基于“双行裂隙”模型的两淮矿区高承压厚松散层突水机理

2021-07-17刘启蒙谢志钢白汉营缪长军

煤田地质与勘探 2021年3期

刘启蒙，刘瑜，谢志钢，白汉营，付翔，缪长军

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001；2.矿井水害综合防治工程研究中心，安徽淮南 232001；3.深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南 232001；4.桂林理工大学地球科学学院，广西桂林 541006；5.皖北煤电集团祁东煤矿，安徽宿州 234000；6.淮南矿业集团张集煤矿，安徽淮南 232171)

我国华北型煤田多为隐伏型，含煤地层顶部普遍发育10～40 m的风化壳，其上不整合覆盖130～500 m的新生界松散层，底部发育砂砾含水层，且具有埋藏深、厚度大、水压高的特点。浅部煤层开采时，通常留设80 m及以上垂高的安全煤(岩)柱，总滞压煤量高达100亿t以上。为解放煤柱资源，许多矿区开展了提高回采上限研究和试验开采工作，期间发生多起近高承压松散层开采突水灾害事故，如淮南潘一、潘二、潘三和张集矿，淮北朱仙庄矿，皖北祁东、百善矿及晋城成庄矿，不但严重影响矿井安全高效生产，而且造成了重大人员伤亡和经济损失[1]。

国内外对于近松散层开采水害防治，主要围绕煤层开采覆岩导水裂隙带发育规律[2-7]研究，最具代表性的是“上三带”理论[8]，并列入《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(简称《“三下”规范》)。许家林等[9]发现厚松散承压含水层下采煤时，载荷传递作用与关键层复合破断会使导水裂隙带异常增大；侯忠杰[10]分析了近松散层煤层顶板组合岩柱的滑落失稳过程，验证了关键层对顶板稳定性的影响；康永华等[11]采用实测资料分析了高水压含水层对原生纵向裂隙发育条件下导水裂隙带的发育特征；汪锋等[12]提出松散层拱结构模型，揭示松散层拱对载荷传递、岩层运动及地表沉陷、覆岩破断失稳的影响机理；郭文兵等[13]分析了厚松散层下充填开采覆岩导水裂隙高度变化规律。以上高承压松散层下煤层开采覆岩破坏动态过程、导水裂隙带发育高度等方面的成果，对象主要是“上行裂隙”(由下往上发育)。白汉营等[14-15]、杨本水等[16]提出在煤层开采前，承压含水层水体在高水头压力作用下向含煤地层层面产生“下渗带”；黄庆享等[17]通过对隔水层土样实验发现，隔水层土体的膨胀性将产生裂隙闭合现象，可减缓“下行裂隙”(由上往下扩展)发展，并给出“下行裂隙”闭合判据；宋马可[18]通过祁东煤矿近松散层煤层开采研究进一步验证“下渗带”在工程上的应用。

综上所示，目前针对近松散层开采水害的研究成果，多是单独考虑上行或下行裂隙，综合考虑“双行裂隙”进行松散层下煤层开采突水机理的研究成果较少。笔者以两淮矿区为例，分析高承压厚松散层强含水层水文地质工程地质条件，研究高承压水下“下行裂隙”和“上行裂隙”发育特征，建立“双行裂隙”模型，揭示高承压厚松散层下煤层开采突水机理，为近松散层煤层开采安全煤(岩)柱的合理留设提供科学依据。

1 两淮矿区水文地质和工程地质条件

1.1 两淮地区地质条件概况

两淮煤田位于我国东部黄淮冲积平原，新生界松散冲(坡)积物十分发育，厚度100～800 m，石炭–二叠纪煤系隐伏于新生界松散层下，含煤地层露头直接与新生界底部接触(图1)。

图1 两淮煤田松散层赋存结构特征Fig.1 Structural characteristics of alluvium in Huainan and Huaibei Coalfield

