浅埋煤层群开采覆岩导水裂隙带发育规律

李海军

(陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西 榆林 719300)

0 引言

我国西部拥有大量的浅埋煤层煤炭资源。其中，陕北侏罗纪煤田是我国探明储量最大的煤田之一，占全国煤炭储量的14%。该煤田煤层埋藏浅，赋存煤层多，为主要开采煤层群。我国西部浅埋煤层群绿色开采，对经济建设具有重要战略意义[1-3]。

神南矿区各矿井大多主采煤层属于大采高煤层，大部分区域的第一煤层开采完毕，进入第二、三主采煤层开采，煤层群下部煤层开采时容易出现来压强度大，来压迅猛，动载系数大，台阶下沉，压架冒顶等剧烈来压现象[4-6]。浅埋煤层开采实践表明，开采后覆岩中只存在冒落带和裂隙带，为导水裂隙带。若导水裂隙带发育高度达到覆岩隔水层后，可能会造成井下突水或淹井灾害事故，影响区域生态平衡。刘天泉[7]提出了“覆岩破坏学说”，是国内研究导水裂隙带发育机理的基础。施龙青等[8]建立了基于采场顶板“上四带”划分理论。曹丁涛等[9]研究了导水裂隙带发育高度与多因素影响之间的关系式。黄庆享等[10]利用分形力学和理论力学，将裂缝带又分为“似连续带”和“块体铰接带”，提出“上行裂隙”和“下行裂隙”是影响隔水层稳定性的重要因素。马雄德等[11]进行了神南矿区采煤导水裂隙带高度预测，发现导水裂隙带高度与煤层采厚关系密切，呈非线性关系。

尽管关于神南矿区导水裂隙带高度进行了许多研究，但目前针对红柳林煤矿煤层群开采导水裂隙带高的实测研究甚少。因此，开展红柳林煤矿导水裂隙带高度研究十分有必要，一方面为红柳林煤矿的安全生产提供技术保障，另一方面为陕北浅埋煤层群工作面的开采提供借鉴意义。

1 工作面条件和钻孔施工

1.1 工作面地质及开采条件

红柳林煤矿所属神南矿区，核定生产能力达到1 500万t/a，5-2号煤层、4-2号煤层为主要可采煤层。24201工作面为4-2号煤层首采工作面，工作面可采推进长度为2 064 m，综采工作面倾向布置长度为283 m；24201工作面下部为5-2号煤层25207工作面，2个工作面近似重叠布置，25207工作面上覆基岩厚度为107～108 m，松散层厚度21～101 m。该工作面平均开采厚度6.2 m，与4-2号煤层间隔岩层厚度为59 m，工作面对应关系如图1所示。

图1 煤层群工作面平面位置Fig.1 Plane position of coal seam group working face

1.2 钻孔施工

为了掌握煤层群工作面导水裂隙带发育规律，在24201工作面施工2个导水裂隙带钻孔，其中SK1号钻孔距离顺槽边界80 m，SK2号钻孔位于工作面中心，施工现场如图2所示。

图2 钻孔施工现场Fig.2 Drilling construction site

2 导水裂隙带高度实测

2.1 图像观察分析

根据测井图像观察分析，如图3所示，SK1钻孔从套管底端开始可以观察到斜向裂隙，延伸较短，随着孔深增大，裂隙密度增加，且裂隙延伸增大；孔深62 m以下孔壁多为裂隙空洞，裂隙发育密集，孔壁不完整。因此，说明导水裂隙带已经延伸至基岩面以上。同样，SK2钻孔在孔深59 m处有裂隙空洞，说明导水裂隙带已延伸至基岩面以上，如图4所示。

图3 SK1钻孔测井结果Fig.3 Logging results of SK1 borehole

图4 SK2钻孔取芯结果Fig.4 SK2 drilling coring results

2.2 冒采比分析

SK1钻孔冒落带顶界位置为67 m，该钻孔处4-2号煤层底深度为83.40 m，故冒落带高度为16.40 m，冒采比为5.7。SK2钻孔冒落带顶界位置为82.70 m，该钻孔处4-2号煤层底深度为98.20 m，故冒落带高度为15.50 m，冒采比为5.4。综合分析对比测定，红柳林煤矿4-2号煤层冒采比为5.5。

