软弱薄基岩裂隙发育特征及抑突(溃)机理

赵兰春，王树营，于建新

(山东能源新汶矿业集团地质勘探有限责任公司，山东 泰安 271222)

煤炭的高强度开采，往往会导致其上覆岩层发生变形或破坏，其隔水性能也不断下降，易造成顶板透水事故。因此，为减少矿井突透水风险，相关学者均对此进行了研究。文献[1]针对新疆榆树泉煤矿，选用井下仰孔注水测漏法，采用“双端堵漏系统”观测分析取得导水裂隙带的有关数据，经瞬变电磁探测对比、数值模拟综合分析验证得出开采下10 煤层的“三带”高度。文献[2]对大南湖矿区七号矿井，利用瞬变电磁勘探划分出顶板相对富水区，结合导水裂隙带发育特征，使用“三图-双预测法”对矿井3 煤顶板突水危险性分区进行预测，划分出安全及危险区。文献[3]为研究采动覆岩裂隙发育变化规律，建立了基本顶初次来压的力学模型，后采用RFPA2D数值模拟软件，研究了覆岩破断裂隙发育变化规律，发现顶板裂隙带的位置不断向上发育，采场上部的卸压区为拱形，工作面前方的支撑压力峰值逐渐增加。文献[4]在多位学者对覆岩裂隙发育规律研究的基础上，总结了近年来导水裂隙带高度范围、发育的影响因素及其主要预测方法。文献[5]利用有限元数值模拟和相似材料模拟2 种方法模拟了薄基岩浅埋深煤层综放条件下的覆岩运移破坏过程。模拟结果表明，采动覆岩塑性破坏区的形态经历了“半圆拱形”-“马鞍形”-“拱箱形”的演化发育过程，采空区两侧应力集中程度呈现差异化现象，推进方向一侧应力集中程度较小，原始开切眼处应力集中程度较大。

我国新疆、内蒙等省区大量中生界煤田存在煤层厚、埋藏浅、顶底板基岩为软岩、上覆新生界地层发育厚层含水砂砾层的普遍现象，在煤层开采过程中容易发生顶板溃水、溃泥沙事故。相对于这一区域的软弱薄基岩巨厚煤层开采时的裂隙发育规律，以及其突水溃沙的情况研究较少。因此，本文针对这一地区特殊的地质情况，结合新疆伊犁煤田各矿针对提高煤层开采上限等理论研究和实践试验，总结了软弱薄基岩下厚煤层开采覆岩裂隙发育规律，对类似煤层的安全开采、提高资源回收率具有重要的指导意义。

1 研究区概况

伊犁煤田属于侏罗系煤田，煤层厚度一般为5～30m且倾角一般小于10°，构造条件简单，煤炭埋深较浅(100～200m)，顶底板基岩较薄(先期开采地段一般20～50m)，且均为软弱岩石且遇水易泥化。煤层顶板、上覆新近系和第四系地层中普遍发育厚层松散的砂砾含水层，厚度一般为60～100m，含水丰富，但水压较小(一般小于1.2MPa)。

伊犁煤田的煤炭开发通常为走向长壁采煤方法，一次性采全高或综采放顶煤开采(局部限高开采留顶底煤)、冒落法管理顶板。

在对伊犁煤田煤炭的开采过程中，积累了丰富的经验，并收集了大量资料，为研究开采条件下覆岩裂隙发育规律及突水溃沙机理提供了重要依据。

2 软弱薄基岩采动裂隙发育规律

巨厚煤层开采较常规厚度煤层开采有所不同。随着煤层开采厚度的增加，其岩层结构发生了较大的变化。巨厚煤层开采后，采空区空间大幅度的增加，垮落带高度逐渐加大甚至扩展至地表，采场采动影响具有较大的波及范围，使得工作面覆岩的活动空间更大，易造成大范围岩体结构失稳破坏。

而与一般巨厚煤田的区别是，伊犁煤田是处于软弱薄基岩之下的巨厚煤层，因此，安全性较一般巨厚煤层要好。最常见的主要是地面斑裂和塌陷问题，如图1所示。

图1 软弱薄基岩下厚煤层开采斑裂纹平面图

由图1中照片可以看出，地面的斑裂纹明显，结合平面图可以看到，主要斑裂纹发育间距10m左右(与周期来压步距基本一致)，有漏风渗水现象。在主斑裂纹之间，发育了方向一致，但角度不一的斜交雁列式次级剪切裂纹斑裂纹，间距2m左右。这是由于在地面推采过程中，对顶板造成影响，间接导致地面出现斑裂及塌陷的现象。由于伊犁煤田的煤炭开采是基于软弱薄基岩下进行的，这种现象更加明显，最大沉降值约为煤层开采厚度的0.6～0.9倍，开采结束2～3个月后基本稳定。

