层抑制作用影响，采动裂缝不再继续向上发育，垮落带发育至最大高度8.5m不再向上发展，垮采比为2.12。因此，可以推断，21103工作面采用限厚开采时，随着工作面的推进，其垮落带发育高度可按垮采比2.12进行预计；全厚和限厚开采时，受松散层抑制作用影响，裂缝带都将发育至松散层底部，无法确定裂采比。

3 覆岩破坏特征实测研究

钻孔现场实测研究是准确掌握覆岩破坏高度直接有效的方法，多个钻孔的实测还能反映出导水裂缝带的发育形态，便于对工作面不同位置的采动裂隙发育情况进行合理预计[15-16]。依据相关标准[17-18]，在21103工作面采空区上方布置2个观测钻孔，位置见图4，分别应用钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔电视探测方法对21-1煤层覆岩破坏发育高度进行研究。

3.1 钻孔冲洗液漏失量观测

图5为CH01和CH02孔的冲洗液漏失量变化曲线图及钻孔水位变化曲线图。由图5(a)可知，CH01孔观测至孔深41.98m时冲洗液全部漏失且不再返水，钻孔水位至孔深59.62m时观测不到，钻探取芯反映在孔深39.53～56.72m层段岩芯破碎，可见高角度次生裂缝，表现为明显的采动裂缝发育特征，钻孔在钻进至50.7m之后多次出现掉钻甚至轻微卡钻现象，起钻后岩芯破碎，多呈碎块状，下部层段岩芯基本已失去原有层序性，表现为明显的垮落带破坏特征。此处21-1煤层顶板埋深约为62.99m，实际采厚为3.80m，观测到的垮落带顶点的孔深初步判定为50.70m，垮落带高度为12.29m，垮采比3.23。

图5 两孔的冲洗液漏失量变化及钻孔水位变化曲线

由图5(b)可知，CH02钻孔的冲洗液漏失量观测从孔深47.24m开始，至孔深51.14m时冲洗液全部漏失且不再返水，钻孔水位在孔深51.58m时观测不到水位。CH02孔21-1煤层顶板埋深约为73.19m，实际采厚为3.80m，观测到的垮落带顶点的孔深初步判定为62.21m，垮落带高度为10.98m，垮采比2.89。

由于煤层处于浅埋深薄基岩的沉积环境，套管底部位置与煤层较近，由于冲洗液大量消耗以及水位大幅下降现象出现在钻孔自套管底部继续往下钻进初期，因此认为导水裂缝带顶点位置应在套管底部位置以上层位，因此不能确定煤层导水裂缝带顶点发育位置。

3.2 钻孔电视探测

分析钻孔电视成像探测结果 (图6)，CH01钻孔自孔深39.10m开始探测，在39.60～43.60m层段孔壁裂隙多为高角度纵向发育，部分层段为纵横交叉裂隙，裂隙细长，裂隙面新鲜，判断为采动裂隙；自52.70m开始，裂隙变宽大，裂隙间有较大的岩块脱落，越往深部孔壁完整性越差，探测段末端可见岩块堆叠杂乱，是垮落带的典型特征。

图 6 CH01 钻孔彩色电视探测成果

根据钻孔电视成像资料反映的采动裂隙的发育与分布特征，预计CH01孔的垮落带顶点位于孔深50.44m，垮落带高度为12.55m，垮采比为3.30。CH02孔的垮落带顶点位于孔深62.96m，垮落带观测高度为10.23m，垮采比为2.69。

钻孔孔壁在套管底部以下部分均呈现出明显采动裂隙特征，分析是由于煤层处于浅埋深薄基岩的沉积环境，套管底部位置与煤层较近，导水裂缝带已经发育至套管底部以上岩层，因此暂不能根据钻孔电视图像结果确定21-1煤层导水裂缝带顶点发育位置。

综合比较钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视探测结果，本着安全的角度选取数值较大的覆岩破坏高度作为实测结果，最终确定伊犁四矿21-1煤层开采的垮落带高度可以按照垮采比为3.3进行预计。

4 数值模拟与实测结果对比分析

数值模拟试验表明，因煤层埋深浅，且基岩柱薄，采厚4m条件下裂缝带已发育至第四系松散层底部；在钻孔实测中，只观测到垮落带顶点高度，因导水裂缝带已发育至套管以上层位，所以无法测定导水裂缝带高度。综合分析两种方法的结果，从偏安全的角度出发，确定21-1煤层综放开采的覆岩破坏发育最大高度可按垮采比3.3进行预计。

5 结 论

(1)综合比较数值模拟、钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔电视探测结果，确定伊犁四矿的覆岩破坏发育最大高度可按垮采比3.3进行预计；由于煤层埋深浅、基岩薄，且受松散层抑制作用的影响，导水裂缝带发育将穿过基岩柱进入到第四系松散层底部。

(2)覆岩破坏实测结果为该矿防止古近系砂砾含水层对煤层开采的不利影响，同时为制定相应的开采安全技术措施提供了依据。