弱胶结地层重复采动覆岩渗透性演化规律研究

刘洪林，肖 杰，甄文元，朱铖宇，陈志文，罗文杰

（1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐 830046；2.新疆大学矿产资源生态环境保护性开采自治区高校重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046；3.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京 100013）

伊犁地区煤炭储量丰富为实现伊犁矿区生态环境保护，区域煤炭资源大规模开采过程中，水资源保护将作为基础约束条件[1-5]。伊犁矿区煤系地层均为侏罗系、白垩系弱胶结地层，可采煤层数多、埋藏浅、上覆基岩薄，煤层开采过程中极易造成浅表水资源的流失[6-8]。已有研究表明，弱胶结地层岩石都具有强度低、孔隙度大、遇水易泥化崩解等特点[8-10]。西部弱胶结地层岩石的强度远小于东部地区煤系地层岩石，由于岩石胶结松散，三轴压缩过程中弹性能积聚能力弱，岩石破坏时的弹性能释放少，峰后阶段主要呈现黏性流动状态、无明显的剪切裂隙[11-12]。弱胶结岩石的宏观破坏形式主要为张拉破坏，细观破坏则主要发生在岩石颗粒间的胶结物[13-17]。弱胶结岩石遇水易泥化崩解，在相同的地层结构和开采参数条件下，弱胶结覆岩的两带发育高度较小[11]。已有研究成果为弱胶结地层煤炭资源的安全开采提供了基础，但弱胶结采动地层的渗透性演化规律尚不清晰，需进一步研究。为此，采用数值计算的方法，分析弱胶结地层近距离煤层开采过程中，地层应力场、采动覆岩破坏情况及渗流场演化规律，对西部矿区安全高效和生态环境保护性开采具有积极的指导意义。

1 工程概况

伊犁矿区伊新煤业矿井位于新疆伊犁哈萨克自治州霍城县东南部，主采21-1 煤层和23-2 煤层，现阶段正进行21-1 煤层的开采。井田地层由上到下依次为：第四系、古近系、新生代新近系；侏罗系水西沟群三工河组、八道湾组；中生代三叠系上统小泉沟群赫家沟组；古生代石炭系中统奥依曼布拉克组。矿井主采煤层所属侏罗系地层主要是细砂、粉砂、中砂岩以及泥岩[2]。煤层组覆岩层不存在厚而坚硬的关键层，煤系地层主要岩石力学参数见表1。

表1 煤系地层主要岩石力学参数Table 1 Main rock mechanics parameters of coal measure strata

伊新煤业井田处于倾状向斜盆地中，西侧地形较低，其余三面地形均较高[4]。特殊的簸箕状地形决定了井田区域为附近区域地下水的径流排泄补给区。井田东南侧基岩露头区为区域地下水东南侧补给边界，井田北部为无限补给边界。研究区主要含水层为：第四系冲洪积孔隙含水层（H1）、古近系砂砾岩孔隙含水层（H2）。21-1 煤层覆岩含水层特征见表2。

表2 21-1 煤层覆岩含水层特征Table 2 Characteristics of coal 21-1 overburden aquifer

研究区内地表植被生存依赖于浅表含水层中液态和包气带水资源，若浅表含水层水资源大量流失将会威胁矿区地表生态环境。为此，结合矿井含水层结构特征，主要针对近地表的第四系和古近系含水层水资源流失情况进行研究。保障隔水层结构不受破坏是实现保水开采的关键，位于目标含水层（H1、H2）之下，21-1 煤层之上的G1、G2、G3隔水层的完整程度将决定目标含水层水资源是否流失。覆岩主要隔水层特征及地层结构含水层、21-1 煤层覆岩主要隔水层特征见表3，煤系地层结构及煤系地层含水层隔水层分布如图1。

图1 煤系地层结构及煤系地层含水层隔水层分布Fig.1 Structure of coal measure strata and distribution of aquifers in coal measure strata

表3 21-1 煤层覆岩主要隔水层特征Table 3 Characteristics of main water resisting layer of coal 21-1 overburden

综上所述，伊宁煤田煤系地层弱胶结，煤层具有赋存厚度大、埋深浅和煤层间距小的特点。煤层开采过程中采动裂隙极易导通含水层，造成浅表水资源的流失，引发矿区脆弱生态环境的恶化及井下水害事故。

