采动裂隙演化研究进展及对含水层结构影响浅析

胡博文，张冀鲁，王振华，齐 浩

(河北省地矿局国土资源勘查中心，河北 石家庄 050081)

煤炭资源作为我国主要的一次消费能源，大规模的开采必然会干扰地区的原始自然生态[1]，特别是对开采区域内的生态和水文环境产生极为明显的不可逆影响，严重破坏地下水资源的赋存条件，使本来就已经十分紧张的区域水资源供需矛盾变得更加尖锐[2]。煤层开采会引起岩层的移动与破断，并在岩层中形成采动裂隙，随着开采深度和规模的逐渐加大，煤层对于顶底板隔(含)水层的采动破坏日益加重，地层骨架结构发生改变，地下水初始补径排条件遭到破坏，地下水逐渐向开采状态下的地下水流动状态演变[3]。地下水流场的演变使得原疏干含水层及采矿扰动空隙被重新填满，水化学环境发生明显变化，原始优质水源流经采矿空隙变为被污染的矿坑水[4-5]。采动裂隙的发育演化过程对生态环境和周边含水层结构中的地下水资源的质和量均产生重大影响。

当煤层开采顶底板裂隙联通性较强形成空隙通道时，这些通道将会成为层间水主要储存及释放的路径，在采面推进过程中岩层裂隙里的压力得到瞬间释放，导致采面出现较大的采动灾害事故，诸如骆驼山煤矿“3·1”透水事故，王家岭煤矿“3·28”透水事故，祁东煤矿“四含”突水压架事故[6]，红柳煤矿大规模突(涌)水事故[7]，造成一系列严重后果，产成极大的人员和物质经济上的损失。

综上所述，煤层开采引起的采动裂隙的形成和演变对于煤炭开采安全以及相邻含水层地下水演化具有重要研究意义。为提高煤炭资源利用率、发展循环经济、保护环境和人类社会可持续发展,本文以采动裂隙切入点，对采动裂隙的研究和演化过程进行归纳和浅析。

1 采动裂隙研究综述

采动裂隙按采动裂隙的性质可以分为：竖向破断裂隙、岩层层间的离层裂隙和断层面的活化[8]。贯通的竖向破断裂隙是地下水与瓦斯穿层流向回采工作面与采空区的通道；离层裂隙是覆岩软硬岩层间不同步下沉引起的，可以利用它减缓地表下沉；采动断层活化会加剧地表沉陷的危害，引发井下水与瓦斯突出事故[9]。纵观国内外专家学者对采动裂隙在煤矿开采中的一些应用研究历史，对于采动裂隙的研究大致可分为三个阶段。

1)上世纪70年代以前，采动裂隙的研究主要是从岩层移动造成的地质灾害出发，定性分析煤岩层的地质环境条件，进而运用类比法对采动裂隙的演化进行初步估计。其特点是：(1)以煤岩层赋存条件为主要研究内容；(2)研究方法主要为分析和理论提出。Halbaum(1903)将采空区上方的岩层看做是悬臂梁,导出地表应变与曲率成反比的结论；德国学者K．Stoke(1916)提出悬臂梁理论；Fckardt(1913)把岩层移动过程视为各岩层逐渐弯曲的结论；1940年匈牙利学者韦格弗伦斯提出的相对(等效)隔水层的概念[10-12]；英国矿业局(1968)颁布了海下采煤条列，对覆岩的组成、厚度、煤层采厚以及采煤方法等都作了相应的具体规定[13]。该阶段煤炭资源开采和研究提出大量理论和机理，奠定了采动裂隙研究基础，但研究处于基础认识阶段。

