东胜煤田导水裂隙发育及其分区特征研究

鞠金峰，马 祥，赵富强，刘阳军，王业征，刘 乐，许家林

（1.中国矿业大学矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室，江苏 徐州 221008；2.中国矿业大学物联网（感知矿山）研究中心，江苏徐州 221008；3.内蒙古仲泰能源有限公司，内蒙 古鄂尔多斯 017000；4.国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿，内蒙 古鄂尔多斯017000；5.内蒙古伊泰集团有限公司，内蒙 古鄂尔多斯 017000；6.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116）

0 引 言

神府-东胜煤田是中国已探明的最大煤田，探明储量约2 300 亿t，位列世界七大煤田之首。 其中的东胜煤田即是它在鄂尔多斯境内的一部分。 由于东胜煤田大部分区域处于毛乌素沙漠边缘，生态环境非常脆弱；大规模煤炭开发引起的扰动、损伤势必造成区域生态环境的进一步恶化。 因此，如何实现东胜煤田丰富煤炭资源的绿色开发，已成为采矿领域众多工程技术人员持续攻关的重大技术问题［1］。

煤炭地下开采引起的导水裂隙是导致地下水流失及地表生态恶化的地质根源，研究揭示东胜煤田采动导水裂隙的发育规律，对于实现区域煤炭绿色开采具有重要指导意义［2］。 在实际工程实践中，现场往往倾向采用由经验统计得到的“采高倍数法”来估算采动覆岩的导水裂隙发育高度（以下简称“导高”）［3］；这一方法虽简单实用，但在开采条件发生变化时往往会出现估算结果与实际情况差异较大的现象，导致难以得到准确的“导高”发育情况以科学指导采煤实践。 如神东矿区补连塔煤矿31401 工作面［4-5］，采前按照经验统计法预估导水裂隙不会沟通上覆砂砾含水层，但实际开采却发生了多起突水事故；事后经探测发现，导水裂隙已发育至基岩顶界面，裂采比高达35，远超出经验预估的采高倍数。显然，岩层赋存条件的变化是造成这种误差发生的根本原因，合理依据不同地质赋存条件开展“导高”的科学预计，显得尤为重要。

通过对东胜煤田赋煤条件的大量调研后发现，由于古构造条件与沉积环境等的不同，不同区域煤炭赋存表现出较大差别［6-7］。 区内煤层埋深整体呈现东北部浅、西南部深的分布趋势，而不同主采煤层厚薄不均，但基本属于大采高开采条件。 这种赋煤条件的差异必然引起区内不同矿井覆岩导水裂隙发育的不同；虽然已有较多文献［4-5］［8-23］（后文详述）对区内具体煤矿开采的导水裂隙发育进行了实测和研究，但相关成果尚未就东胜煤田上述赋煤特征分布差异对导水裂隙发育的影响规律开展研究，尚未形成适宜东胜煤田不同赋煤条件下的导水裂隙发育高度判别方法；而这些问题的研究对于科学指导东胜煤田后续煤炭的科学开发、绿色开采等都尤为重要。

为此，通过对东胜煤田各大主力矿井采动导水裂隙发育高度的大量调研，基于岩层控制的关键层理论，掌握了煤层赋存条件变化对导水裂隙发育波动的影响机制；依据东胜煤田赋煤条件的4 区域典型分区，形成了各分区的“导高”预计方法，以期为东胜煤田后续的绿色、高效开发提供参考。

1 东胜煤田导水裂隙发育特征

1.1 东胜煤田概况

东胜煤田位于内蒙古自治区中部，其东部相毗邻的即为神府煤田，两者以省界为边界线。 其东北部为准格尔煤田，西部为桌子山煤田，西南部为上海庙煤田，如图1a 所示。 东胜煤田含煤面积约占鄂尔多斯市总面积的一半以上，共跨全市8 个旗区，总面积约57 000 km2，探明储量1 352 亿t。 地层层序由老至新依次为三叠系、侏罗系、白奎系、第三系及第四系。 煤层赋存条件稳定，水文地质条件简单，地质构造简单，矿井瓦斯含量极低。