2 弱胶结地层数值计算模型构建

为研究水力耦合条件下伊新煤业采动覆岩渗透性规律，基于矿井开采地质条件，构建弱胶结地层数值计算模型。模拟型尺寸为700 m×400 m×135 m，模型上边界施加0.365 MPa 的荷载模拟松散层，固定其余边界的位移。为减少边界效应的影响，x 方向两侧各留150 m，y 方向两侧各留100 m。工作面开挖尺寸分别为400 m×200 m×5 m 和400 m×200 m×10 m。以每次推进10 m，每次开挖计算4 000 步，对21-1、23-2 煤层均一次采全厚度进行模拟。自上而下，先开挖21-1 煤层，再开挖23-2 煤层。数值计算模型中各岩层力学参数见表4。

表4 煤系地层力学参数Table 4 Mechanical parameters of coal measure strata

弱胶结地层砂岩、泥岩和砂质泥岩的单轴压缩强度与常规煤系地层同类岩石相比明显较低，其在水的作用下强度将发生大幅降低，破坏前塑性变形十分明显[18]。FLAC3D可用于分析采动岩体渗流场演化规律[19]，为此选用该数值计算软件在水力耦合条件下进行伊新煤业采动覆岩活动规律和采动覆岩渗透性规律的研究。选取摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）强度准则作为模型岩体破断规律的本构关系。数值计算模型中的流体采用各向同性（isotropic）本构模型，默认组成岩体的颗粒不可压缩，则相对应的需要设置的FLAC3D渗流模拟模型参数有流体体积模量、孔隙率以及岩层渗透性系数。模型中流体的密度为1 000 kg/m3，体积模量为2 GPa。

通过岩层密度和吸水率计算得到煤系地层孔隙率，煤系地层孔隙率及渗透率见表5。

表5 煤系地层孔隙率及渗透率Table 5 Porosity and permeability of coal measures

3 弱胶结地层重复采动覆岩渗透性演化规律

3.1 采场围岩应力场分布规律

煤层开挖打破了地层中的原始应力平衡状态，地层应力将重新分布。煤层开挖后，采空区上覆岩层失去支撑，其载荷向周围岩体转移，从而在采空区四周出现应力集中区，采空区上部则出现应力降低区[20]。21-1、23-2 煤层开采工作面围岩垂直应力分布如图2，煤层开挖后工作面前后的覆岩出现应力集中区，采空区上方为应力降低区。

图2 采动覆岩垂直应力云图Fig.2 Vertical stress in surrounding rock of working face

煤层开采过程中，沿工作面推进方向支承压力出现先增加再减小的趋势。工作面推进方向支承压力峰值出现距离煤壁5～10 m 的区域，在距离煤壁40 m 时垂直应力恢复到原岩应力水平，支承应力峰值处应力集中系数最大达到1.81。采空区上覆岩层中出现拉应力，最大拉应力出现在采空区中央上部，拉应力峰值达0.9 MPa。

21-1 煤层开采后再开挖23-2 煤层，23-2 煤层工作面周围应力集中区向下转移，工作面前方应力峰值出现在工作面前方5～10 m 位置。由于21-1 煤层开挖后其下部岩层处于卸压状态，因此23-2 煤层开采时工作面前方应力集中程度较小。上下工作面重叠布置时，上部煤层开采在采空区形成的应力集中将向传递到下部煤层，形成较大的集中应力，应力集中系数达到了2.01。

3.2 采场围岩塑性破坏规律

工作面推进50 m 时，煤层覆岩塑性区发育高度达到20 m，覆岩破坏形式主要为剪切破坏，仅顶部发生了少量张拉破坏。当工作面推进100 m 时，覆岩塑性区高度达到25 m，采空区上覆岩层中产生大量张拉破坏区。煤层开采后在采空区四周出现自地表向下的张拉破坏区域，工作面中部自下而上形成破坏区域[21]。工作面开挖150 m 时，工作面四周自上而下发育的张拉破坏区域深度达到了20 m，采空区中部自下而上发育的张拉破坏区域高度发育至距离工作面顶板45 m 处。当工作面开挖至200 m 时，工作面形成2 处自上而下的连续张拉破坏区域。工作面中部上行破坏区域发育高度最大，最大发育高度达到70 m，工作面两侧自上而下发育的张拉破坏区深度达到了30 m。但此时上行破坏区和下行破坏区在空间上并未形成连续区域。当工作面推进300 m 时，工作面附近破坏区域相互连通。

