采空区下近距离煤层开采导水裂隙带发育规律研究

郭斌

（忻州市应急管理局，山西 忻州 034000）

1 概 况

东峰煤业井田位于山西黄土高原的中部，矿井批准开采8 号、9 号煤层，8 号煤层位于太原组下段顶部，L1灰岩之下，上距7 号煤层平均24.67 m，下距9 号煤层平均3.68 m；7 号煤层、9 号煤层基本未采动，结构为1.4～1.6 m〈0.02～0.1 m（局部）〉 1.6～2.94 m，平均厚度3.6 m，煤层倾角为-2°～6°，结构简单，含1 层夹矸，为井田稳定可采煤层。煤层基本顶为L1灰岩，9 号煤层上距8号煤层平均3.68 m，煤层均厚3.1 m。矿井现阶段开采9 号煤层，9 号煤层盖山厚度较大，地表无煤层露头，无河流、水源井、小窑井口分布，无塌陷等地表水滞留地形条件，预计地表水对该工作面正常开采影响较小。9 号综采工作面顶板上距L1石灰岩含水层平均距离9.0 m，L1石灰岩含水层平均厚度为2.3 m，富水性较弱；上距K3石灰岩含水层32.85 m，K3石灰岩含水层厚度为6.38 m，富水性中等；上距K2石灰岩含水层47.98 m，K2石灰岩含水层厚度为10.43 m，富水性较好。

根据钻探情况分析，L1薄层石灰岩含水层该含水层单位涌水量小于0.05 L/s·m，充水强度较弱，对回采影响较小；K3石灰岩含水层单位涌水量小于0.07～0.11 L/s·m，充水强度较弱，对9 号煤层采煤工作面正常生产影响较小；K2石灰岩含水层单位涌水量小于0.78～1.15 L/s·m，充水强度中等，可能对9 号煤层采煤工作面正常生产产生影响。9号煤层底板高程1 053～1 091 m，井田内奥灰水位推测标高为884—886 m，奥灰水位低于9 号煤层底板177 m，因此奥灰岩溶水不会对8101 工作面造成威害。

根据9 号煤层水文地质条件可知，煤层主要充水水源为顶板岩层内，导水裂隙带发育高度对于工作面涌水水源、涌水量预测及水害治理措施的设计具有重要意义，因此采用相似模型、现场实测手段对该工作面导水裂隙带发育高度展开相关研究。

2 相似模型

2.1 相似模拟模型的建立

相似模拟实验将工程实体按比例缩小，采用自行研制的测试平台，以河砂为骨料，石膏为水泥，石灰为填料，按不同比例模拟软、中、硬岩层，用白云母片作为岩层间的节理面。通过对东峰煤业9号煤层一采区地质资料的分析，确定模拟实验的地层，实验中以1∶100 的比例模拟煤层重复开采条件下覆岩裂缝的发育和演化。模拟地层厚度约100 m，长约100 m，厚约20 m，7 号煤层上覆岩层厚度为52 m，7 号煤层厚度0.7 m，与下方8 号煤层间岩层厚度24 m，8 号煤层厚度3.6 m，9 号煤层厚度3.1 m，模型详情如图1 所示。

图1 相似模型概念示意图Fig.1 Concept diagram of similar model

2.2 重复采动下覆岩裂隙发育及演化特征

将模型划分为一次煤层开挖和二次煤层开挖，每层开挖80 cm（模拟工作面回采80 m），8 号煤层、9 号煤层均由左侧开挖，在开挖过程中，利用摄像机记录煤层和上覆岩石的变化。上煤层开采前，下煤层和顶板存在大量原生裂隙，上层煤采矿引起应力变化，导致这些主裂缝扩展成各种形式的新次生裂缝。

图2 为近距离煤层组上层煤初采覆岩裂隙形成、发育与演化模拟结果。8 号煤层工作面开挖10 m 时，顶板完好无损，无明显裂缝，围岩状况良好，相反底板岩层出现明显的破坏现象，表明顶板岩层强度更低；当8 号煤层工作面开挖至80 m 时，直接顶基本已全部垮塌，上覆岩层裂缝向上发育，工作面前方顶板呈悬臂梁结构，工作面推进方向中部区域顶板冒落高度最大，冒落带高度约为15 m，上覆岩层内出现明显的裂隙发育和局部轻微破碎现象，裂隙带发育高度约为15～45 m。综上所述，近煤层组上煤层开采过程中覆岩裂隙发育模式与单煤层相似，工作面后方基本顶板破碎，上覆岩体裂隙呈阶梯沉降。

图2 上层煤采动期间覆岩裂隙发育模拟结果Fig.2 Simulation results of overburden fracture development during upper coal mining