两淮煤田二叠系含煤地层顶部不整合接触于新生界松散层。含煤地层顶部遭受风化，由于岩体风化程度受出露地层岩性及当时的地质环境影响，风化带深度也有所不同。以淮北祁东煤矿为例，钻孔所测得的基岩风化带底板埋深在215～340 m，厚度约20 m。

松散层底部与基岩接触区所分布的风化基岩带对含煤地层水文地质特征具有控制作用。风化带若是以泥岩、砂质泥岩或粉砂岩所构成，其风化特征为高岭土状，具有低渗透和高塑性，能抑制裂隙发育，增强隔水层的隔水能力。反之，当风化带以砂质岩层为主时，砂岩风化后孔隙性增强，具有储水和透水能力，会局部增强松散层第四含水层(简称四含)的富水性。

1.2 祁东煤矿概况

祁东煤矿位于淮北煤田宿县矿区，自2001 年以来，先后在3222、7114 等8 个工作面发生17 次高承压松散层突水灾害(图2、表1)，且突水位置的煤(岩)柱高度均大于根据《“三下”规范》计算的防水安全煤(岩)柱高度(表1)。如3222 工作面发生新生界松散层特大突水淹井事故，最大涌水量达1 670 m3/h。经调查，3222 工作面上覆新生界松散层厚度为400 m，突水位置的煤(岩)柱高度为66 m，《“三下”规范》理论计算工作面安全煤(岩)柱高度为60.6 m，突水时松散含水层水压为3.7 MPa，且为强富水性，属于典型的高承压厚松散层突水事故。突水原因：一是3222 工作面上方基岩风化带内发育有原生裂隙(本文所指“下行裂隙”)，在高承压水作用下使其与四含沟通形成统一含水体；二是3222 工作面的采动导水裂隙(本文为“上行裂隙”)沟通了含水体。在按照《“三下”规范》要求，只考虑导水裂隙带(“上行裂隙”)，留设安全煤岩柱情况下，矿井发生了突水。因此，在近高承压厚松散层煤层开采，为防止松散层突水留设安全煤(岩)柱时，除应考虑导水裂隙带(“上行裂隙”)外，还须考虑基岩风化带内原生裂隙(本文为“下行裂隙”)。

图2 祁东煤矿历次突水位置及四含厚度Fig.2 Locations of previous water inrush accidents and thickness of the fourth aquifer in Qidong Coal Mine

表1 祁东煤矿历次突水情况统计Table 1 Statistics of water inrush accidents in Qidong Coal Mine

据统计分析(表2)，两淮矿区与国内其他矿区相比，松散层具有厚度较大、底部含水层水压较高的特点，这是两淮矿区松散层突水事故频发的地质、水文地质基础。

表2 松散层厚度及底含水压值对比Table 2 The thickness of alluvium and water pressure of the bottom aquifer

2 高承压水作用下“上行裂隙”发育特征

以祁东煤矿为例，对高水压作用下“上行裂隙”，即采动导水裂隙发育规律进行深入分析。

2.1 煤层覆岩结构特征

祁东煤矿近松散层基岩以泥岩和砂岩交互沉积为主，岩性差异较大，覆岩多为硅质胶结，煤层顶板属中硬类型。由于受多期构造运动影响，顶板岩体中发育有高角度纵向裂隙，整体隔水性能较差。松散层厚度189.25～453.00 m。四含底部与基岩面直接接触，且四含富水性强，最高水压达3.9 MPa。

2.2 “上行裂隙”发育模拟研究

选取祁东煤矿7131 工作面进行数值模拟分析。图3 为工作面剖面及岩性柱状，含煤地层倾角为15°，工作面布置在–410～–450 m 水平。模型尺寸为550 m×250 m×200 m，煤厚为3 m，模型如图4 所示。

图3 7131 工作面剖面图及岩性柱状图Fig.3 Profile and lithology histogram of working face 7131

图4 FLAC3D 数值模拟模型Fig.4 Numerical simulation model of FLAC3D

设计6 组不同水压的数值模型，分别为：0、1、2、3、4、5 MPa，模拟高承压水作用下7131 工作面“上行裂隙”发育高度(图5、表3)。

表3 不同水压条件下7131 工作面导水裂隙带高度Table 3 Height of water conducting fractured zone in working face 7131 under different water pressures

