深埋缓倾斜双煤层开采导水断裂带发育规律研究

2022-03-24侯恩科龙天文魏启明马进勇

煤矿安全 2022年3期

侯恩科，刘博，龙天文，徐维，魏启明，马进勇

（1．西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054；2．华北科技学院安全工程学院，河北廊坊 065201；3．国家能源集团宁夏煤业公司石槽村煤矿，宁夏灵武 751400）

随着采煤技术的不断进步，多煤层开采已逐渐成熟。下伏煤开采导水断裂带可能导通上覆煤层采空区，或重复采动导致上覆煤层导水断裂带再次发育，进而导通上部含水层，极大地影响矿井生产安全[1]。受煤层间距、采厚和开采方式等多种因素影响，多煤层开采导水断裂带发育特征具有不确定性，单一方法确定导水断裂带发育高度具有一定的局限性，因此，多种方法综合确定能够使其结果更加符合实际情况[2-7]。侯恩科等[8]通过井-地联合微震监测对深埋煤层导水断裂带高度进行了研究，认为断层降低了覆岩稳定性，增大了导水断裂带发育高度；杨玉亮等[9]采用理论分析、相似材料试验和数值模拟研究了深埋大采高工作面覆岩破断及裂隙演化规律，认为覆岩裂隙可分为孕育、产生、张开、闭合、压实5个阶段；余学义等[10]采用物理模拟和数值计算模拟方法，分析了不同分层、不同采高和不同开采方式下导水断裂带高度发育规律和覆岩移动破坏规律；还有众多专家学者对深埋煤层开采导水断裂带发育规律进行了研究[11-14]，但该类研究都针对于深埋单煤层开采导水断裂带研究，未涉及多煤层开采导水断裂带发育规律的研究。田成林等[15]通过FLAC3D数值模拟认为多煤层开采导水断裂带发育高度影响因素按重要程度依次为采高、间隔层强度和层间距；潘瑞凯等[16]通过建立三维物理相似模型、PFC2D数值模型和理论模型，对双厚煤层开采后的覆岩裂隙发育规律进行了研究；孙学阳等[17]采用FLAC3D数值模拟手段，讨论了多煤层不同开采错距对覆岩结构关键层的影响；还有众多学者结合不同方法对导水断裂带发育规律进行了研究[18-20]，但对深埋多煤层开采导水断裂带研究相对较少。基于此，以位于宁东矿区的石槽村煤矿1102211工作面和1102213工作面为研究对象，深埋缓倾斜双煤层重复采动区，通过井下仰孔导水断裂带实测，结合FLAC3D数值模拟和经验公式法，对研究区导水断裂带发育规律进行对比研究，为研究区双煤层开采条件下矿井水害防治提供参考价值。

1 矿井地质条件及工作面概况

石槽村煤矿位于宁东矿区中部，井田内大部分地区被第四系（Q）风积沙及黄土所覆盖，仅在井田北部有侏罗系中统安定组（J2a）零星出露，井田南部有侏罗系中统直罗组（J2z）零星出露。地层由老至新依次有：三叠系上统上田组（T3S）、侏罗系中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）、安定组（J2a）、新近系（N）和第四系（Q）。1102211工作面钻孔柱状如图1。

图1 岩层综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of strata

以1102211和1102103工作面重复采动区为研究对象，工作面平面布置图如图2。

图2 研究区工作面示意图Fig.2 Working face sketch map of research area

1102103工作面走向长700 m、倾向长220 m，埋深410~580 m，开采2-1煤层，平均采高1.86 m，采用走向长壁综采一次采全高采煤法，全部垮落法管理顶板。1102211工作面走向长1 528 m，倾向长271 m，埋深430~600 m，开采2-2煤，平均采高3.52 m，开采方法同2-1煤。1102211工作面回采760 m后进入1102103工作面下部。2-2煤层上距2-1煤底板平均11.22 m，2-2煤分布稳定，倾向变化不大，平均倾角14°，直接顶为粉砂岩，局部含炭质泥岩和粗砂岩。

