煤层过沟开采覆岩破坏特征及地表水入渗规律研究

蔚 波，王 皓，尚宏波

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077）

随着我国煤炭开采重心的转移，西部矿区已成为我国煤炭资源供应的主要基地[1]。该区域煤层开采过程中，导水断裂带在浅埋及过沟区域发育至地表，造成地表破坏，地表水体沿着导水断裂带入渗至采煤工作面，对矿井安全开采造成严重的威胁。同时因西部矿区生态环境脆弱，开采造成地表水及地下水流失对矿山生态环境产生严重的影响[2-3]。因此，为实现煤炭资源开采与矿区生态环境保护的协同发展，研究煤层过沟开采覆岩破坏特征及地表水体入渗规律对于确保工作面安全高效开采具有重要的现实意义[4-6]。

针对上述问题，诸多科技工作者在该领域开展了大量的研究工作。钱鸣高[7]等指出了开采扰动必然引起岩层运动和地层内应力场与裂隙场的改变，从而影响矿压显现、地下水流失和地表破坏等安全与环境问题；范立民[8-10]等通过资料收集与实地调查的方法，研究了榆神府矿区高强度煤层开采对地下水的影响，得到了导水断裂带和含水层特征是煤层开采过程中控制地下水位变化幅度和范围的关键所在；黄庆享[11-12]等通过物理模拟与地裂缝实测分析，揭示了覆岩“上行裂隙”和“下行裂隙”的发育规律；王新丰[13]等采用数值模拟、物理实验与现场监测的手段，对采场覆岩运移及裂隙分布的动态演化特征和时空耦合规律进行了系统的研究，探讨了覆岩位移场及顶板裂隙场的动态响应机制；贾后省[14]等通过相似模拟、理论分析及现场实测的综合研究方法，分析了浅埋薄基岩采煤工作面上覆岩层纵向裂隙“张开-闭合”的规律；杨达明[15]等通过实验测定了工作面顶板覆岩的微观结构及宏观力学性质，研究了工作面覆岩裂隙及结构特征；马立强[16]等分析了浅埋煤层长臂工作面保水开采地表水位的变化，研究结果为浅埋煤层矿区的生态环境建设和提高煤炭资源回收率提供借鉴；任艳芳[17]等采用物理相似模拟，分析了浅埋深长臂工作面覆岩破断特征；黄炳香[18-20]等研究了破断裂隙的贯通度，同时分析了断层对导水断裂带发育高度的影响；Wu Q[21-22]等在分析了煤层开采顶板岩层变形破坏的基础上，讨论了煤层开采引发的矿井突水溃沙、地表裂缝塌陷、水源地破坏等问题。

上述研究主要从顶板覆岩破坏规律、导水断裂带发育情况、保水开采地表水位变化规律、煤层开采矿井突水溃沙等方面进行了理论研究和工程实践，但目前关于煤层过沟开采覆岩破坏特征及地表水入渗规律的研究较少。为此，针对煤层过沟开采过程中存在的问题，研究覆岩破坏特征及地表水体沿导水断裂带入渗采煤工作面的过程，旨在为工作面安全高效的回采提供指导。

1 研究区水文地质特征

研究区属于鄂尔多斯黄土高原，地表被黄土和风积沙大面积覆盖，地形总趋势是西南高，东北低，海拔约+1 110～+1 346 m，高差236 m。年平均降水量408 mm，最大降水量247.5 mm/月，总蒸发量为1 824.7～2 204.6 mm/a。所选研究区为准格尔矿区典型工作面，开采过程中地表沟谷内的季节性河流穿过该工作面，地表河流及典型工作面位置如图1。

图1 地表河流及典型工作面位置Fig.1 Location of surface river and typical working face

研究区内的典型工作面主采煤层为6#煤，煤层倾角为2°～6°，为近水平煤层，煤层厚度为5.66～25.51 m，平均厚度为15.59 m，埋深166.80～478.00 m。通过钻孔资料分析，研究区内的主要含水层包括第四系孔隙含水层、白垩系孔隙裂隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层及奥陶纪岩溶裂隙含水层。其中第四系孔隙含水层、白垩系孔隙裂隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层位于6#煤之上。根据地面钻孔勘探资料，统计典型工作面及附近的7 个钻孔数据中各岩层厚度并取平均值，得到的典型工作面地层柱状图如图2。

图2 典型工作面地层柱状图Fig.2 Typical working face strata histogram

野外观测发现，研究区典型工作面回采过程中导水断裂带已经发育至地表，在雨季时沟谷内将会形成季节性河流，地表水体沿着导水断裂带进入矿井，严重威胁矿井安全生产。因此，研究典型工作面煤层过沟开采覆岩破坏特征及地表水的入渗规律对于矿井安全回采具有重要意义。

2 煤层过沟开采覆岩破坏特征

2.1 地层物理力学性质

获取地层物理力学参数是煤层过沟开采覆岩破坏特征研究的基础。为更清楚的认识各地层的性质，通过典型工作面地面钻孔对不同埋深的地层取样，并进行相关的物理力学性质测试，得到的各地层物理力学参数见表1。