模拟结果显示：随着水压的增大，覆岩破坏的范围增大，导水裂隙带发育高度也增大。

图6 为根据模拟结果获得的裂采比与四含水压关系曲线，由图6 可知，模型中四含水压与裂采比呈线性关系，其拟合公式为：

图6 裂采比与四含水压关系曲线Fig.6 Relation of the ratio of the height of water conducting fractured zone to mining height and water pressure of the fourth aquifer

式中：y为裂采比；x为四含水压。

7131 工作面实际水压为3.6 MPa，代入式(1)算得的裂采比为17.62，大于《“三下”规范》计算的最大裂采比13.79，表明在水压作用下，覆岩“上行裂隙”发育高度增大。因此，根据“上行裂隙”高度计算安全煤(岩)柱高度时，要针对不同含水层水压进行调整，适当增加安全阈值。

3 高承压水作用下“下行裂隙”发育特征

当埋藏较深且富含水的四含直接接触于含煤地层时，高承压水会对基岩风化带的原生裂隙产生扩孔效应，形成原生裂隙扩展渗透带，致使煤层顶板有效隔水层厚度减小。因此，本文的“下行裂隙”包括基岩风化带中的原生裂隙和高承压水作用下原生裂隙扩展渗透带。

3.1 基岩风化带原生裂隙扩展渗透性试验

通过地面钻孔取得基岩风化带原位样品，在实验室模拟工作面条件(围压7 MPa，水压分别为1、2、3、4、5 MPa)，进行不同岩性风化基岩在高压水渗流条件下裂隙渗透性变化规律研究。测试结果显示：随着水压的增大(1 MPa 增大到5 MPa)，风化细砂岩试件的渗透系数增加幅度最大，从2.88×10–5cm/s增至4.33×10–4cm/s，增大约14 倍；风化粉砂岩的渗透系数从1.721×10–5cm/s 增至2.081×10–4cm/s，增大约11 倍；风化泥质砂岩的渗透系数从1.091×10–5cm/s 增加至8.807×10–4cm/s，增大约7 倍，如图7 所示。测试结果说明：在承压水作用下，原生裂隙会发生不同程度的扩展。

图7 高承压水作用下风化岩石渗透性测试结果Fig.7 Permeability test results of weathered rock under high water pressure

3.2 基岩风化带原生裂隙发育及扩展规律探测

3.2.1 原生裂隙发育深度探查

风化带原生裂隙深度可通过钻孔编录和钻探取心确定。收集祁东煤矿7131 工作面“三带”中的岩石样品，进行面裂隙率和线裂隙率的数据统计。统计结果显示，4 个钻孔风化带原生裂隙深度分别为9.06、11.40、11.61、8.90 m，平均10.24 m，以砂岩、泥岩为主。四含直接与风化带接触，有直接水力联系，在松散层高承压水头作用下，四含水下渗到基岩风化带原生裂隙中，造成原生裂隙中含水；根据祁东煤矿三采区采前2 号孔四含底与基岩风化带交界处的三侧向电阻率测井曲线(图8)，基岩风化带与四含分界处高程为–354.00 m；–354.00～–367.75 m的基岩风化带与四含段曲线特征没有变化，视电阻率场位低；在–367.75 m 以下，视电阻率值变大，说明–354.00～–367.75 m 段与四含的含水特性相似，为基岩风化带裂隙含水提供佐证。

图8 视电阻率测井曲线Fig.8 Apparent resistivity log

3.2.2 原生裂隙扩展的现场测试

现场测试在淮南矿业集团张集矿11418(W)工作面开展，利用压水试验探测原生裂隙在高承压水作用下扩展渗透带下限。

测试原理：根据每个压水钻孔压水段(终孔位置)坐标及每级水压p下距离压水钻孔第一个未出水锚索的位置坐标，算得原生裂隙在高承压水作用下扩展渗透距离L，进而对所得到的3 个不同地点L、p数据进行L–p关系回归分析，得到扩展渗透距离L与水压p的定量关系式。