2)70年代至00年代，许多矿区在采动裂隙观测资料和试验性研究的基础上，总结出采动裂隙发育对煤层采出厚度、采出冒高、突水等机理的研究，并以此来指导实际生产。如刘天泉等(1981)对水平煤层、缓倾斜煤层开采引起的覆岩破坏与地表移动规律作了深入的研究，提出了导水裂隙带的概念，减少了煤炭资源损失[14]；许家林等(1997)通过对岩层移动过程中的覆岩采动裂隙动态发育特征及其影响因素进行了深入研究，提出了“覆岩离层分区隔离充填减沉法”和卸压瓦斯抽放的“O”形圈理论[15]；钱鸣高院士(2003)提出砌体梁理论，认为采场上覆岩层主要由各个坚硬岩层构成结构，当老顶随着工作面推进达到极限跨距时断裂，会形成外表似梁实质是拱的砌体梁或裂隙体梁三铰拱式平衡结构[16-17]；黄炳香等(2008)通过覆岩采动导水裂隙分布特征的模拟实验提出了采动裂隙贯通度的概念，并建立了采动裂隙导水的贯通度结构力学模型[18]。该阶段对于采动裂隙的演化开展了大量试验和研究，由基础认知转变为机理和内因的探求过程，但对于采动裂隙演化研究仍处于经验积累阶段。

3)00年代至今，专家学者对采动裂隙的研究主要集中于采动裂隙的演化规律定性的探测和定量的数值计算上。(1)采动裂隙探测研究。目前应用较广泛的采动裂隙发育高度测定方法有井下上仰钻孔注水测漏法、钻孔冲洗液法、微地震监测等方法；(2)采动裂隙演化模拟研究。王国艳(2012)[19]、王志国(2009)[20]利用分形几何理论揭示了采动岩体裂隙分维演化规律和岩层沉降的动态演化规律；张玉军、白国良[21-23]等都对采动裂隙演化模型进行了相关分析研究，其中张玉军等人对裂隙演化形态做了模拟研究；三是采动裂隙演化规律的定量描述。尹尚先等(2013)通过收集国内大量实测统计数据，充分考虑开采厚度、开采深度、煤层倾角、工作面斜长的影响，进行整合分析，优选出综采条件下较为精确的导水裂缝带的高度计算经验公式，可定量描述工程导水裂缝发育情况[24]；李春睿等(2010)通过室内相似材料模拟实验,提出了应用“双重分形”理论揭示了采场覆岩裂隙的萌生、扩展、贯通的过程。该阶段通过定性和定量的分析对于采动裂隙的研究已逐渐趋于成熟，但对于导水裂隙发育高度的研究多以模型和探测手段为主，真正从导水裂隙带形成机理角度的分析研究仍相对缺乏[25]。

目前国内学术界针对煤层采动顶板导水裂隙发育机理，以及采动裂隙演化对含水层结构的影响已开展一些研究，但研究工作仍不够系统、不够深入，研究成果仍难以满足工程实际需求，煤层采动裂隙演变研究仍是未来煤炭安全开发利用的研究重点。

2 采动裂隙探测方法浅述

煤层开采引起采动裂隙发育高度是构成煤矿顶板突水透水的关键因素之一[26]。目前国内对于确定煤层采动裂隙发育高度常用探测方法主要有：钻孔冲洗液法、钻孔电视法、钻孔深部基点法、井下上仰钻孔注水测漏法、微地震监测、微电阻率扫描等方法[27]。传统方法是钻孔冲洗液法，其原理是利用采后地面打到煤层中的钻孔在各孔段冲洗液的消耗量，来近似确定导水裂隙带的发育上界[28]，但在实际操作中，存在技术要求高，仅对中硬以上覆岩具有较好适应性，成孔费用过高工程周期长等问题，技术的应用受到极大限制，难以进行大范围推广。近些年井下上仰钻孔注水测漏法、微地震监测和微电阻率扫描法可以较好摆脱钻孔开凿耗工耗时的限制，更便于应用和推广。

