恒昇9301工作面覆岩导水裂隙带高度及突水危险性

2021-08-23黄顺杰

科技创新与应用 2021年22期

荣剑，黄顺杰

（1.安徽省皖北煤电集团临汾天煜恒昇煤业有限责任公司，山西临汾041000；2.安徽理工大学矿业工程学院，安徽淮南232001）

煤层开采破坏了上覆岩层原始应力场的平衡状态，引起岩层应力重新分布，造成采场上覆岩层的变形、移动、离层、断裂、垮落等，形成冒落带、导水裂缝带和弯曲带[1]。当煤层上覆岩层有含水层和老空区积水时，确定回采工作面冒落带和导水裂缝带的发育高度，是预测顶板突水及防治突水危险的前提和依据[2-3]。

目前，对采动覆岩移动、变形、破坏的研究主要有经验公式、数值模拟、相似试验和现场探测等方法和技术手段[4-8]。这些方法在提高了冒落带、导水裂缝带发育高度计算精度的同时，也为煤矿的安全、高效生产提供了保障。孙庆先等[4]综合运用地表钻孔冲洗液漏失量观测、钻孔彩色电视观测和井下瞬变电磁法物探等技术手段，对神华宁煤集团红柳煤矿1121厚煤层、软覆岩工作面采空区上覆岩层“两带”高度进行了探测，表明综采一次采全高工作面冒落带高度为煤层厚度的8.55倍、导水裂缝带高度为煤层厚度的12.51倍。来兴平等[5]以地处戈壁滩的新疆哈密地区大南湖一矿为工程背景，开展了极干旱气候下三软煤层综放开采覆岩破裂及裂隙导水特征的研究，为三软煤层综放工作面安全开采及保水采煤方案的确定提供了科学依据。滕永海[6]依据现场实测数据，探讨了综放条件下导水裂隙带发育特征，研究了综放导水裂隙带最大高度计算公式，表明综放条件下导水裂隙带发育高度要比普采条件下、分层综采条件下的大，导水裂隙带发育高度分别增大了1.37倍和2.31倍。杨达明等[7]以某矿11915综放工作面为例，综合运用井下钻孔注水漏失量观测、钻孔电视和数值模拟等技术手段，对厚松散层、软弱覆岩下综放工作面采空区上覆岩层导水裂隙带高度进行了探测。张玉军等[8]以王坡煤矿为试验矿井，采用钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视系统，探测了高强度综放开采覆岩破坏高度，并对监测到的裂隙发育演化进行了数字化分析和相似模拟试验研究。

上述研究成果在保障煤矿安全生产方面起到了有效指导作用，但没有在确定上覆岩层导水裂隙带高度的基础上进一步结合煤矿水文地质条件对矿井突水危险性进行分析研究。本文以临汾天煜恒昇煤矿9301综放工作面开采为工程背景，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，在确定9301综放工作面冒落带和导水裂隙带发育高度的前提下，分析了9301综放工作面回采过程覆岩破坏对上覆含水层和老空区积水的影响及其突水危险性。研究成果对保证9301工作面的安全高效开采具有重要的工程指导意义。

1 工程概况

安徽省皖北煤电集团临汾天煜恒昇煤矿现主采9+10号煤层，9301工作面位于三采区南部，该工作面北部为未开拓区域，南部为一采区，局部靠近9102和9104采空区，西部以北翼运输大巷里段为界，东部矿界外为皖北煤电集团恒晋煤矿。9301工作面长938m，宽200m，煤层底板赋存标高1140-1193m，平均煤层厚度5.0m，煤层一般倾角2°-10°，如图1所示。