图2 软弱薄基岩下厚煤层开采斑裂纹剖面图

图2为软弱薄基岩下厚煤层开采斑裂纹剖面图，其中，一般在工作面推采前方平行推采方向超前80～85 m就出现弧形地面张性斑裂，由于开采深度约为-100～-130m，其α为50°～60°。

当煤层开采后，上覆岩层发生移动并伴随明显的垂向分带，一般将其垮落带和断裂带作为导水裂隙带。导水裂隙带若大于隔水层厚度，则会导通上部含水层，致使其地下水涌入矿井，这也是在软弱基岩下厚煤层的主要充水通道。

根据《“三下”采煤规程》等规程，可知导水裂隙带的高度公式为

(1)

式中：Hli为导水裂隙带的高度，∑M为累积的采厚。基于此，计算了伊犁煤田某矿区导水裂隙带发育高度，如图3所示。可以看出，导水裂隙带在该区发育高度差异不大，仅在中部及东南部区域较高，为20、22m范围内，说明在软弱薄基岩下厚煤层开采时导水裂隙带发育高度变化差异较小。

图3 导水裂隙带发育高度(单位：m)

3 突水溃沙抑制机理

在对伊犁煤田多个矿井在多个松散含水层水位下工作面下进行了试采后发现，尽管上覆软弱岩层，工作面冒裂带已经进入新近系含水层，但涌水量小(<30m3·h-1),远远小于预测的100～200m3·h-1，而且基本均为清水， 正常推采时一般无水或仅有少量淋水，仅仅在短时间停采后再推采时涌水量短时超过30m3·h-1、在数小时候就迅速衰减至2～5m3·h-1。同时，各矿井涌水涌泥沙的状况十分轻微，这些状况均与预料中有所不同，针对这一情况进行分析。

(1)由于煤层顶板岩性软弱、煤层采高大，形不成传统理论中的“平衡梁”，煤层开采时顶板随采随冒，上部地层随着沉降、斑裂，除冒落带外无明显的裂隙带、沉降带划分，也形不成能导致灾害性储水空间的离层带。

(2)顶板岩性软弱，形不成大的岩块、空隙、空洞，随采随冒后很快就压实了裂隙；冒落、破碎时产生了大量细碎屑，再加上煤系上覆地层胶结松散，泥沙、碎屑随之对裂隙进行了充填，有效阻隔了含水层水的下泻、更形不成灾害性泥沙流。总之在冒裂带发育和裂隙闭合方式上，物理性的压实闭合和细碎屑物填充作用要远远强于传统意义上的粘土矿物的化学性吸水膨胀闭合作用，成为阻止形成灾害性泥沙流的主导作用。

(3)新近系、第四系含水层胶结松散，裂隙进入后不能再继续发展，在水压很小的情况下仅仅对含水层起到一个扰动、陷落作用，形不成沿裂隙稳定流动的泥沙流。

(4)煤系地层中的泥岩层在风化或吸水后形成“狗皮泥”，在低水压情况下对抑制溃水溃泥沙现象也起到一定作用。

(5)工作面开采结束或开采过程中的不连续作业，导致裂隙不能及时填充闭合，会造成短时间的涌水量增加或一定程度的涌水涌泥沙。但在低水压时涌出物填充裂隙，会有效阻止涌水涌泥沙的继续发展。

4 结论

针对一般煤层及软弱薄基岩下的厚煤层开采后的覆岩裂隙发育规律与伊犁煤田突水溃沙抑制机理进行了研究，共得出以下结论。

(1)研究区在开采过程中出现地面斑裂和塌陷的问题。主斑裂纹间距10m左右， 次斑裂纹间距2m左右。 这是由于在地面推采过程中， 对顶板造成影响， 间接导致地面出现斑裂及塌陷的现象。 在工作面推采前方平行推采方向超前80～85m就出现弧形地面张性斑裂，开采深度约为-100～-130m，α为50°～60°。

(2)伊犁煤田在软弱上覆松散砂砾含水层下进行厚煤层开采，且涌水量小于30m3·h-1，突水溃沙情况受到了抑制。主要由于顶板岩性软弱，无法形成较大的岩块、空隙、空洞，随采随冒且采动裂隙被迅速压实、上覆地层含水层十分松散，裂隙进入之后不能再继续发展、在低水压时涌出物填充裂隙等原因造成的。