东胜煤田含煤地层为侏罗系延安组，可采煤层8层，由下向上依次为6-2 中煤、5-3 煤、5-1 煤、4-2 中煤、4-1 煤、3-1 煤、2-2 煤、以及1-2 煤。 煤层上覆岩层多以泥岩、砂质泥岩、砂砾岩等岩性为主。 煤层厚度大、层数多、相邻间距小，是区域赋煤的典型特征，因而区域内多为高产高效的现代化大型矿井。 通过调研后发现，目前对东胜煤田的开发主要集中于东半部分（图1a），有万利、高头窑、塔然高勒、呼吉尔特、新街等多个国家规划矿区，而其西半部分因煤层埋藏偏深（普遍超过800 m）［7］，尚未开发。 其中，尤属煤田东北角的神东和万利矿区煤矿分布较为密集，这与该区域煤层赋存条件相对简单密切相关。

图1 东胜煤田区位分布及其赋煤特征典型分区Fig.1 Location distribution of Dongsheng Coalfield and the typical zoning map of coal bearing characteristics

1.2 “导高”现场实测与案例统计

1.2.1 典型案例“导高”实测

1）神东矿区补连塔煤矿［5］。 因补连塔煤矿31401 工作面曾发生多起突水事故，故在其出现大量涌水的采空区开展了覆岩“导高”发育观测。 在距离开切眼2 164 m 位置共布置S19 和S21 两个探测孔，均位于工作面倾向中部，两孔终孔深度分别为243.7 m 和238.6 m。 两钻孔钻进过程的冲洗液漏失量和孔内水位变化曲线如图2 所示。 其中，S19 钻孔在孔深86.65 ～87.99 m 阶段，冲洗液漏失量从0.125 L／（s·m）迅速升至2.167 L／（s·m），在钻进83.65～86.99 m 阶段孔内水位由11.45 m 瞬间漏失至孔底，并在87.10 m 时出现持续的钻孔进风现象。经综合分析判断，孔深86.65 m 为导水裂隙带的顶界，按煤层埋深247 m、采高4.4 m、地表下沉2.0 m计算，对应“导高”153.9 m，裂采比为35.0。 类似地，S21 钻孔在深96.96 ～97.46 m 阶段，冲洗液漏失量从0.006 5 L／（s·m）迅速升至29.962 9 L／（s·m），孔内水位则由3.85m 瞬间漏失至孔底。 经过综合分析判断，孔深97.10 m 为导水裂隙带的顶界，按孔位处煤层埋深244 m 同理可计算出对应“导高”140.5 m，裂采比31.9。

2）万利矿区万利一矿。 万利一矿分别选取开采4-2 煤的一盘区42104 工作面，以及开采3-1 煤的三盘区31301 工作面开展了覆岩“导高”的地面钻孔探测。 其中，42104 工作面探测钻孔布置于距开切眼1 070 m 处，距离运输巷70 m；31301 工作面探测钻孔布置于距开切眼350 m 位置，距离运输巷70 m。 两钻孔钻进过程的冲洗液漏失量和钻孔水位变化如图3 所示。

图3 万利一矿探测钻孔冲洗液漏失与水位变化曲线Fig.3 Leakage of flushing fluid and water level change curve of detection borehole in Wanli Coal Mine

42104 工作面探测钻孔终孔深度82 m，钻进过程中在孔深15 m 时开始出现孔口不返浆现象，但其冲洗液漏失量处于较低水平，对应孔内水位在孔深13.3 m 时开始出现持续缓慢下降；直至钻进至孔深52.8 m，冲洗液漏失量和孔内水位相继出现快速变化现象。 为进一步探究孔壁裂缝发育情况，又采用钻孔电视进行了观测，发现在孔深13 m 左右位置孔壁出现明显裂缝，而后孔壁裂缝发育密度持续加大，且出现孔壁破碎现象。 由此综合分析判断，孔深13 m 位置为导水裂隙带的顶界，根据煤层埋深79.2 m、采高4.8 m 计算，对应“导高”66.2 m，裂采比13.8。