图1 9301工作面平面图

如表1所示，9301工作面直接顶、老顶为浅海相石灰岩，深灰色-黑灰色，钙质胶结结构，致密坚硬，裂隙发育有小溶洞，充填有方解石脉，含大量筵类动物化石，如长似纺锤筵和太原网格长身贝等，岩石以K2石灰岩为主，中下部含泥岩薄层，平均厚度13.09m。K2石灰岩抗压强度较大，平均抗压强度29.6MPa，平均抗拉强度1.3 MPa，抗剪内摩擦角35°20′，凝聚力系数3.9，普氏硬度系数9.63，坚硬程度属中硬岩，为较难冒落顶板。直接底为泥岩，黑色，粉砂质胶结，含大量植物根部化石，厚度1.82m。老底主要为泥岩、煤、石灰岩。

表1 9301工作面顶底板岩性及其与上覆各岩层之间平均距离

9301工作面上方区域2号煤层已回采，老空区积水及顶板砂岩含水层（主要有K5、K7和2号煤采空区积水及顶板砂岩含水层）是工作面主要充水来源。若9+10号煤层开采后导水裂隙带连通上覆老空区积水和顶板砂岩含水层，将威胁着矿井的安全生产。为了保障矿井安全高效生产，需要根据现有的矿井地质及水文地质资料，并结合9301工作面开采情况，对9301工作面开采覆岩破坏和导水裂隙带发育高度进行探测研究，确定导水裂隙带发育高度，形成相应的防治水害技术措施，指导矿井安全高效生产。

2 9301工作面覆岩“两带”高度计算

由于综放开采具有高产高效的优点，在我国厚煤层开采矿井得到迅速普及。但目前《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中没有综放开采工作面“两带”高度的经验计算公式[2]。为此，中国矿业大学和唐山煤科院分别总结，并提出了一定条件下综放开采“两带”高度的经验计算公式，如表2所示。

9301工作面选用ZF5600/18/35型液压支架，9301工作面平均开采煤厚4.4m，工作面采高2.4m，放煤厚度2.0m。9301工作面上覆岩层为中硬岩层，根据表2计算得到冒落带高度为：

表2 综放开采“两带”高度经验计算公式

导水裂隙带高度为：

因此，依据经验公式，恒昇煤业9301综放工作面最大冒落带高度为25.39m，最大导水裂隙带高度为66.325m。

3 9301工作面覆岩“两带”破坏特征

9301工作面开采后，上覆岩层破坏具有明显的分带性，依据矿山压力与岩层控制理论，工作面开采后上覆岩层自下而上一般形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，其中冒落带和裂隙带发育高度是工作面安全生产的重要技术参数，称为“两带”。“两带”的形态和具体发育高度与工作面地质条件密切相关，对指导矿井水害防治意义重大。下面分别从覆岩塑性区破坏特征和应力判别法两个角度来对9301工作面覆岩“两带”发育特征进行分析。

3.1 覆岩塑性区破坏特征

岩层屈服后进入塑性状态，其完整性遭到破坏，一方面岩体本身固有的裂隙进一步扩展与延伸，另一方面又产生新的裂隙，这些裂隙互相连通即构成裂隙通道。采场覆岩塑性区破坏特征能够直观地反映覆岩破坏形态，是分析“两带”发育高度，特别是判定最大导水裂隙带高度的主要依据之一。9301工作面回采400m时，走向方向和倾向方向采空区中央位置处的塑性区剖面，如图2所示。

从塑性区分布可以看出，采空区上覆岩层主要以拉伸和拉剪破坏为主，再向上以剪切破坏为主。采动后覆岩自上而下大致可以分为5个变形破坏区域，分别为未受破坏区、塑性变形区、拉张裂隙区、拉张破坏区和局部拉张区。煤层开采后，影响覆岩裂隙带高度的主要是工作面前后岩壁上方和采空区上方的塑性区分布。冒落带岩层一般处于局部拉张区，塑性区表现为拉破坏，由图2可以获得9301工作面冒落带发育高度为16.33m，导水裂隙带发育高度为60.6m（塑性区发育最大高度）。