2.3 导水裂隙带高度

利用收集到神南矿区周边煤矿的斜长与导水裂隙带高度发育数据(表1和图5)，裂隙带高度随工作面斜长增长而增大，在工作面斜长250～300 m，裂隙带增加速率降低，趋于平缓。

表1 各矿工作面斜长与导水裂隙带高度Table 1 Oblique length of working face and height of water conducting fracture zone in each mine

图5 工作面斜长与导水裂隙带高度Fig.5 The oblique length of working face and the height of water conducting fracture zone

随着工作面采高从2 m增大至7 m，覆岩导水裂隙带的高度呈整体增大的趋势，线性相关性达75%，如图6所示，统计结果具有一定的借鉴意义。因此，结合本次研究红柳林煤矿4-2号煤层和5-2号煤层实际开采高度分析得出，在采高3 m左右，导水裂隙带发育高度与采高的比值(裂采比)大约为27；采高6 m左右时，裂采比大约为28.5。

图6 工作面采高与导水裂隙带高度Fig.6 Mining height of working face and height of water conducting fracture zone

3 导水裂隙带高度物理模拟

4-2号煤层工作面继续推进到65 m时，基本顶发生初次垮落，顶板垮落带高度约为12.5 m，覆岩出现明显的离层空间，离层高度约为23 m，离层裂隙宽度为0.8 m，基岩垮落角70°。4-2号煤层工作面推进至175 m时已达到充分采动，基本顶出现第6次周期来压，在工作面上方红土与黄土层交界处发育新的下行裂隙，工作面裂隙带高度约90 m。6次周期来压步距分别为20.5 m、16.05 m、14.55 m、16.95 m、19.65 m、22.05 m，平均为18.3 m。

5-2号煤层埋深为190 m，位于4-2号煤层底板下方66 m，采高为6.2 m。当5-2号煤层工作面推进至60 m时，老顶初次来压，间隔岩层垮落高度10.5 m，切眼侧基岩垮落角为63°，如图7所示。

图7 5-2号煤层工作面初次来压Fig.7 First weighting of No.5-2 coal seam working face

5-2号煤层工作面推进至136.5 m时出现第5次周期来压，来压步距18 m，两煤层的层间覆岩完全发生垮落，同步引起4-2号煤层上覆岩层移动，采空区已稳定的岩层再次发生移动，原已压实闭合的裂隙再次发育，如图8所示。

图8 5-2号煤层间隔岩层完全破断Fig.8 Fracture of interval strata in No.5-2 coal seam

5-2号煤层工作面共推进262.5 m，工作面共发生10次周期来压，平均周期来压步距为14.5 m，如图9所示。回采结束后工作面冒落带高度为35.2 m。

图9 5-2号煤层第10次周期来压结束Fig.9 10th periodic weighting of No.5-2 coal seam

由4-2号煤层及5-2号煤层的物理相似模拟实验结果可以得出，4-2号煤层回采结束时，工作面上覆岩层冒落带高度为14.8 m，冒采比为5.16，导水裂隙带高度为90 m，裂采比为31.3；5-2号煤层回采结束时，工作面上覆岩层冒落带高度为35.2 m，冒采比为5.87；回采后裂隙贯穿至地表，裂采比31.7。

4 结论

(1)现场实测得出红柳林煤矿4-2号煤层冒采比为5.5；结合工程类比分析得出：导水裂隙带发育高度与采高和工作面斜长基本呈线性增大的趋势。采高3 m左右时，裂采比约为27；采高6 m左右时，裂采比约为28.5。

(2)根据物理模拟实验，4-2号煤层回采结束时，工作面上覆岩层冒落带高度为14.8 m，冒采比为5.16，与实测结果(冒采比为5.5)基本吻合，裂采比为31.3；5-2号煤层回采结束时，工作面上覆岩层冒落带高度为35.2 m，冒采比为5.87，工作面回采过程中裂隙发育均贯穿至地表，裂采比为31.7。