2 导水断裂带高度

1102103工作面与1102211工作面层间距11 m，两工作面上覆岩层为砂岩与泥岩互层，属中硬岩层。据《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“规范”）[21]多煤层重复采动导水断裂带的计算有如下规定：下层煤垮落带接触或进入上层煤时，上层煤的导水断裂带按本层煤的高度计算，下层煤的导水断裂带最大高度采用上下煤层的综合开采厚度计算，取其标高值大者作为2个层煤的导水断裂带高度。根据《规范》中硬岩层的公式（1）和公式（2）计算垮落带高度Hc和断裂带高度Hf：

式中：M为采高。

计算结果见表1。

表1《规范》公式预测垮裂带高度结果Table 1 The results of the formula predicting the height of fracture zone

3 导水断裂带发育规律数值模拟

3.1 模型建立

应用FLAC3D软件，依据石槽村煤矿1102211和1102103工作面地质条件和煤岩层力学参数，建立走向长1 000 m、倾向长470 m、高810 m的数值模拟模型，模型共划分为30 400个网格，FLAC3D数值模型如图3。研究区的岩层主要由砂岩、泥岩组成，岩石力学参数见表2。

表2 主要岩层力学参数表Table 2 Mechanical parameters table of main rock stratum for roof and floor

图3 FLAC3D数值模型Fig.3 FLAC3D numerical model

考虑到边界效应问题，在模型的走向方向两侧留50 m煤柱，倾向方向两侧分别留100 m煤柱。开挖过程中2个工作面每次开挖50 m，先开挖上组2-1煤，开挖高度1.8 m共开挖8次；再开挖下组2-2煤，开挖高度3.4 m，共开挖16次。计算采用适用于煤矿开采的摩尔－库仑屈服准则[22]：

式中：σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；C为材料的黏聚力；φ为材料的内摩擦角。

3.2 塑性变形结果

根据FLAC3D模拟的岩层塑性变形结果分析覆岩破坏规律。选取2-1煤开采50、200、400 m和2-2煤开采50、450、900 m的塑性变形图分析，数值模拟结果图如图4。图4结果显示，随着工作面的推进，上覆岩层出现下沉、破断和垮落。

图4 数值模拟结果图Fig.4 Numerical simulation result diagram

1）1102103工作面2-1煤推进50 m时，未在模型顶板位置观察出明显的破裂现象，由于上覆岩层弹性模量较大，具有较强的支撑作用，顶板岩层主要以弯曲下沉为主，裂隙发育高度较小。

2）随着推采距离的增加，2-1煤上覆基本顶变形逐渐变大，岩层应力变化超过其弹性极限，弯曲下沉量超过变形极限值，岩体开始发生破断、垮落。2-1煤推进距离为200 m时，采空区上方的覆岩发生整体性沉降，导水断裂带高度迅速增高，覆岩裂隙继续向上发育，最大裂隙尺寸进一步增大，裂隙主要集中在上覆岩层高度12.5 m处。

3）2-1煤推采至400 m，1102103工作面已回采完毕。此时1102103工作面切眼与煤壁处的破坏高度为最大值，采空区上方的裂隙分布形态表现为两侧高中间低的“马鞍状”。2-1煤已达到充分采动，最大裂隙尺寸较大，裂隙主要集中在覆岩高度为34 m处以及工作面正上方。

4）1102103工作面2-1煤层回采完毕后继续模拟1102211工作面2-2煤层回采，当2-2煤层推采至50 m时，煤层回采范围相对较小，虽煤层顶板的中粒砂岩弹性模量较大，但岩层变形已超过其最大弹性极限，中粒砂岩层和上部粉砂岩层都被破坏，较2-1煤开采50 m时覆岩破坏情况有所不同的主要原因为2-2煤采厚变大，此时最大裂隙主要集中在覆岩高度5.5 m处。

5）2-2煤推采至400 m时，推采距离已占工作面总长度的一半，还未进入1102103工作面采空区下方，刚好位于1102101工作面停采位置处，但此时已对2-1煤停采线位置处覆岩造成破坏。受2-2煤采动影响，2-1煤停采线下部的岩层逐渐垮落，但2-1煤停采线上部岩层没有受到影响，此时2-2煤开采导致的裂隙集中发育在覆岩高度37.5 m处。