图2 9301工作面回采400m时走向和倾向方向采空区中央位置塑性区分布

3.2 应力判别法

应力判别法是通过采用不同的强度准则和屈服准则，进行有限元计算，获得每一节点的应力，通过该节点的应力状态来判断该点是否发生屈服破坏。其中，拉应力区和较小压应力区是裂隙发育的区域，拉张破坏区和拉张裂隙区的上界限是确定冒落带高度和导水裂隙带高度的重要判别依据。图3为9301工作面推进400m时走向和倾向方向采空区中央位置最大主应力、最小主应力、水平应力（SXX和SYY）云图。

从图3（a）和（b）主应力等值线云图可以看出，最大主应力的形态类似于“马鞍”型，与塑性区分布形态基本上一致，最小主应力的形态呈“拱”型向上发展；从图3（c）和（d）水平应力等值线云图可以看出，上覆岩层内水平应力的垂直分带比较明显，采空区上覆一定范围内出现了拉应力，超过此范围后，拉应力逐步转变为压应力，且水平应力等值线变得稀疏。

图3 9301工作面推进400m时最大主应力、最小主应力和水平应力云图

从主应力的大小、方向可以得到在垂直方向上，按照水平应力和主应力的大小和性质可以分为三个区，分别为双向拉应力区、拉压应力区和压应力区。双向拉应力区表现为最大和最小主应力都大于0，主要分布于采空区冒落带岩层内，当拉应力超过岩体的极限抗拉强度时，岩层断裂、垮落，应力释放转移；拉压应力区表现为最大主应力大于0，最小主应力小于0，主要分布在冒落带岩层外，岩层所受某一方向的拉（压）应力高于抗拉（压）强度而产生剪切裂隙、拉张裂隙；压应力区表现为最大和最小主应力都小于0。冒落带一般位于采动覆岩双向拉应力区和拉压应力区，其破坏形式以拉张破坏和剪切破坏为主，主应力的大小和岩体性质控制着冒落带的发育高度以及，采动裂隙的张开度、密度和贯通性。

3.3 “两带”界定准则

岩石是一种抗压不抗拉的材料，一般认为，如果采空区覆岩最大、最小主应力都为拉应力，该位置处岩石将产生全面拉破坏，该处顶板冒落形成冒落带；如果只有一个主应力是拉应力，则与该拉应力垂直的方向将产生明显裂隙，形成裂隙带。设定拉应力为正，以覆岩主应力都为拉应力范围作为冒落带，将一个方向主应力为拉应力的范围作为裂隙明显的裂隙带高度。

图4为9301工作面不同推进距离时，覆岩冒落带和裂隙带发育高度变化规律。由图4可知，当9301工作面推进40m时，冒落带高度为7.5m，裂隙带高度为35.2m；推进80m时，冒落带高度为8.6m，裂隙带高度为44.9m；推进120m时，冒落带高度为9.55m，裂隙带高度为49.1m；推进160m时，冒落带高度为11.89m，裂隙带高度为53.12m；推进200m时，冒落带高度为13.11m，裂隙带高度为56.23m；推进240m时，冒落带高度为13.92m，裂隙带高度为57.54m；推进280m时，冒落带高度为14.61m，裂隙带高度为58.2m；推进320m时，冒落带高度为15.52m，裂隙带高度为59.4m；推进360m时，冒落带高度为16.01m，裂隙带高度为60.1m；推进400m时，冒落带高度为16.33m，裂隙带高度为60.6m。综上分析可知，9301工作面覆岩冒落带高度与工作面推进距离关系不大，随工作面推进距离的增加而缓慢增加，冒落带发育高度为7.5-16.33m；裂隙带发育高度随着工作面推进距离的增加而快速增加，在工作面一次见方后，裂隙带发育高度趋于平缓，基本保持在一个稳定值，裂隙带发育高度为35.2-60.6m。

图4 9301工作面不同推进距离时覆岩冒落带和裂隙带发育高度

4 9301工作面突水危险性

依据水文地质和物探资料（表1），9301工作面上覆岩层主要有K2、K3、K4、K5裂隙含水层和2号煤层采空区积水及顶板砂岩含水层，其中K2石灰岩和K5砂岩含水层富水性较好，属富水性弱-中等的含水层，为9+10号煤层直接充水含水层，且K2灰岩和K5砂岩存在富水异常区。另外，2号煤层部分已开采区域存在水量不详、分布不均的老空区积水。