采用类似方法对31301 工作面覆岩“导高”进行了探测。 结果显示，在钻进孔深2 m 时即出现孔口不返浆现象，对应冲洗液漏失量基本维持在2 ～4 L／（m·s）范围，但孔内水位持续下降；在钻进孔深45～65 m 和76～85 m 阶段，冲洗液漏失量出现暂时下降，在孔深92 m 时，冲洗液漏失量与孔内水位都出现快速变化。 同时，通过钻孔电视观测发现，进入基岩段孔壁即开始出现破碎和裂缝发育现象。 由此综合分析判断，孔深2 m 为导水裂隙带的顶界，根据煤层埋深118.6 m、采高5.1 m 计算，对应“导高”116.6 m，裂采比22.9。

值得说明的是，上述2 个工作面“导高”探测时，对应工作面已回采完毕较长时间（41104 工作面已采12 a，31301 工作面已采9 a）；由于上覆垮裂岩体在长期压实、水岩作用等影响下，导水裂隙易发生一定程度自修复［23-24］，因而上述测得的冲洗液漏失量整体偏小。

3）新街矿区红庆河煤矿。 红庆河煤矿“导高”探测孔布置于31401 首采工作面，位于距运输巷30 m位置。 考虑埋深较大、孔壁稳定性不易维护，钻进过程采取先小孔径钻进后扩孔的方式，终孔深度618.5 m。 小径钻进过程中，在孔深458 m 位置开始出现冲洗液大量漏失及孔口不返浆现象，而后漏失量略有升高并持续至孔深509 m 位置，漏失量大幅升高（约为前者的2 倍）；在后续钻进过程中，漏失量虽有暂时降低，但后续又出现持续升高现象。而在扩孔过程中，钻进直至538 m 位置时才出现冲洗液大量漏失和孔口不返浆现象，推断原先小孔径钻进时在孔深458 ～538 m 出现的裂缝发育程度不高、已被护孔泥浆堵住。 随着扩孔钻进的继续进行，冲洗液漏失量缓慢上升。 考虑到处于导水裂隙带上部的弯曲下沉带也发育有离层裂缝，也会造成冲洗液大量漏失，因而仅凭冲洗液漏失量变化曲线尚不足以判断导水裂隙带的顶界面位置，进一步结合孔内水位进行分析。

由钻孔水位变化可见，在冲洗液漏失量出现大量漏失的458 m 孔深位置，其水位确实出现了下降，但其水位绝对值并不深，且在后续钻进过程中，随着冲洗液的持续漏失，孔内水位并未出现明显下降现象，说明对应区域并未进入导水裂隙发育区；而后，当钻孔钻进至孔深583 m 时，孔内水位出现突降，表明钻孔揭露岩体内裂缝较为发育。 由此判断，导水裂隙带顶界面应处于埋深583 m 位置。 后续实施的钻孔电视观测也证实了上述判断。 根据煤层埋深703.3 m、采高6 m 计算，“导高”为120.3 m，裂采比20.1。

图4 红庆河煤矿“导高”探测数据曲线及钻孔电视照片Fig.4 Detection data of water-conducted fractures and the borehole TV pictures in Hongqinghe Coal Mine

1.2.2 其他主力矿井“导高”统计

除了上述典型矿井的现场实测，还对东胜煤田其他主力矿井的“导高”情况进行了统计，详见表1。各矿井的地理位置分布如图1b 所示。 根据统计结果，进一步得到了覆岩裂采比分别随煤层埋深和采高的离散分布图，如图5 所示。 由图5 可见，受煤层开采条件变化影响，覆岩导水裂隙发育呈现较大波动性。 相比而言，深部区覆岩采动裂采比的波动程度明显偏小。 埋深500 ～700 m 对应裂采比波动性最低，而埋深200 ～300 m 裂采比的波动性最高。 但随煤层采高变化，裂采比的波动性变化规律并不明显。 由此说明，浅部煤层开采更易引起导水裂隙发育的大幅度波动；同时也能说明在东胜煤田单纯采用“采高倍数”法来进行“导高”预计是不合适的，一方面难以对合理的倍数进行取值，另一方面，在区内普遍大采高开采条件下，一旦选取倍数产生误差，最终得到预计结果的误差将更为显著。

图5 东胜煤田采动覆岩裂采比随煤层埋深和采高变化的散点分布Fig.5 Scatter distribution of ratio of water-conducted fracture zone height and mining height in Dongsheng Coalfield