图3 为近距离煤层组二次开采时上覆岩裂隙发育及演化的模拟图，可以看出，9 号煤层工作面开挖10 m、25 m 时，层间岩层保持稳定，上覆岩层无明显裂缝和垮塌，顶板和底板完好无损，围岩状况良好，说明此时下层煤的开采并未对上覆采空区稳定造成显著影响，上覆岩层冒落高度和裂隙发育范围无明显增大；在9 号煤层工作面开采30 m 时，层间岩层第一次破裂坍塌，且上覆岩层出现明显的垮落现象，并且导致裂隙发育范围扩大；后续工作面开采期间，层间岩层呈阶段性垮落特征，上覆岩层冒落高度和裂隙发育高度逐渐增大；在9 号煤层工作面开采78 m 时，层间岩层全部破坏垮落，上覆岩层冒落范围和裂隙发育范围较9 号煤层开采前显著增大，冒落带高度约为30 m，裂隙明显发育的岩层高度范围为30～58 m。

图3 下层煤期间覆岩裂隙发育模拟结果Fig.3 Simulation results of overburden fracture development during lower coal mining

综上所述，下煤层二次开挖时上覆岩移动及裂隙发育规律与一次开采时不同。下煤层覆岩在开采扰动下更容易发生局部失稳和破裂，导致顶板垮落步距减小，下煤层工作面初次来压步距30 m，后续周期来压步距约10 m，与单一煤层开采相比，近距离采空区下工作面来压更为频繁。在下煤层回采过程中，上煤层的垮落矸石将荷载转移给下煤层，导致下煤层覆岩上形成新的砌体梁结构。随着工作面不断推进，采空区中部顶板裂隙发育扩大，覆岩的稳定状态再次被打破，采空区顶板岩层冒落范围和裂隙带发育范围再次增大，9 号煤层开采后冒落带高度约为30 m，裂隙带发育范围为30～58 m。

3 现场实测

为研究9 号煤层顶板裂隙区演化特征，采用钻孔双端堵漏法进行现场监测，旨在为确定覆岩裂缝发育规律提供现场数据支持。在东峰煤矿9101 运输顺槽及回风顺槽内设计布置顶底板钻孔，观测孔的布置如图4 所示，采用钻孔双端堵漏检测方法，对上覆岩层“三带”进行了观测分析。

图4 顶底板观测钻孔布置Fig.4 Observation drilling hole layout in roof and floor

东峰煤矿9 号煤层顶底板裂隙发育情况观测任务历时90 d，在此期间工作面推进了660 m，完成了导水裂缝带观测任务，提供了可靠的现场观测数据。根据各观测孔的漏失数据绘制出钻孔漏失量变化曲线，如图5 所示。

图5 采前、采后顶底板钻孔漏失量实测结果Fig.5 Measured results of drilling hole leakage of roof and floor before and after mining

由图5（a） 可知，对于采前顶板钻孔漏失量变化，观察到当钻孔穿过煤层时，有明显的漏失量增加。对比采前、采后观测数据可以看出，随着孔深超过30 m，采后、采前顶板钻孔的流量差逐渐增大，工作面开采前，在50 m 深度以上，漏失流量有减小的趋势，但采后顶板钻孔的漏失流量仍呈现增大趋势，且明显大于工作面开采前，这表明30～50 m 范围是裂隙较为发育的区域，裂隙在50～66 m 内持续存在，但发育程度较低。由此可计算出观测范围内对应的垂向高度，裂缝带高度为28.7～55.5 m。

由图5（b） 可知，当钻孔深度超过6 m 时，开采前与开采后漏失量差距逐渐增大，说明该范围内岩层破碎间严重，计算出相应的垂向深度为5.2 m，即底板明显破坏深度范围为5.2 m。

4 结 论

（1） 通过建立物理相似模型模拟研究表明，东峰煤矿上位8 号煤层开采时，对底板岩层及9 号煤层造成一定破坏，冒落带岩层高度为15 m，裂隙带发育高度范围为15～45 m；9 号煤层开采后冒落带岩层高度达到30 m，裂隙带发育高度范围为30～58 m。

（2） 在东峰煤矿9101 工作面开展双端封堵测漏法实测研究表明，顶板岩层裂缝带高度为28.7～55.5 m，底板明显破坏深度范围为5.2 m。

（3） 此次研究结果表明，通过物理相似模拟得到的裂隙带发育范围与实测结果较接近，近距离煤层分层开采覆岩垮落及裂隙发育与单层煤开采存在明显差异，采用传统的覆岩“三带”经验公式无法准确预测下层煤开采覆岩“三带”的发育规律，可采用物理模拟实验或现场实测的方式展开“三带”发育规律的研究。