由于本次测试没有将基岩风化带厚度独立分析，计算出的扩展渗透距离L包括基岩风化带厚度。因此，L为原生裂隙和高承压水作用下原生裂隙扩展渗透带深度之和，为“下行裂隙”深度。

测试过程：取水压1、2、3、4 MPa 进行现场压水试验，在每级水压p下稳定20 min，记录p和压水孔稳定压水量Q。在此期间，按照距离压水钻孔由近及远的方式观测压水钻孔附近两侧钻孔出水情况，记录第一个未出水锚索孔距压水孔口的距离。试验结果见表4。

在2 MPa 水压下L为6.5～7.5 m，平均7 m；在3 MPa 水压下L为9.8～10.5 m，平均10.1 m。通过收集、分析出水相关工作面的实际资料可形成原生裂隙扩展距离与压水钻孔水压值的关系，如下式所示：

式中：α为“下行裂隙”发育系数，m/MPa。

将实测数据代入式(2)，利用最小二乘法可求出系数α为3.41 m/MPa，由此，可得式(2)的形式如下：

从上述试验过程可以看出：在砂质泥岩中，“下行裂隙”发育深度与水压值大致成线性正比关系递增。

3.3 基岩风化带原生裂隙扩展理论研究

原生裂隙扩展渗透带受承压含水层地质条件和基岩风化带两方面因素影响，四含水压对岩体的原生裂隙面产生劈裂破坏作用，其水压大小直接影响原生裂隙扩展渗透带的作用深度；而风化带的地质条件(包括原生裂隙的产状角度及原岩性质)、力学特性都对“下行裂隙”的含导水能力有着重要的影响。原生裂隙扩展渗透带的下限即为“下行裂隙”的下限，因此，获得原生裂隙扩展渗透带的下限即可获得“下行裂隙”下限。

在原岩裂隙中，水头压力会沿裂隙面展开，考虑在一个稳定而封闭的系统内部，水压不释放，水体不流出，即渗压不渗流，当地应力与水压应力平衡时，可建立一个原生裂隙扩展渗透带力学模型，取一微小单元体进行受力情况分析(图9)。

图9 原生裂隙扩展渗透带受力分析Fig.9 Force analysis of primary fracture expansion zone

假设单元体内部存在裂隙面，裂隙腔体内部所受的各项应力相等，当微小单元体受力平衡时，根据弹性力学原理，则σ可以写作[19]：

微小单元体层面裂隙内部的水压力为：

式中：H为微小单元体的埋深；h为承压水位埋深；γw为水的容重。

根据水力劈裂准则：

式中：σT为岩体层面的拉应力。

当σT>0 时，微小单元体中的层面裂隙发生拉张变形，形成岩石水力劈裂通道。

将式(4)、式(5)代入式(6)，则松散承压水原生裂隙扩展渗透带发育深度hs为：

参考白汉营[19]的试验数据，对淮南潘谢矿区而言，σ1、σ3表示为：

式中：σv为垂向应力；σh为水平应力；H为埋深。

将式(7)、式(8)代入式(6)，γw=0.01 MN/m3；结合现有实测资料h≈10 m，σT=0.4 MPa，可将松散承压水原生裂隙扩展渗透带发育深度Had表示为：

式中：Had为原生裂隙扩展渗透带发育深度；Hs为松散层厚度。

统计淮南煤田潘一矿1402(3)和潘三矿1711(3)等下含 (淮北煤田称为四含)突水工作面的调查资料，并采用式(10)计算这些工作面的原生裂隙扩展渗透带深度，见表5。