表1 东胜煤田主力矿井采动覆岩导水裂隙带发育高度统计Table 1 Statistical of height of water-conducted fracture zone in main mines of Dongsheng Coalfield

续表

1.3 导水裂隙发育的区域波动机理分析

根据岩层控制的关键层理论［25］，覆岩关键层位置的变化将直接引起导水裂隙发育高度的变化。 研究发现，受关键层破断运动及其对采动裂缝发育控制的影响，处于煤层顶板7 ～10 倍采高（一般按10倍计）范围的关键层，其破断裂缝均能达到导水的临界条件，因而，可按7～10 倍采高范围之外最近一层关键层的位置来确定覆岩“导高”［26-27］。 即导水裂隙将最终发育至该关键层底界面，“导高”即为煤层至这层关键层底界的距离。 若7 ～10 倍采高之外无关键层，则导水裂隙将直接发育至基岩顶界面，对应“导高”值将大于等于基岩厚度。 按照这一规律，可对上述煤层埋深变化引起“导高”波动性差异的机理进行分析。

煤层埋深大小直接决定了覆岩关键层的数量。一般而言，浅埋煤层相比深埋煤层其覆岩中存在的关键层数量更少些；如此，处于7 ～10 倍采高之外的关键层数量将更少。 当7～10 倍采高附近关键层所处层位因区域赋存条件变化而发生改变时，将直接引起“导高”值的波动。 极限情况下，当7 ～10 倍采高之外仅存在1 层关键层时，则这层关键层位置变化引起的“导高”值波动范围将为该关键层距煤层距离和上覆基岩厚度，变化幅度自然偏高。

为更清晰地阐述上述分析，以前述万利一矿2个试验工作面的覆岩柱状进行了说明。 从“导高”探测结果可见，两工作面虽然采高相差不大，但裂采比却差异显著。 其根本原因就是覆岩关键层数量及其层位变化带来的影响。 如图6 所示是2 个工作面探测区附近的钻孔柱状及其关键层位置判别结果。对于42104 工作面，其覆岩共有4 层关键层，按煤层采高10 倍范围判断，该范围外尚存在1 层关键层（即主关键层），因而导水裂隙发育至主关键层底界面。 而对于31301 工作面，覆岩中仅由2 层关键层，10 倍采高范围之外已无关键层，因而造成导水裂隙直接发育至基岩顶界面，导致其“导高”值远大于42104 工作面，造成同一矿井类似开采条件下“导高”的显著波动。 可以推断，倘若31301 工作面覆岩主关键层层位向上变化超过5 m，导水裂隙发育高度将能控制在主关键层底界面以下，此时其“导高”值才与42104 工作面类似，才不会出现较大波动。类似地，前述补连塔煤矿12401 工作面在突水区域测得裂采比31.9 ～35.0 的导水裂隙异常发育，也是因主关键层处于7～10 倍采高范围内引起的。 具体文献［5］中已有论述，在此不再赘述。

图6 万利一矿“导高”探测区覆岩柱状Fig.6 Overlying rock column in detection area of Wanli Coal Mine

而对于深部煤层开采，其覆岩关键层数量（尤其是7～10 倍采高范围之外的关键层数量）相对偏多，当7～10 倍采高范围附近关键层位置发生变化时，“导高”的波动范围仅限于该关键层与其上部相邻关键层之间的间距，难以出现因主关键层进入7～10 倍采高范围而引起的“导高”显著增大现象。 以前述红庆河煤矿31401 工作面偏深部开采的导水裂隙发育案例进行说明。 工作面走向不同开采区域覆岩关键层位置分布如图7 所示［17］，据此可对不同区域的采动覆岩“导高”进行判别。 按照煤层6.0 m 的采高，取10 倍采高判别，3 个钻孔区域的“导高”值分别为155.2、120.2、141.3 m，对应裂采比分别为25.9、20.0、23.6（与表1 中的实测值接近，表明判别方法的可靠）。 可见3 钻孔区域覆岩“导高”的波动性并不明显，而这正是由于10 倍采高附近关键层与其上部相邻关键层间距偏小、且变化不大引起的。