2.1 井下上仰钻孔注水测漏法

井下上仰孔注水测漏法实质是向工作面内斜上方打小口径仰斜钻孔，钻孔穿过预计的导水裂缝带范围，并超过预计顶界一定高度，采用钻孔双端封堵测漏装置，向测试段注水并计算单位时间单位长度地层的漏失水量，漏失量的大小反映了测试段岩石裂隙的发育程度，以此来综合判定覆岩破坏规律和采动裂隙发育高度[27]。

井下上仰孔注水测漏法工程速度快，时间短，费用低，观测数据可靠，占地面积小，能避免地面施工占地及青苗补偿等麻烦，易于推广在采动裂隙发育高度探测中广泛应用。

李文生、李文等(2012)采用井下仰钻孔注水测漏法实测导水裂隙高度，并结合FLAC3D软件对岩移规律的数值模拟，成功探查了矿区工作面覆岩冒裂带的高度[29]；李超峰、刘英峰等(2018)对井下仰孔探测装置进行改进，消除安全隐患，提升了装置的适用性，改进后井下仰孔探测装置可靠性更高，适用性广，可更广泛应用于煤层顶板导水裂隙带高度探测[30]；种阳、张杰等(2020)通过井下仰孔注水测漏法实测导水裂隙带高度，结合模拟方法得到煤层导水裂隙带分布，并通过线性拟合建立该地区同类条件煤层导水裂隙带高度预测体系，具有推广价值[31]。

2.2 微地震监测法

微震监测是近年来应用于煤矿安全生产中的一种新技术，直接对破裂点进行监测，通过反演计算和定位，从而实现对导水通道实时监测。其原理是在井下及地面等布置检波器接收采煤时覆岩破坏与变形产生或诱导的微小地震事件，并反演获取微地震震源位置等参数，结合覆岩不同深度微震事件发生的位置、个数等信息研究煤层顶板“两带”发育高度[32]。

微地震是岩石材料变形、裂纹开裂及扩展过程中的伴生现象，微地震信号中包含有大量关于围岩受力破坏以及地质缺陷活化过程的实时信息，利用波形频谱图下的振幅、拐角频率以及岩层性质等可以对震源参数进行计算，据此可以得到岩石断裂的时空信息和强度信息，进而获得岩石的微观和宏观破坏特征[27]。微震事件监测技术已成为实时、动态、立体监测煤层采动裂隙发育的重要技术方法，尤其在定位灾害性导水通道方面具备独特的技术优势。

邓志刚、李国宏等(2012)应用微震分析法对工作面导水裂缝带高度进行研究，根据微震事件分布规律确定了工作面导水裂缝带高度[34]；丛森、程建远等(2017)基于井-地联合微震监测工作面导水裂隙带发育高度的监测成果,分析了微震事件的空间分布特征和在垂直方向的数量特征，表明井-地联合微震监测具有较高的定位精度[35];靳德武、段建华等(2021)结合微震监测原理，提出基于微震能量密度及岩层破裂连通度反演导水通道的识别方法，为推动微震监测技术在底板水害防治中的应用提供了一条新途径[33]。

2.3 微电阻率扫描成像法

微电阻率扫描成像法原理是基于不同岩样在充水条件下应力-应变全程电阻率的变化，给出在采动过程中煤层底板岩层产生导水裂隙时的导电性变化规律，并以此为基础建立采动导水裂隙带动态演化地电模型。利用三维电法正演软件对此地电模型进行正演数值模拟，得出煤层底板导水裂隙演化过程中的视电阻率响应特征[36]。

李涛，冯海等(2016)为评价煤炭开采度对含水层下伏采动土层的影响，采用微电阻率扫描成像测井进行探测，成功揭示了煤炭开采导水裂隙在土层中的发育规律[37]；王苏健，陈通等(2017)在分析张家峁煤矿土层基本特征的基础上,成功采用微电阻率扫描成像测井技术对张家峁煤矿煤层采空区上覆土层中裂隙带发育情况进行了探测[38],探测效果良好。