表1 各地层物理力学参数Table 1 Formation physical and mechanical parameters

2.2 煤层过沟开采覆岩破坏数值模拟

基于典型工作面工程地质条件及钻孔资料，采用UDEC 建立符合实际地层的数值模型，研究过沟开采后覆岩破坏特征。由图1 可知，典型工作面上方有河流穿过，当煤层开采后导水断裂带发育至地表，沟谷内的季节性河流将会沿着断裂带进入矿井。工作面上方沟谷是季节性河流水体进入矿井的主要区域，因此选取沟谷附近区域并按照地层的综合柱状图，建立长度600 m、高度333.52 m 的二维数值模型。根据工作面上方实际沟谷位置及深度，模型中设置2 处沟谷，沟谷1 深10 m，沟谷2 深6 m，煤层过沟开采覆岩采动数值模型如图3。

图3 煤层过沟开采覆岩采动数值模型Fig.3 Numerical model of overburden mining in coal seam mining through gully

模型左右边界、下边界为位移固定，左右边界施加围压，模拟采场实际受力情况。模型主要分析煤层过沟开采覆岩破坏特征，模拟方案为自右向左走向推采，考虑模型边界效应，预留煤柱100 m，每次推采50 m，共推采300 m。不同推采距离下覆岩破坏特征如图4。

图4 不同推采距离下覆岩破坏特征Fig.4 Failure characteristics of overburden under different advancing distances

由图4 可以看出，当工作面推采至50 m 时，顶板裂隙开始发育，基本顶上部出现离层现象，采空区中部出现少量纵向破断裂隙，随着工作面继续推采，直接顶泥岩随采随落。当工作面推采至100 m 时，基本顶发生初次垮落，即出现初次来压，此时断裂带高度约为98 m。随着工作面推采距离的继续增加，基本顶发生周期性垮落，覆岩垮落高度及断裂带发育高度也随之发生变化。当工作面推采至200 m时，顶板裂隙继续发育，断裂带发育至地表沟谷2处，推采至300 m，断裂带发育至地表沟谷1 处，此时断裂带直接贯穿地表，采空区中部由于矿山压力的作用形成压实区，压实区采动裂隙密度减少。由于该地层属于软硬相间的地层结构，使得采场上方采动裂隙较为发育，特别是切眼和工作面上方区域，采动裂隙发育范围较大，采动裂隙主要集中在切眼和工作面上方岩体。煤层开采后，导水断裂带发育至地表，沟谷内的季节性河流水体沿着导水裂隙带进入矿井，造成灾害性的突水事故。数值计算得到的导水裂隙带的最大高度为230～250 m。同时，采用钻孔冲洗液漏失量法对过沟开采典型工作面导水断裂带高度进行现场实测，通过井下向工作面施工仰斜钻孔，沿钻孔进行分段封堵注水，测定钻孔各段的漏失量，通过分析钻孔漏失量实测数据，最终确定过沟开采典型工作面现场实测的最大导水断裂带高度为225～245 m。模拟结果与实测结果基本吻合，表明建立的煤层过沟开采覆岩破坏数值模型是可靠的，能够为地表水入渗规律研究提供基础。

3 煤层过沟开采地表水入渗规律

3.1 地表水入渗模型

煤层开采后导水断裂带沟通地表，地表水体发生漏失，其中沟谷内的季节性河流会沿着导水断裂带进入矿井，对矿井的安全生产造成威胁。

3.1.1 过沟开采覆岩破坏采动裂隙提取

为研究煤层过沟开采地表水沿断裂带入渗规律，探究地表水入渗矿井水量。以煤层过沟开采覆岩破坏特征数值模拟结果为基础，选取50、100、200、300 m 4 种推采距离，提取覆岩破坏形成的采动裂隙，煤层过沟开采覆岩采动裂隙提取如图5。

图5 煤层过沟开采覆岩采动裂隙提取Fig.5 Extraction of mining induced fractures in overburden of coal seam through gully

由图5 可以看出，煤层开采后，顶板岩层移动变形产生张开裂隙和闭合裂隙。图5 中黑色代表张开裂隙，红色代表闭合裂隙，其中张开裂隙包括了岩层离层裂隙和穿层裂隙。随着推采距离增加，导水断裂带逐渐向上发育，推采至200 m 时，导水断裂带沟通地表。当导水断裂带沟通地表后，地表水体以导水断裂带为入渗通道进入采煤工作面造成矿井涌水。

3.1.2 模型和参数及边界条件

为进一步研究过沟开采地表水沿导水裂隙带入渗规律，采用COMSOL 数值软件，将图5 中提取得到的采动裂隙导入，构建煤层过沟开采地表水入渗数值计算模型，研究地表水入渗规律。以推采50 m和300 m 为例，地表水入渗数值计算模型如图6。