图7 红庆河煤矿不同开采区域“导高”判断Fig.7 Judgment of water-conducted fracture zone height in different mining areas of Hongqinghe Coal Mine

综上可见，东胜煤田浅部煤层开采覆岩“导高”波动性偏大的现象主要是由于煤层上覆7 ～10 倍采高范围之外关键层数量少、间距大引起，尤其是在覆岩7 ～10 倍采高之外无关键层的条件下，极易引起导水裂隙直接发育至基岩顶界面，造成“导高”值的异常大幅度波动。 而在深部开采条件下，与浅部相反，其覆岩7 ～10 倍采高范围之外关键层数量多、间距小，因而不易出现“导高”大幅度波动的现象。

2 东胜煤田覆岩“导高”的分区判别方法

2.1 东胜煤田赋煤条件分区

为弄清东胜煤田煤层赋存的整体分布特征，以便更好地指导不同赋煤条件下伏岩“导高”的准确判别，对东胜煤炭赋煤条件进行了分区。 考虑到煤田内赋存煤层较多，而各煤层在不同区域又存在较大的禀赋差异（有的地区煤层赋存厚，有的地区薄、甚至尖灭），因而最终选取在全区内普遍赋存的3-1煤进行了调研和分区（各大矿井基本已开始该煤层的开采）。

累计对区内23 对主力矿井开展了调研统计。根据上述分析结果，煤层埋深对覆岩“导高”的波动性影响较大，因而主要对各矿井3-1 煤赋存的平均埋深进行了统计，如图8 所示。 3-1 煤的赋存状态一定程度也反映了煤系地层其他可采煤层的赋存特征。 即3-1 煤埋深较浅／深的区域，对应其他主采煤层也应埋深较浅／深。 各调研矿井的分布如图1b所示。 由统计可见，3-1 煤埋深整体呈现东北部浅、西南部深的分布趋势，且埋深越浅的区域煤矿分布密度越高；在鄂托克前旗、鄂托克旗等煤层埋深相对较大（超800 m）的地区［7］，目前尚未开发。 由图1b可见，各矿井3-1 煤埋深（H）的分布在其地理位置上具有显著的聚集性，煤层平均埋深小于300 m 的矿井基本集中于东胜煤田东北部的神东矿区、万利矿区、以及高头窑矿区的部分区域，而埋深500～800 m 的矿井基本位于煤田东西向中部附近的纳林河矿区、呼吉尔矿区、纳林希里矿区、以及塔然高勒矿区的部分区域。 由此按照埋深H≤300 m、300 m＜H≤500 m、500 m＜H≤800 m、H＞800 m 这4 个区间，对东胜煤田赋煤特征进行了分区。

图8 各矿3-1 煤平均埋深分布Fig.8 Distribution of average depth of 3-1 coal in each mine

各分区具体区域划分时，考虑到高头窑矿区相关调研矿井案例偏少，故参照了该区域相关勘探区的资料［28-29］，柴登勘查区和速贝梁勘查区3-1 煤埋深分别为444.80～810.55 m 和525.4～715.85 m。 相邻分区的交界线按照两者对应矿井位置的中间点连线进行确定。 4 个典型分区的划分结果如图1b 所示，其中，Ⅰ区属浅埋区，Ⅱ、Ⅲ区为中等埋深区，Ⅳ区为深埋区（尚未开发）。 需要说明的是，虽然马泰壕煤矿3-1 煤平均埋深仅200 m 左右，但由于其地理位置处于Ⅱ、Ⅲ区的交界区，考虑地理位置相近具有类似的地层赋存特性，因而将其划归为Ⅱ区。 可见，若以东胜煤田的中轴线为分界线，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区位于中轴线以东，IV 区位于中轴线以西；且Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区沿着陕蒙交界线自北向南依次分布。

2.2 不同分区“导高”预计方法

根据表1 和图5 的统计结果，当煤层埋深小于200 m 时，裂采比处于10.9 ～25.5，“导高”波动范围达到2.34 倍；当煤层埋深介于200 ～300 m 时，裂采比处于13.7～35.0，“导高”波动范围达到2.55 倍；当煤层埋深介于300 ～500 m 时，裂采比处于12.5 ～25.4，“导高”波动范围达到2.03 倍；而当煤层埋深超过500 m 时，裂采比处于17.2 ～24 之间，“导高”波动范围仅1.40 倍。 可见，煤层埋深处于500 m 以内，对应覆岩“导高”都呈现较高的波动性（超2倍），若实际工程实践中采取采高倍数法进行“导高”预计，势必产生较大误差。 由此对图1b 所示几个分区的覆岩“导高”预计方法进行了确定。