表5 突水工作面条件对比分析Table 5 Comparison of water inrush working face conditions

其中，淮南煤田潘一矿1402(3)工作面原生裂隙扩展渗透带(“下行裂隙”下限)深度为25.04 m，原设计防水煤柱高度为64.64 m，实际防水煤柱高度为39.00 m。通过物探手段探测导水裂隙带高度为45.1 m，超出实际防水煤柱高度6.1 m，说明含水的“下行裂隙”与导水裂隙带(“上行裂隙”)已经沟通。

另外，选取淮北煤田祁东煤矿7114 工作面数据来验证公式的准确性。7114 工作面的基岩风化带厚度约为9.2 m；根据钻孔电视观测，基岩风化带裂隙为高角度纵向分布，β取30°；松散层水压pw为2.7 MPa，松散层的平均厚度Hs为358.89 m，则原岩裂隙扩展深度根据式(7)计算为5.76 m。加上探测所得到的基岩风化带厚度9.2 m，则计算的7114 工作面顶板基岩的“下行裂隙”深度为14.96 m，钻孔电视观测结果为13.75，两者基本一致。由此说明，“下行裂隙”下限计算公式在矿井防治水工程中具有较好的指导作用。

4 近高承压厚松散层“双行裂隙”突水机理

4.1 突水机理

两淮矿区松散层厚度大，底部含水层富水性强，且水压大，向含煤地层渗流，在此过程中会出现渗压不渗流的现象，深埋砂土砂岩界面下伏煤系砂岩层内赋存有原生裂隙，以岩层层面和高角度裂隙为主，底部含水层水体在高水压作用下，沿原生裂隙在下渗作用机制基础上下渗至一定深度。由于“下行裂隙”的存在，底部含水层水体与煤系砂岩水产生一定的水力联系，在煤层开采后，系统封闭性被破坏，顶板导水裂隙带(“上行裂隙”)会直接或间接沟通水体。

在两淮矿区松散层厚度大、底部含水层富水性强、水压高且直接覆盖在煤系之上的条件下，高承压水体不仅导致导水裂隙带(“上行裂隙”)高度异常增大，且高压水势还会对基岩风化裂隙产生劈裂作用，产生“下行裂隙”，从而减小隔水层有效厚度。煤矿开采过程中，导水裂隙带(“上行裂隙”)在没有波及“下行裂隙”的情况下，煤层顶板仍具有阻隔水性能，工作面不会发生大规模突水事故(图10a)；若导水裂隙带(“上行裂隙”)与“下行裂隙”沟通，含水层水就会沿着裂隙通道涌入回采工作面(图10b)。

图10 “双行裂隙”突水机理Fig.10 Schematic diagram of the water inrush mechanism of bidirectional fractures

4.2 实例分析

以祁东煤矿7114 工作面实采数据为例，依照《“三下”规范》中的防治水要求，计算导水裂隙带高度与防水煤(岩)柱厚度之和为62.6 m，工作面最小基岩厚度70.7 m，符合规范的安全回采要求；但在实际采掘过程中发生四含水的周期性涌入，说明留设的煤岩柱未能阻隔松散层水。

在四含高水压作用下，7114 工作面回采时导水裂隙带(“上行裂隙”)高度异常增大。由原生裂隙扩展渗透带发育深度理论公式计算可知：7114 工作面“下行裂隙”下限深度为14.96 m，按照《“三下”规范》需留设77.56 m 防水煤柱，大于最小基岩厚度。煤层开采覆岩导水裂隙带(“上行裂隙”)高度最大可达60 m 以上。此时，导水裂隙带高度已波及到下渗带内的砂岩层，意味着沟通了四含水体，在这种情况下，煤系上覆四含水体便通过“双行裂隙”流向工作面。水体在裂隙中流动时起冲刷扩大裂隙、搬运裂隙中充填物或破碎物的作用，形成一定动水压力，致使工作面发生涌突水事故。

综上，在两淮矿区松散层厚度大、底部含水层富水性强、水压高且直接覆盖在煤系之上的条件下，不充分考虑“双行裂隙”的前提所留设的安全煤(岩)柱往往不能起到有效防隔水的目的。