根据9301综放工作面中硬顶板的条件，由经验公式计算的9301综放工作面冒落带高度为20.68±4.71m，导水裂隙带发育高度为54.835±11.49m。由数值模拟获得的9301综放工作面冒落带高度为16.33m，导水裂隙带发育高度为60.6m。理论分析和数值模拟表明，9301综放工作面冒落带高度在15.97-25.39m之间，导水裂隙带发育高度在43.345-66.325m之间。因此，9301综放工作面导水裂隙带发育最大高度为66.325m，而9+10号煤层与上覆K6泥质灰岩之间的距离为67.37m，与上覆4号煤层之间的距离为79.28m，如表1所示。9301工作面开采后，采场覆岩导水裂隙带最高发育到K6泥质灰岩内，同时，4号煤层下方泥岩对覆岩导水裂隙具有一定的封堵作用。由于9+10号煤层与上覆K5砂岩之间的距离为42.43m、与K6泥质灰岩之间的距离为67.37m，因此9301工作面开采后，9+10号煤层上覆的K5砂岩、K6泥质灰岩将进入覆岩导水裂隙带的最高发育范围内，而2号煤层将整体处于9+10号煤层上覆弯曲下沉带范围内。

另外，9301工作面导水裂隙带发育最大高度尚未达到2号煤层，且9301工作面上覆K2、K3、K4和K5裂隙含水层之间均匀分布有厚度不等的泥岩、砂质泥岩，其岩性比较致密，具有良好的隔水性能，阻隔了各含水层之间的水力联系，厚度不等的泥岩、砂质泥岩起到了层间隔水作用。因此，当9301工作面上覆2号煤层没有开采、比较完整、不存在老空区时，9301工作面开采过程中基本不会受到2号煤层老空区积水的威胁，其防治水的重点为K2灰岩和K5砂岩富水异常区。9301工作面回采前，应依据地面瞬变电磁探测结果，对K2灰岩和K5砂岩富水异常区进行预先疏放，同时在回采过程中加强K2灰岩和K5砂岩含水层水害的探查和水文地质观测分析。而当9301工作面上覆2号煤层已开采、存在老空区，并形成底板采动破坏裂隙带时，9301工作面开采后产生的导水裂隙带可能会与2号煤层底板采动破坏裂隙带沟通，此时会受到2号煤层老空区积水的威胁，其防治水的重点为K2灰岩、K5砂岩富水异常区和2号煤层老空区积水。9301工作面回采前，应依据地面瞬变电磁探测结果，对K2灰岩、K5砂岩富水异常区和2号煤层老空区积水进行预先疏放，同时在回采过程中加强K2灰岩、K5砂岩含水层和2号煤层老空区积水的探查和水文地质观测分析。

综上所述，9301工作面开采后，采场覆岩导水裂隙带最大高度（66.325m）发育到4号煤层下方K6泥质灰岩内，其尚未达到2号煤层；对于没有开采的2号煤层，其下方9+10号煤层开采时基本不会受到2号煤层老空区积水的威胁；而对于已开采的2号煤层，其下方9+10号煤层开采后产生的导水裂隙带可能会与2号煤层底板采动破坏裂隙带沟通，此时会受到2号煤层老空区积水的威胁，应加强探放水，做好水害防治技术措施。应注意的是，虽然9+10号煤层上覆含水层属富水性弱-中等含水层，但局部地段可能出现中等至强含水层，在构造发育地段易形成积水空间和导水通道，开采至此部位时，易发生突水事故。特别是随着开采面积的增大，采空区顶板塌陷、冒落后，会进一步加强煤层上覆各含水层之间的水力联系。开采过程中应根据涌水量变化情况及时采取相应措施，加强矿井水文地质工作和防治水工作，确保矿井安全生产，必须坚持探放水原则，以防发生突水事故。