图6 地表水入渗数值计算模型Fig.6 Numerical model of surface water infiltration

地表水主要沿着采动形成的断裂带进入矿井，其余采动裂隙未沟通地表的区域地表水很难进入矿井。为简化模型，可将除采动裂隙外的区域视作1 个整体，并定义整个地层的参数进行相应地数值计算。根据现场注水试验，测试得到渗透系数，取平均值定义数值模型中地层渗透系数为0.034 m/d。按照表1中的各岩层的孔隙率取其平均值，定义整个地层孔隙率为0.05。

模型上边界设置2 处沟谷，当雨季来临时，沟谷内形成季节性河流，雨季时实测沟谷内的水位约为1 m。因此，按照实际情况，模型沟谷处的边界设定为1 m 的水头，模型左右边界与底部边界设置为无流动边界。

3.2 数值模拟结果

通过采动裂隙提取与数值模型构建，对不同推采距离下的地表水入渗模型进行数值计算，分析煤层过沟开采地表水入渗规律。工作面推采至200 m，采动裂隙沟通地表沟谷。因此，以工作面推采距离200、300 m 的2 种工况为例，给出的不同推采距离下地表水入渗规律如图7。

由图7 可以看出，红色表示采动裂隙中地表水的体积分数为100%，即地表水充满采动裂隙，蓝色表示地表水的体积分数为0，即没有地表水进入。工作面推采200 m 时，采动裂隙发育至地表沟谷2。当t=1 h 时，沟谷2 中的地表水开始沿采动裂隙入渗至工作面，工作面及上方大裂隙中地表水的体积分数明显大于其余裂隙。随着时间增加，采动裂隙中的地表水量逐渐增大，其在采动裂隙中的体积分数随之增加。工作面推采300 m 时，采动裂隙发育至地表沟谷1，沟谷内的地表水沿采动裂隙入渗至工作面，并在工作面及上方大裂隙中汇聚，随着时间增加，采动裂隙及工作面的地表水体积分数逐渐增加并趋于稳定。

图7 不同推采距离下地表水入渗规律Fig.7 Infiltration law of surface water under different advancing mining distances

为进一步量化地表水进入采煤工作面的水量，对工作面域内Ω 的流速u（m/h）进行实时积分，即Q=∬uaΩ，得到地表水入渗工作面的水量Q（m3/h）。得出的不同推采距离下采煤工作面水量随时间变化曲线如图8。

图8 不同推采距离下采煤工作面水量随时间变化曲线Fig.8 Variation curves of water volume in coal face with time under different advancing distances

由图8 可知，当工作面推采至50 m 时，采动裂隙未沟通地表，地表水未能进入工作面，因此工作面的水量为0 m3/h。当工作面推采至200 m 时，采动裂隙沟通地表，地表水沿裂隙入渗至工作面，水量增加至10.4 m3/h 左右后达到稳定状态。同样地，当工作面推采至250、300 m 时，地表水入渗工作面的水量分别增加至14.3、19.7 m3/h 左右后达到稳定。此外，随着推采距离的增加，地表水入渗至工作面的稳定水量相应地增大，这是因为随着推采距离的增加，上覆岩层采动裂隙发育更为充分，形成的导水通道较多，地表水入渗至工作面的水量更多。

为进一步验证数值计算的可靠性，以工作面推采300 m 为例，对比分析现场实测与数值计算得到的数值，数值计算与现场实测采煤工作面水量对比曲线如图9。

图9 数值计算与现场实测采煤工作面水量对比曲线Fig.9 Comparison curves between numerical calculation and field measurement of water quantity in coal face

由图9 可以看出，随着时间的增长，数值计算得到的工作面水量首先快速增大后逐渐稳定，推采300 m 后工作面最终稳定后的水量为19.7 m3/h。现场采用水泵排量法测定了采煤工作面的水量，实测工作面稳定水量为20.7 m3/h。现场实测水量略高于计算值，分析原因主要是数值计算中的水量只包含地表水入渗工作面的情况，实测水量中除地表水外，上覆含水层中的残余水会沿着采动裂隙进入工作面，虽然煤层开采前对上覆含水层进行了提前疏干，但仍可能残留少许水量，因此造成实测水量略高于数值计算水量。现场实测与计算的工作面水量相差不大，表明数值计算得到的地表水入渗工作面的水量具有一定的可靠性。

4 结 语

1）基于研究区典型工作面工程地质条件及地层性质，采用UDEC 建立了煤层过沟开采数值模型。随着工作面推采，导水断裂带逐渐向地表发育，当工作面推采至200 m 时，导水断裂带发育至地表。数值计算中导水断裂带最大高度为230～250 m，现场实测导水断裂带高度为225～245 m，数值计算与现场实测结果基本吻合。

2）以煤层过沟开采覆岩破坏数值模拟结果为基础，提取覆岩采动裂隙并导入COMSOL，构建了煤层过沟开采地表水入渗模型，分析了工作面不同推距离下的地表水入渗规律。当工作面推采200、250、300 m 时，地表水沿裂隙入渗至采煤工作面，稳定后的水量分别为10.4、14.31、9.7 m3/h。以工作面推采300 m 为例，对比分析了数值计算与现场实测的稳定水量，数值计算与现场实测稳定后的水量分别为19.7、20.7 m3/h，两者所得结果相差较小。