采空区下部工作面开挖时，下煤层顶板的塑性破坏区沿着上煤层开挖时底板的破坏区自上而下发育。由于伊新煤业两煤层间岩层厚度只有25 m，并岩层胶结程度较差，当23-2 煤层工作面推进至100 m 时，煤层开挖产生的塑性区已连通煤层底板。

3.3 采空区覆岩裂隙发育规律

煤层开挖后会同时产生自下而上的裂隙和自上而下的裂隙，上行裂隙与下行裂隙导通是影响隔水层隔水性的关键因素[22]，当上行裂隙和下行裂隙导通时即有可能形成导水通道。FLAC3D模拟结果显示，上行破坏区域和下行破坏区域的连通出现在工作面推进一定距离后的工作面后方。伊新煤业21-1煤200 m 工作面推进350 m 时，工作面后方首次出现上行破坏区和下行破坏区连通的现象。工作面推进开采300 m 时覆岩裂隙发育切片如图3。

图3 工作面推进开采300 m 时覆岩裂隙发育切片Fig.3 Overburden fractures develop at 300 m when the working face is advanced

3.4 围岩孔隙压力变化规律

煤层开采扰动将打破围岩孔隙压力平衡，产生孔隙压力差，引起水体的渗流运移。基岩上部砾石层存在水源补给，因此固定基岩顶部孔隙压力为0.5 MPa。在固定顶部基岩孔隙压力的情况下得到了不同开挖时步条件下煤层覆岩孔隙压力分布，21-1煤层不同推进距离时孔隙压力如图4。

图4 21-1 煤层不同推进距离围岩孔隙压力分布Fig.4 Pore pressure distribution of surrounding rock at different advancing distances of coal 21-1

当21-1 煤层开挖50 m 时，采空区顶底板岩层中孔隙压力均会出现下降，采空区上覆岩层孔隙压力呈等值线下降。当21-1 煤层推进至400 m 时煤层底板及采空区两侧孔隙压力均出现大幅下降。

23-2 煤层在21-1 煤层开采结束后进行开采，21-1 煤层采空区可能存在积水。为此，固定21-1 煤层中工作面底板的孔隙压力为0.3 MPa。模拟23-2煤层开挖时两煤层间的孔隙压力变化和岩层渗流状态如图5。当23-2 煤层推进50 m 时，两煤层中间岩层中孔隙压力略有变化；工作面推进100 m 时，下煤层顶板局部区域出现了孔隙压力下降；工作面推进至150 m 时，下煤层顶部岩层孔隙压力大幅下降。

图5 23-2 煤层不同开挖步距围岩孔隙压力分布Fig.5 Pore pressure distribution of surrounding rock at different excavation distances in 23-2 coal seams

3.5 重复采动下围岩渗流场演化规律

煤层开采后，弱胶结地层在剧烈开采扰动下形成了渗流通道，使得地表水或地下水渗透至采空区。工作面开采后，地下水流速最快的区域出现在工作面四周煤壁。煤层开挖后，采空区四周30 m 左右的区域内地下水流速均较快。煤层开采后距离顶板50 m 左右覆岩区域渗流场流速发生了量级的变化，渗流扰动区域比采动塑性破坏区范围更大。采空区覆岩中形成流向采空区中部的环向渗流圈，渗流方向随着距离顶板距离增大逐渐由水平流入采空区转为垂直流入采空区，渗流速度随着距离采空区顶板的垂向距离的增大而降低，距离采空区顶板80 m 层面的最大渗流速度。

21-1 煤层工作面初采期间，覆岩渗流速度变化不大，当推进距离由150 m 增大至200 m 时，顶板渗流速度开始增大；推进距离达到300 m 时，顶板含水层渗流速度大幅增大；推进至400 m 时，覆岩最大流速达初始扰动值2.1 倍。工作面回采过程，采空区覆岩渗流速度随着工作面推进不断降低。工作面推进400 m 时，采空区覆岩渗流速度约为开挖初期的1/2，工作面推进400 m 时走向剖面渗流矢量如图6，工作面推进时煤壁侧渗流速度变化如图7，工作面推进时切眼侧渗流速度变化如图8。