3 采动作用煤矿地下水演变浅析

采煤过程中，围岩破坏使隔水层与含水层骨架发生变化，初始地下水补径排条件被破坏，大量矿井水的疏排，导致地下水流场向采煤状态下的地下水循环模式演变，当采动裂隙发育高度波及上覆含水层时可导通含水层,导致地下水位急剧降低,产生降落漏斗。采动导水裂隙带发育高度-含(隔)水层结构破坏-地下水位下降-地下水流场变化等一系列矿井水文地质过程和机理的研究对于矿区的开采安全和可持续至关重要[39-40]，也是矿区安全开采研究的热点。

近年来，由于矿区安全问题的频发，覆岩下地下水流场的变化作为主导因素之一，受到专家学者的关注，基于公式计算，理论分析和数值模拟等多种方法，开展采动条件下采动裂隙发育特征和地下水演变特征的研究。

陈社明，王威等(2015)在查明地区水文地质条件的基础上，利用Visual Modflow软件构建地下水水流模型，进行矿山开采过程中不同含水层水位变化特征的预报，结果表明，矿山开采过程中临近含水层水位均出现明显下降[41]。

代锋刚，张发旺等(2017)以山西潞安矿区为研究对象，结合理论分析和数值模拟对群矿开采条件下含水层结构变异对区域地下水循环机制影响开展深入研究，揭示群矿采煤驱动下地下水循环演变特征和地下水资源再分布规律。

柳宁，赵晓光等(2019)通过公式估算法、瞬变电磁法和GMS地下水数值模拟法，对榆神府地区煤炭开采不同开采阶段下，覆层含水性和地下水流场的演变进行分析，研究发现煤炭开采会引起地下水水位下降，覆岩含水性降低，引起含水渗漏，最终改变原始地下水流场，形成地下水降落漏斗。

张耀文，张莉丽等(2021)以梨园河煤矿为例，在分析研究区水文地质条件的基础上，结合采动裂隙对含水层结构的破坏程度，采用数值模拟方法预测煤矿多年开采下，不同含水层地下水流场动态特征，碎屑岩类裂隙含水层相比松散岩类孔隙含水层受矿井排水影响，地下水位大幅降低，地下水流场变化更为明显。

矿区煤层的采动会对临近含(隔)水层得结构产生影响，进而引起地下水流场的变化，对矿区开采安全产生威胁，煤层采动下含水层结构的演变规律，仍将会是煤炭开采中的水灾害防治，水资源合理开发和高效利用的关键研究环节。

4 未来研究趋势

针对新的采动裂隙演化对含水层结构的影响和出现的新问题,认为采动裂隙演化新的研究思路和方向还应包括以下几方面:

(1)由于对岩层内部移动的动态过程难以清楚地了解，因而难以掌握岩层采动裂隙动态发育规律，所以在动态发育规律方面还有待进一步研究。

(2)从可持续发展、循环经济及绿色开采的战略高度来认识,未来的水资源将成为紧缺资源，应尽早研究和实施保水采煤战略、水资源合理开发和高效利用、煤炭开采中的水灾害防治等多重内容。

(3)随着我国经济的发展，水资源也越来越成为很关键的制约因素，所以矿床开采后水资源的结构变化规律也需要投入更多的研究，其中包括采动裂隙影响下的水的动态变化情况、水资源量的变化情况等。

(4)导水裂隙带发育高度的确定对于保证矿区的安全生产和地下水开发利用具有重要意义，现今对于导水裂隙发育高度的探究以模型和公式的预测和多方法裂隙探测为主，结果直接应用于实际生产，但真正从导水裂隙带形成机理的角度的进行研究，以及形成演化机理框架的构建，系统的梳理归纳仍相对贫乏。因此，从机理角度研究采动裂隙影响下的导水裂隙高度的预计新方法具有十分重要的理论与实用价值。