趙蘭春，王樹營，于建新

(山東能源新汶礦業(yè)集團地質勘探有限責任公司，山東 泰安 271222)

煤炭的高強度開采，往往會導致其上覆巖層發(fā)生變形或破壞，其隔水性能也不斷下降，易造成頂板透水事故。因此，為減少礦井突透水風險，相關學者均對此進行了研究。文獻[1]針對新疆榆樹泉煤礦，選用井下仰孔注水測漏法，采用“雙端堵漏系統(tǒng)”觀測分析取得導水裂隙帶的有關數(shù)據，經瞬變電磁探測對比、數(shù)值模擬綜合分析驗證得出開采下10 煤層的“三帶”高度。文獻[2]對大南湖礦區(qū)七號礦井，利用瞬變電磁勘探劃分出頂板相對富水區(qū)，結合導水裂隙帶發(fā)育特征，使用“三圖-雙預測法”對礦井3 煤頂板突水危險性分區(qū)進行預測，劃分出安全及危險區(qū)。文獻[3]為研究采動覆巖裂隙發(fā)育變化規(guī)律，建立了基本頂初次來壓的力學模型，后采用RFPA2D數(shù)值模擬軟件，研究了覆巖破斷裂隙發(fā)育變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)頂板裂隙帶的位置不斷向上發(fā)育，采場上部的卸壓區(qū)為拱形，工作面前方的支撐壓力峰值逐漸增加。文獻[4]在多位學者對覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律研究的基礎上，總結了近年來導水裂隙帶高度范圍、發(fā)育的影響因素及其主要預測方法。文獻[5]利用有限元數(shù)值模擬和相似材料模擬2 種方法模擬了薄基巖淺埋深煤層綜放條件下的覆巖運移破壞過程。模擬結果表明，采動覆巖塑性破壞區(qū)的形態(tài)經歷了“半圓拱形”-“馬鞍形”-“拱箱形”的演化發(fā)育過程，采空區(qū)兩側應力集中程度呈現(xiàn)差異化現(xiàn)象，推進方向一側應力集中程度較小，原始開切眼處應力集中程度較大。

我國新疆、內蒙等省區(qū)大量中生界煤田存在煤層厚、埋藏淺、頂?shù)装寤鶐r為軟巖、上覆新生界地層發(fā)育厚層含水砂礫層的普遍現(xiàn)象，在煤層開采過程中容易發(fā)生頂板潰水、潰泥沙事故。相對于這一區(qū)域的軟弱薄基巖巨厚煤層開采時的裂隙發(fā)育規(guī)律，以及其突水潰沙的情況研究較少。因此，本文針對這一地區(qū)特殊的地質情況，結合新疆伊犁煤田各礦針對提高煤層開采上限等理論研究和實踐試驗，總結了軟弱薄基巖下厚煤層開采覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，對類似煤層的安全開采、提高資源回收率具有重要的指導意義。

1 研究區(qū)概況

伊犁煤田屬于侏羅系煤田，煤層厚度一般為5～30m且傾角一般小于10°，構造條件簡單，煤炭埋深較淺(100～200m)，頂?shù)装寤鶐r較薄(先期開采地段一般20～50m)，且均為軟弱巖石且遇水易泥化。煤層頂板、上覆新近系和第四系地層中普遍發(fā)育厚層松散的砂礫含水層，厚度一般為60～100m，含水豐富，但水壓較小(一般小于1.2MPa)。

伊犁煤田的煤炭開發(fā)通常為走向長壁采煤方法，一次性采全高或綜采放頂煤開采(局部限高開采留頂?shù)酌?、冒落法管理頂板。

在對伊犁煤田煤炭的開采過程中，積累了豐富的經驗，并收集了大量資料，為研究開采條件下覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律及突水潰沙機理提供了重要依據。

2 軟弱薄基巖采動裂隙發(fā)育規(guī)律

巨厚煤層開采較常規(guī)厚度煤層開采有所不同。隨著煤層開采厚度的增加，其巖層結構發(fā)生了較大的變化。巨厚煤層開采后，采空區(qū)空間大幅度的增加，垮落帶高度逐漸加大甚至擴展至地表，采場采動影響具有較大的波及范圍，使得工作面覆巖的活動空間更大，易造成大范圍巖體結構失穩(wěn)破壞。

而與一般巨厚煤田的區(qū)別是，伊犁煤田是處于軟弱薄基巖之下的巨厚煤層，因此，安全性較一般巨厚煤層要好。最常見的主要是地面斑裂和塌陷問題，如圖1所示。

圖1 軟弱薄基巖下厚煤層開采斑裂紋平面圖

由圖1中照片可以看出，地面的斑裂紋明顯，結合平面圖可以看到，主要斑裂紋發(fā)育間距10m左右(與周期來壓步距基本一致)，有漏風滲水現(xiàn)象。在主斑裂紋之間，發(fā)育了方向一致，但角度不一的斜交雁列式次級剪切裂紋斑裂紋，間距2m左右。這是由于在地面推采過程中，對頂板造成影響，間接導致地面出現(xiàn)斑裂及塌陷的現(xiàn)象。由于伊犁煤田的煤炭開采是基于軟弱薄基巖下進行的，這種現(xiàn)象更加明顯，最大沉降值約為煤層開采厚度的0.6～0.9倍，開采結束2～3個月后基本穩(wěn)定。