对于I、II 区，其3-1 煤埋深普遍低于500 m，因而当对应区域内3-1 煤或其上部2-2 或1-2 等煤层开采时，不宜采用采高倍数法进行“导高”预计，而应基于开采区域具体覆岩柱状，采用“基于关键层位置的导水裂隙带预计方法”［27］进行预计。 而对于区内3-1 煤层以下更深部煤层的开采，若其为首采煤层、上覆无已采煤层采空区，则在预计精度要求不高的条件下，可采用17～24 倍采高的统计值来预计。 而若其属于上煤层已采的煤层群开采条件，则最终的导水裂隙顶界是否超出上煤层采后的“导高”，主要由煤层间距及上下煤层的累计采高共同而定，所以此时也无法采用采高倍数法进行估算，而应根据关键层破断裂缝导水性临界条件，按照下煤层开采扰动对上煤层已断关键层破断裂缝的活化特征来确定“导高”，具体参见文献［30］基于关键层理论形成的煤层群“导高”预计方法。

而对于Ⅲ区以及将来开发的IV 区，由于首采煤层普遍都为3-1 煤，且煤层埋深已超500 m，所以参照上述方法，在预计精度要求不高的条件下，可采用17～24 倍采高的统计值来预计。 而当进入下部更深煤层的重复开采时，尚需考虑关键层赋存特征进行预计。

3 结 论

1）统计得到了东胜煤田17 对主力矿井30 个工作面的导水裂隙发育高度，发现深部区相比浅部区覆岩采动裂采比的波动程度明显偏低。 埋深500 ～700 m 对应裂采比处于17.2 ～24，上下波动范围最小，仅1.40 倍；而埋深200 ～300 m 对应裂采比处于13.7～35.0，上下波动范围最高，达到2.55 倍。 但随煤层采高变化裂采比波动变化规律并不明显。 由此说明，单纯采用“采高倍数”法进行在东胜煤田采动覆岩“导高”的预计是不合适的，尤其是在浅部煤层开采区域。

2）基于岩层控制的关键层理论，对煤层埋深不同引起“导高”波动程度差异的原因进行了解释。覆岩7～10 倍采高范围附近关键层的位置及其数量直接决定了导水裂隙的顶界位置，“导高”波动上下差值即为7～10 倍采高范围附近关键层与其上部相邻关键层（或基岩顶界）之间的间距。 由于深埋煤层覆岩7 ～10 倍采高范围之外关键层数量相对偏多、间距偏小，因而其“导高”波动幅度并不显著；而浅埋煤层极易出现覆岩7 ～10 倍采高范围之外仅1层或无关键层的情况，引起“导高”在主关键层底界与基岩顶界之间波动，波动幅度明显提高。

3）通过对东胜煤田全区赋存3-1 煤层的地质条件调研，按煤层埋深不同将其划分为4 个分区。Ⅰ区埋深小于300 m，Ⅱ区埋深介于300 ～500 m，Ⅲ区埋深介于500 ～800 m，Ⅳ区埋深大于800 m；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区位于煤田中轴线以东，IV 区位于中轴线以西，且Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区沿着陕蒙交界线自北向南依次分布。 目前东胜煤田的密集采煤主要集中于煤田东北角的I 区浅部区，Ⅱ、Ⅲ区相对偏少，而IV 区因埋深偏大尚未开发。

4）依据煤层埋深差异对覆岩“导高”波动性的影响规律，提出了各典型分区“导高”的预计方法。其中，I、II 区煤层埋深普遍小于500 m，不宜采用传统“采高倍数”法进行估算，而应基于关键层具体赋存情况进行判别，以避免因关键层位置变化引起“导高”大幅波动而造成预计误差。 而对于Ⅲ区深部区，在预计精度要求不高时，可选择采用17 ～24倍采高的统计值进行简单估算。