6）2-2煤推采至900 m时，1102211工作面已经回采完毕。1102211工作面切眼与煤壁处覆岩破坏高度最大，2-2煤开采形成的采空区上覆岩层裂隙形态表现为两侧高中间低的“马鞍状”，此时2-2煤已达到充分采动。2-2煤在推采至2-1煤层采空区下方时，对2-1煤下部岩层造成破坏，使其整体下沉、垮落，集中发育的裂隙直接导通2-1煤采空区，甚至使采空区上方岩层进一步破坏，使得2-1煤层采空区上覆岩层裂隙进一步发育，最大尺寸裂隙与2-2煤最大裂隙合为一体集中发育。此时复合裂隙集中发育在覆岩高度46 m处。

3.3 导水断裂带发育规律

煤层上方断裂带随着工作面推进的发育情况如图5。

图5 导水断裂带发育高度图Fig.5 Development height of water flowing fracture zone

从图5中可以看出，裂隙的发育高度受工作面的推进距离和采厚直接影响，导水断裂带的发育随着煤层的开采以及覆岩的破坏，可以划分为发生、向上扩展、最大高度、稳定的过程。2-1煤和2-2煤导水断裂带发育过程均可分为3个阶段：缓增阶段、突增阶段和稳定阶段。采厚较大的2-2煤导水断裂带发育速度及高度在3个阶段均大于2-1煤导水断裂带高度，说明相同地质条件及开采方式下，导水断裂带高度受采厚影响较大。

推进距离在50 m时，由于2-1煤1.8 m采厚小于2-2煤3.4 m采厚，在相同开采方式及地质条件下，2-1煤上覆岩层未发生大面积的垮落，导水断裂带发育较小，而2-2煤上覆岩层已发生垮落，形成了5.5 m的导水断裂带。表明导水断裂带在发生过程中受采厚的影响较大；2-1煤与2-2煤回采到200 m之前，导水断裂带高度发育缓慢，最大发育高度分别为12.5 m和14 m。说明导水断裂带在向上扩展过程中的增大趋势受采厚影响较小，但导水断裂带最大发育高度受采厚影响较大；2-1煤和2-2煤推进距离均大于200 m时，导水断裂带高度发生突增。由于覆岩中的厚硬岩层一定程度上支撑着上部岩层，对断裂带向上发育具有抑制作用，随着煤层推进距离增大，厚硬岩层由于悬露跨度过长发生破断，从而导致导水断裂带迅速向上发育。当2-1煤推进到350 m，2-2煤推进至500 m时，断裂带高度发育至最大高度并分别逐渐稳定在34 m和41 m处；2-1煤推采至450 m处已完成回采，此时导水断裂带继续稳定在34 m处。2-2煤继续向前推采，此时2-2煤已进入2-1煤采空区下方，在2-2煤推采完成阶段导水断裂带发育高度略微增大，最终稳定在46 m处。

4 井下钻孔实测结果

4.1 井下实测原理与方法

在井下采用仰斜钻孔导高观测仪进行导水断裂带高度的确定。井下钻孔导高观测仪主要由观测探头、连接管路与控制台3部分组成。井下钻孔实测示意图如图6。

图6 井下仰孔压水试验结构示意图Fig.6 Schematic diagram of underground uphole water pressure test structure

实测时将探头送至钻孔相应位置，通过起胀控制台使胶囊膨胀到完全封堵钻孔两端，通过注水管向探头注水，并记录控制台流量表上的读数，根据漏失量大小判断该处裂隙发育程度，判断导水断裂带发育位置[23]。随推进高度反复探查，得到相应测试层位的漏失量，确定导水断裂带顶界之后，计算该处至煤层开采顶面的垂距，即为导水断裂带发育高度。

4.2 钻孔布置

1102103工作面回采时间为2015年11月至2016年8月，1102211工作面回采时间为2018年10月至2019年12月，根据采空区顶板裂隙发育规律，顶板应力已达到稳定状态，可以进行相关的压水试验。为了观测其顶板“两带”发育情况，于2020年6月在该工作面运输巷距离终采线158 m处设计了D1和D2等孔进行缓倾斜双煤层开采“两带”高度探测，钻孔施工剖面如图7。