圖2 軟弱薄基巖下厚煤層開采斑裂紋剖面圖

圖2為軟弱薄基巖下厚煤層開采斑裂紋剖面圖，其中，一般在工作面推采前方平行推采方向超前80～85 m就出現(xiàn)弧形地面張性斑裂，由于開采深度約為-100～-130m，其α為50°～60°。

當煤層開采后，上覆巖層發(fā)生移動并伴隨明顯的垂向分帶，一般將其垮落帶和斷裂帶作為導水裂隙帶。導水裂隙帶若大于隔水層厚度，則會導通上部含水層，致使其地下水涌入礦井，這也是在軟弱基巖下厚煤層的主要充水通道。

根據《“三下”采煤規(guī)程》等規(guī)程，可知導水裂隙帶的高度公式為

(1)

式中：Hli為導水裂隙帶的高度，∑M為累積的采厚?；诖?，計算了伊犁煤田某礦區(qū)導水裂隙帶發(fā)育高度，如圖3所示?？梢钥闯?，導水裂隙帶在該區(qū)發(fā)育高度差異不大，僅在中部及東南部區(qū)域較高，為20、22m范圍內，說明在軟弱薄基巖下厚煤層開采時導水裂隙帶發(fā)育高度變化差異較小。

圖3 導水裂隙帶發(fā)育高度(單位：m)

3 突水潰沙抑制機理

在對伊犁煤田多個礦井在多個松散含水層水位下工作面下進行了試采后發(fā)現(xiàn)，盡管上覆軟弱巖層，工作面冒裂帶已經進入新近系含水層，但涌水量小(<30m3·h-1),遠遠小于預測的100～200m3·h-1，而且基本均為清水， 正常推采時一般無水或僅有少量淋水，僅僅在短時間停采后再推采時涌水量短時超過30m3·h-1、在數(shù)小時候就迅速衰減至2～5m3·h-1。同時，各礦井涌水涌泥沙的狀況十分輕微，這些狀況均與預料中有所不同，針對這一情況進行分析。

(1)由于煤層頂板巖性軟弱、煤層采高大，形不成傳統(tǒng)理論中的“平衡梁”，煤層開采時頂板隨采隨冒，上部地層隨著沉降、斑裂，除冒落帶外無明顯的裂隙帶、沉降帶劃分，也形不成能導致災害性儲水空間的離層帶。

(2)頂板巖性軟弱，形不成大的巖塊、空隙、空洞，隨采隨冒后很快就壓實了裂隙；冒落、破碎時產生了大量細碎屑，再加上煤系上覆地層膠結松散，泥沙、碎屑隨之對裂隙進行了充填，有效阻隔了含水層水的下瀉、更形不成災害性泥沙流?？傊诿傲褞Оl(fā)育和裂隙閉合方式上，物理性的壓實閉合和細碎屑物填充作用要遠遠強于傳統(tǒng)意義上的粘土礦物的化學性吸水膨脹閉合作用，成為阻止形成災害性泥沙流的主導作用。

(3)新近系、第四系含水層膠結松散，裂隙進入后不能再繼續(xù)發(fā)展，在水壓很小的情況下僅僅對含水層起到一個擾動、陷落作用，形不成沿裂隙穩(wěn)定流動的泥沙流。

(4)煤系地層中的泥巖層在風化或吸水后形成“狗皮泥”，在低水壓情況下對抑制潰水潰泥沙現(xiàn)象也起到一定作用。

(5)工作面開采結束或開采過程中的不連續(xù)作業(yè)，導致裂隙不能及時填充閉合，會造成短時間的涌水量增加或一定程度的涌水涌泥沙。但在低水壓時涌出物填充裂隙，會有效阻止涌水涌泥沙的繼續(xù)發(fā)展。

4 結論

針對一般煤層及軟弱薄基巖下的厚煤層開采后的覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律與伊犁煤田突水潰沙抑制機理進行了研究，共得出以下結論。

(1)研究區(qū)在開采過程中出現(xiàn)地面斑裂和塌陷的問題。主斑裂紋間距10m左右， 次斑裂紋間距2m左右。 這是由于在地面推采過程中， 對頂板造成影響， 間接導致地面出現(xiàn)斑裂及塌陷的現(xiàn)象。 在工作面推采前方平行推采方向超前80～85m就出現(xiàn)弧形地面張性斑裂，開采深度約為-100～-130m，α為50°～60°。

(2)伊犁煤田在軟弱上覆松散砂礫含水層下進行厚煤層開采，且涌水量小于30m3·h-1，突水潰沙情況受到了抑制。主要由于頂板巖性軟弱，無法形成較大的巖塊、空隙、空洞，隨采隨冒且采動裂隙被迅速壓實、上覆地層含水層十分松散，裂隙進入之后不能再繼續(xù)發(fā)展、在低水壓時涌出物填充裂隙等原因造成的。