图6 工作面推进400 m 时走向剖面渗流矢量Fig.6 Strike profile seepage vector when the working face is advanced at 400 m

图7 工作面推进时煤壁侧渗流速度变化Fig.7 Variation of seepage on the side of the face when working face advances

图8 工作面推进时切眼侧渗流速度变化Fig.8 Variation of seepage velocity on the cutting side when the working face advances

根据前文，21-1 煤层工作面推进至300 m 时采空区覆岩上行破坏区和下行破坏区相连通，此时正好对应了采空区覆岩渗流速度大幅度增加。当采动覆岩上行和下行破坏区相连通时，采空区覆岩地下水流速度将大幅上升。由于21-1、23-2 煤层间距较小，上部煤层先开采可能会形成老空区积水，下煤层开挖时，两煤层间的岩体中的地下水渗流演化规律研究对实现采空区下煤层安全开采有重要意义。固定21-1 煤层孔隙压力为0.3 MPa ，即模拟上煤层开挖后在采空区形成3.0 m 深的积水时煤层间岩层中的地下水渗流情况，23-2 煤开挖100 m 时走向剖面渗流矢量如图9，23-2 煤开挖400 m 时走向剖面渗流矢量如图10。

图9 23-2 煤开挖100 m 时走向剖面渗流矢量Fig.9 Seepage vector of strike profile when 23-2 coal is excavated for 100 m

图10 23-2 煤开挖400 m 时走向剖面渗流矢量Fig.10 Seepage vector of strike profile when 23-2 coal is excavated for 400 m

当23-2 煤层工作面推进50 m 时，煤层间岩层渗流速度无明显增加。推进100m 时，形成采空区中部渗流速度大、采空区两侧渗流速度小的扇形渗流场，扇形区域最大渗流速度约2.0×10-9m/s。当工作面推进150m 时，扇形渗流区域最大渗流速度达2.12×10-8m/s。随着工作面的继续推进，煤层间岩层渗流矢量大小不再呈现扇形分布，渗流场逐渐转变为煤壁侧渗流速度大于采空区渗流速度。23-2 煤层开采过程中，覆岩渗流矢量随工作面推进距离增大而增大，达到峰值后再逐渐减小，并趋于稳定，23-2煤工作面推进过程中覆岩最大渗流矢量如图11，23-2 煤工作面推进400 m 时距顶板20 m 水平剖面渗流矢量如图12。当23-2 煤层工作面推进150 m 时，顶板最大渗流矢量达到峰值。

图11 23-2 煤工作面推进过程中覆岩最大渗流矢量Fig.11 Vector change of maximum seepage flow of overburden during the advancing of 23-2 coal seam

图12 23-2 煤工作面推进400 m 时距顶板20 m水平剖面渗流矢量Fig.12 Horizontal profile seepage vector when 23-2 coal working face is advanced at 400 m and 20 m away from the roof

4 结 语

1）21-1 煤层工作面开采时，最大支承压力峰值应力集中系数为1.81，采空区上覆岩层最大拉应力出现在采空区中部覆岩区域，最大拉应力达到0.9 MPa。由于弱胶结地层岩石强度较低，21-1 煤层开挖后，其下部一定范围煤层和岩层均处于卸压状态，23-2 煤层开采时，工作面超前支承压力峰值较小。

2）煤层开采过程中，采空区上覆岩层中形成了中部发育高度大、四周发育高度小的上行破坏区和采空区四周发育深度大、中部发育深度小的下行破坏区。工作面推进距离达到300 m 时，上行和下行破坏区相互连通，采空区覆岩区域孔隙压力出现大幅下降。

3）单层开采扰动和重复开采扰动下，覆岩渗流场均呈现出采空区四周渗流速度大、中部渗流速度小的特征，工作面侧煤壁渗流速度较采空区侧渗流速度大，采动覆岩塑性破坏区发育与覆岩渗流场演化规律存在较为明显的对应关系。

4）近距离下位煤层开采时，上下煤层间岩层破坏区未贯通前，采空区积水向下位煤层工作面渗流速度较小；破坏区初次贯通时，上下煤层间岩层渗流速度突然增大，形成中间渗流速度大、两边渗流速度小的扇形渗流场，随着工作面持续推进，最大渗流速度区域转移至工作面前方。