特厚煤层综放开采底板破坏及阻隔水性能分析

杨本水，黄天缘，宣以琼，刘结高，程爱民，翟恩发

(1.安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230022；

2.国家煤矿水害防治工程技术研究中心，安徽 宿州 234001；

3.唐家会煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

0 引言

地处于鄂尔多斯盆地的唐家会煤矿，设计生产能力为4.0 Mt/a，主采煤层均厚为17.20 m，距离下层伏厚为180 m的奥灰含水层是为33.5 m～69.6 m，奥灰是通过垂直方向的裂隙对煤系地层进行渗透补给，对矿井的安全开采造成了严重威胁。若采用高效高产的综采放顶煤开采技术，采动底板破坏深度时空如何演化？破坏深度下伏岩层阻隔水性能有何特征？能否带压开采？开采的安全机理何在？已经成为唐家会煤矿乃至准格尔矿区在开采深埋特厚煤层理论上和技术上急需解决的突出重要难题之一。为此，安徽建筑大学与淮南矿业西部公司合作，首先在首采61101综放面风机巷施工了7个井下采前水文检查与岩层组合结构探测孔，进行了抽水试验、采用X光衍射、电镜扫描等手段，对底板岩层微观成份与阻隔水性能进行研究，获取了脆弱性指标，评价了采动底板突水危险性。到2017年底，已在近距离奥灰含水层上回采了61101等3个特厚综放面，取得了奥灰含水层上大采高承压水上综放面带压开采成功经验，扩大了综放开采的应用范围。

1 试验工作面的采矿及水文地质特征

1.1 采矿技术条件

位于唐家会煤矿首采区试验的61101综放工作面，地质构造简单至中等，开采煤层为6煤层，含煤地层为石炭二迭系，煤层赋存状况稳定，倾角6度，采用了走向长壁综放采煤方法。采放高度平均17.20 m，首采工作面标高770 m～790 m，奥灰含水层水位标高约为890 m，带压开采的水压为1.4～1.8 MPa。

1.2 试验工作面水文地质特征

根据井田内80多个钻孔揭露资料表明，开采范围内可划分为以下四大含水层：即奥陶系中统马家沟组(O2m)岩溶裂隙含水层；二叠系(P)～石炭系(C)砂岩裂隙含水层；白垩系下统志丹群(K1zh)裂隙、孔隙含水层；第四系(Q)松散层潜水含水层。

奥陶系中统马家沟组(O2m)岩溶裂隙含水层：位于煤系地层基底的奥陶系中统马家沟组(O2m)，厚度不足250 m，岩性为浅灰色石灰岩、白云质灰岩。首采工作面奥陶系灰岩顶板埋深为503.00 m～625.85 m，发育标高681.79 m～756.59 m见图1，在矿井内有23个钻孔揭露该地层，揭露灰岩1.00 m～234.12 m。根据矿井钻孔资料，岩溶裂隙在奥陶系灰岩顶板埋深600 m以下发育。抽水试验资料见表1，岩溶裂隙的发育为单位涌水量为0.6095～5.0341 L/(s·m)，富水性为中等到强。

图1 6煤底板砂岩薄片显微照片

表1 奥陶系岩溶裂隙含水层水文地质特征一览表

二叠系(P)～石炭系(C)砂岩裂隙含水层：根据主检2号钻孔对6煤层顶板含水层的简易抽水资料显示，含水层的厚度为66.05 m，单位涌水量为0.0043～0.0052 L/s·m，渗 透 系 数 为 0.0072～0.0204 m/d，富水性弱。

白垩系下统志丹群(K1zh)孔隙、裂隙含水层：首采工作面及周边白垩系砂岩总体自北向南逐渐变薄，厚度114.49m～10.05 m，最厚点位于首采区中西部T04号孔，厚度达114.49 m；而位于东露头附近的3水2号孔最薄处厚度10.50 m。

第四系(Q)松散层潜水含水层：受地形地貌限制及影响的首采工作面及周边第四系松散层，厚度分布不均匀，一般为2.0 m～90.6 m。最厚处处于首采工作面东北面1水1号孔，厚度达到96.0 m；而位于首采工作面南面T30号孔最薄处厚度只有2.0 m。

实验研究工作面奥灰富水性中等到强，究其原因：一是由于垂向上缺失峰峰峰组，且顶部无相对隔水层，上马家沟组灰岩是直接揭露的，上马家沟组灰岩自顶板至端孔岩溶裂隙均比较发育；二是出水段距奥灰顶板距离近，最大86.53 m(补Ⅲ水2号孔)，最小仅为0.10 m(1水2)；三是位于黄河地表水渗漏补给的井田是处于有利位置的。位于东部黄河西岸3 km～6 km的泥沙充填带以西的井田，径流通道比较畅通，构造裂隙、溶蚀裂隙发育，由于龙口水库和万家寨水库建成，使水位抬升8 m左右，表明区内岩溶地下水易于接受黄河地表水的渗漏补给，富水性较强。