图7 钻孔施工剖面图Fig.7 Drilling construction profile

4.3 实测结果

1102211工作面顶板观测孔D1孔和D2孔的注水试验漏失量曲线如图8。

图8 实测压水流量曲线图Fig.8 Measured pressure water flow curves

D1孔主要探查导水断裂带发育高度。将探头推进到相对1102211工作面垂距为8.8 m（钻孔斜长为16.2 m）的完整煤柱段测定胶囊密闭性良好，此时压水流量为28.3 L/min，则以此压水流量为判断导水断裂带的标准，压水流量大于此值为冒裂带，压水流量小于或等于此值则为完整岩层。钻孔斜长在46.2 m（探头相对1102211工作面垂距为25.6 m）时，压水流量已增大至122.53 L/min，判断此处位于2-1煤垮落带中；钻孔斜长为52.2 m（探头相对1102211工作面垂距为28.5 m）时，注水流量开始大幅度减小，说明随着垂距变大，岩层裂隙发育程度减小，判断此垂距已超过垮落带发育高度，确定垮落带高度应小于28.5 m，则垮落带发育高度以25.6 m为准。钻孔斜长为95.7 m（探头相对1102211工作面垂距为49.6 m）时，压水流量减小至28.85 L/min，基本恢复岩层完整段测试流量，而下一测试阶段注水流量小于标准注水流量，判断49.6 m已达导水断裂带上限。据此D1孔探查结果为：垮落带最大发育高度25.6 m，导水断裂带最大发育高度49.6 m。

D2孔主要探查垮落带发育高度。将探头推进到相对工作面垂距为8.71 m的完整煤柱段，确定D2孔压水流量以30.54 L/min为判断导水断裂带的标准。D2孔斜长在50.7 m（探头相对1102211工作面垂距为23.5 m）时，压水流量增至124.8 L/min，判定此阶段位于垮落带中；斜长为61.2 m（探头相对1102211工作面垂距为25.1 m）时，注水控制台的压力突增，但注水流量和孔口流量变化不大，在下一试验段的压水流量表现为明显下降趋势，判定该处位于垮落带顶部，则D2孔探查垮落带最大高度为25.1 m。钻孔斜长为89.7 m（探头相对1102211工作面垂距为35．1 m）时，注水流量为68.33 L/min，仍大于标准压水流量，判断该处位于导水断裂带区域，D2孔已确定垮落带高度，所以未继续钻探，但可以确定导水断裂带高度大于35.1 m。据此，D2孔探查结果为：垮落带最大发育高度为25.1 m，垮采比为导水断裂带发育高度大于35.1 m。

D1孔和D2孔综合探查结果如图9。基于“就高不就低”的原则，井下仰孔压水试验法对导水断裂带发育高度的探查结论为：1102103综采工作面和1102211综采工作面重复开采垮落带发育高度为25.6 m，垮采比为4.92（采高为2层煤综合采高5.2 m）；导水断裂带发育高度为49.6 m，裂采比为9.54（采高为2层煤综合采高5.2 m）。

图9 导水断裂带实测结果Fig.9 Measured results of water-conducting fault zone

4.4 导水断裂带发育高度综合分析

将《规范》计算数据、井下仰孔实测数据及数值模拟数据按“就高不就低”原则列入表3进行对比分析。石槽村煤矿导水断裂带高度对比表见表3。

由表3对比分析可知，《规范》计算结果与实测结果较为吻合，说明《规范》中多煤层开采导水断裂带计算公式更适用于石槽村煤矿。FLAC3D数值模拟可以分析导水断裂带发育规律，井下仰孔注水试验探查导水断裂带数据可靠，能较为准确掌握“两带”发育高度。将井下仰孔注水试验与FLAC3D数值模拟结合，既能准确掌握“两带”发育高度，又能了解导水断裂带发育特征及规律，从而可为掌握导水断裂带发育高度和规律提供依据。