2 试验工作面底板岩层阻隔水性能测试及成果分析

由于唐家会煤矿位于生态脆弱的准格尔煤田，地面施工环境较差。为此，在首采61101工作面上下风巷、机巷施工了7个采前水文检查孔，孔距300～350m，进行了部分简易抽水试验，全面采取了煤层底板至奥灰含水层上部的岩样，采用X光衍射、电镜扫描等手段，研究了底板岩层阻隔水性能，进行了岩石力学性能、水理性质、微观成分分析测试，获得如下成果：

2.1 底板岩层组合特征及煤岩柱质量评价

(1)根据7个采前钻孔揭露资料统计可知，61101综放工作面煤层底板至奥灰含水层距离为43.5 m～69.6 m见表2，在统计以泥岩类岩石为主的7个钻孔中，泥岩类最小大于64%，但煤层直接底板岩层20 m范围内砂岩占比较高，30 m以下岩层厚度较大且多以泥岩及砂质泥岩为主，在采动影响下阻隔水性能较好且采动裂隙容易弥合。

(2)煤层底板3 m的范围内在室内试验数据表明；砂岩岩性岩石的吸水率1.75%～6.85%，含水率 0.32%～6.34%，视密度 2640～2900 kg/m3，真密度为 2180～2880 kg/m3，孔隙率 0.18%～19.15%，自然 状 态 下 抗 压 强 度 13.64～97.56 MPa，平 均39.06 MPa，普氏系数 1.4～9.8，内磨擦角 39.5 °～48.2 °，凝聚力 0.56～7.17 MPa，弹性模量 1898.49～17585.98 MPa，泊松比 0.01～0.47，抗拉强度 0.08～2.69 MPa，属于软弱～中硬岩层，微观成份测试结果表明：石英成份含量较高，见图2，岩石试验测试成果还表明：61101工作面直接顶底板岩石的干抗压强度较高，饱和抗压强度偏低，抗剪与抗拉强度也偏低，平均干抗压强度为38.51 Mpa，平均饱和抗压强度为22.00 Mpa，平均抗拉强度为2.07 Mpa。吸水状态下的砂质泥岩类抗压强度很低，多数岩石遇水后会变形软化，岩石的软化系数平均为0.47，极易破裂，呈现脆性岩石的破坏特征，不易弥合见图3；30 m以下岩层，粘性土含量较高，塑性较强，见图4，具有抑制采动裂隙的发展，与奥灰接触的奥灰顶部铝土泥岩，厚度均在5 m以上，分布稳定，岩样的矿物组份及微观组构分析可知，铝土泥岩粘土矿物含量很大，均在70%以上。煤系地层岩石中并没有见到易溶水的矿物，且微裂隙及微孔洞不发育的。测试成果表明：岩石的浸水试验表明，被古风化影响后的同种岩石，岩石的隔水能力以及再生隔水性能都比未风化的岩石强；铝土泥岩具有较好的隔水性。

图2 脆性砂岩应力应变曲线

图3 塑性铝土泥岩应力应变曲线

综上所述，与奥灰含水层相邻的铝土矿泥岩具有更好的阻水性能和更好的抗裂性和抗渗性。中国具有相似条件的矿山实测数据也表明，当采矿裂缝进入古风化带时，采动破坏深度远小于正常条件下的破坏深度。

2.2 综放开采矿压显现特点与底板破坏深度探测

由于煤层开采而诱发的底板破坏是很普遍的工程灾害问题，其中与采动矿压的具有复杂的关联性，煤层底板的隔水层厚度的减少是由于底板采动破坏，使底板阻水能力降低，将突水的风险增大，针对特厚煤层采动底板破坏深度大，开采煤层距奥灰近，奥灰强富水、隐伏构造发育等问题，在唐家会煤矿的首采工作面布设了矿压观测线；且在收作线附近施工了底板采动破坏观测孔3个，采用的测试方法及手段主要为钻孔注水法、预埋分布式光纤感应法和孔间电阻率CT法等进行探测，见图4和图5，

图4 BOTDR应变测量原理图

图5 孔间电法成像工作示意图

同时对综放工作面的矿压显现规律及其与底板破坏之间的内在联系进行了全面研究，并通过相似材料模拟试验及计算机的数值分析进行了理论探讨，形成了一个综合的矿井底板损伤时空演化研究系统。

2.2.1 规程计算

矿压扰动破坏带使底板有效隔水层厚度变薄，有可能造成底板突水或者诱发构造突水。断层带附近的矿压破坏带深度是正常岩层中的0.5～1.0倍。

工作面的矿压作用决定了底板破坏程度，影响因素有开采深度、煤层倾角、开采工艺、工作面斜长和煤层厚度等。对底板采动导水破坏带深度的计算公式是采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的。

通过计算6煤底板采动导水破坏带。计算公式如下：

h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

式中：

H——开采深度。

α——煤层倾角。煤层倾角一般地段约为5°；

L——工作面斜长。工作面斜长首采面为240 m。

根据上述经验公式计算，计算得出611101综放面6煤底板矿压扰动破坏深度为25.49～26.42 m。

2.2.2 现场测试

综合矿压与底板破坏深度测试成果，唐家会煤矿综放开采工作面矿压及顶底板破坏演化特点为：变形量大、下沉速度快、影响范围广、底板破坏深度深、回缩压密快、突水溃砂能力强等采动裂隙生成、贯通与突水溃砂通道形成、闭合与控制作用特征，采动底板破坏深度为26.3～26.8 m，与规程计算相比是比较符合的。底板时空演化特点如下：

(1)根据工作面煤层底板钻孔深度的不同，采矿矿压力在底板浅部有较大的变形和破坏，深部破坏和变形有着相对较小的特点。矿井压力剧烈，具有超前和滞后的特征，采矿过程中，应变诱导严重，存在大范围的剧烈波动。也就是说，当工作表面靠近测量点时，测量点开始显示出严重的应变感应。工作面被推过一定距离后，严重的应变传感现象消失。

(2)5#钻场光纤测试7.20 m深度范围内显现的破坏区域特征，电法测试10.5 m深度范围显现的破坏区域特征，判断5#钻场位置破坏区取大值为10.5 m；2#钻场光纤测试6.6 m深度范围显现的破坏区域特征，电法测试结果显现7.2 m深度范围显现的破坏区域特征，判断2#钻场位置破坏区取大值7.2 m。底板岩体发生弹性形变是随着深度的增加形成采动扰动区，该区域依然保持岩体结构完整性和抗渗性但岩体发生小变形，其5#钻场光纤测试扰动影响深度不超过21.5 m，电法测试扰动影响深度不超过23.1 m，判断扰动影响深度取大值23.1 m；2#钻场位置光纤测试扰动区域最大深度为26.3 m，电法测试最大扰动深度为26.8 m，判断开采扰动影响最大深度为26.8 m。

3 综放工作面带压开采奥灰水突水危险性评价

(1)突水系数：煤层底板突水是一个复杂的问题。突水系数法主要考虑两个因素：煤层底板隔水层厚度和水压。通过计算突水系数值来评估煤层底板突水的风险性大小。

突水系数计算公式为(根据《煤矿防治水规定》)：

式中：

T——突水系数(MPa/m)；

P——隔水层承受的水压(MPa)；

M——底板隔水层厚度(m)。

依据采前检查孔计算结果见表2

表2 61101工作面探查孔突水系数计算一览表

(2)奥灰水突水危险性评价：根据风机巷7个钻孔隔水层厚度，结合煤层底板隔水层承受的水压值，按突水系数公式计算，煤层底板奥灰水突水系数为0.025～0.033 MPa/m。由东南向西北逐渐增大，西北部边界钻孔突水系数最大，为0.033 MPa/m，相对安全区被评价为正常块段。由于61101综放面6号煤层均是带压的，奥灰含水层钻孔单位涌水量0.6095～5.0341 L/m·s，含水层富水性中等～极强。受断层带的影响，隔水层厚度变薄，突水系数相应增大，因此，综合考虑奥灰含水层富水性、地质构造、突水系数、突水通道形成的难易程度、底板岩层阻隔水性等因素，采用GIS拟合将唐家会6煤底板突水可能出现的地质构造影响区即褶皱轴部、断层、陷落柱等块段评价为危险区，见图6，首采的61101工作面位于突水危险性较小的区域。

图6 6煤底板奥灰水突水危险性分区图

4 结论

通过对61101综放面底板岩层取样所进行的物理、力学和水理性质试验分析，结论如下：

(1)实验结果表明，采动底板破坏深度以下至奥灰含水层之间岩层的含粘量较高，垂直渗透能力较差，为综放工作面带压安全开采创造了良好条件。

(2)奥灰含水层距61101综放面距离为33.5～69.6 m，砂岩类的平均抗压强度为39.1 Mpa，泥岩类的平均抗压强度为16.8 Mpa，属软弱及中硬覆岩类型。

(3)分布在奥灰含水层上覆铝土泥岩是稳定的，粘土矿物含量较大(均大于60%)，这些粘土矿物具有强吸水性，吸水后体积膨胀，再生隔水能力较强的特征，具抑制和阻水底板破坏深度继续向下发展的双重作用，并且为特厚综放面带压安全开采提供了内在保证。

(4)首采面6煤层底板奥灰水突水系数为0.025～0.033 MPa/m，正常块段底板突水危险性小，但是构造块段突水危险性大。

(5)将钻孔注水法、孔间电法成像及光纤探测等新的方法和手段用于测试底板破坏的发育特征；将显微技术用于底板岩层阻隔水性能评价取得了综放开采采动底板岩体裂隙渗流时空演化观测研究，形成了特厚煤层采动底板破坏演化规律的综合研究技术体系，对生态脆弱区域水害威胁煤层采动底板破坏深度的探测具有推广应用价值。