劉啟蒙，劉 瑜，謝志鋼，白漢營，付 翔，繆長軍

(1.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001；2.礦井水害綜合防治工程研究中心，安徽淮南 232001；3.深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001；4.桂林理工大學地球科學學院，廣西 桂林 541006；5.皖北煤電集團祁東煤礦，安徽 宿州 234000；6.淮南礦業(yè)集團張集煤礦，安徽 淮南 232171)

我國華北型煤田多為隱伏型，含煤地層頂部普遍發(fā)育10～40 m的風化殼，其上不整合覆蓋130～500 m的新生界松散層，底部發(fā)育砂礫含水層，且具有埋藏深、厚度大、水壓高的特點。淺部煤層開采時，通常留設80 m及以上垂高的安全煤(巖)柱，總滯壓煤量高達100億t以上。為解放煤柱資源，許多礦區(qū)開展了提高回采上限研究和試驗開采工作，期間發(fā)生多起近高承壓松散層開采突水災害事故，如淮南潘一、潘二、潘三和張集礦，淮北朱仙莊礦，皖北祁東、百善礦及晉城成莊礦，不但嚴重影響礦井安全高效生產(chǎn)，而且造成了重大人員傷亡和經(jīng)濟損失[1]。

國內(nèi)外對于近松散層開采水害防治，主要圍繞煤層開采覆巖導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律[2-7]研究，最具代表性的是“上三帶”理論[8]，并列入《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》(簡稱《“三下”規(guī)范》)。許家林等[9]發(fā)現(xiàn)厚松散承壓含水層下采煤時，載荷傳遞作用與關鍵層復合破斷會使導水裂隙帶異常增大；侯忠杰[10]分析了近松散層煤層頂板組合巖柱的滑落失穩(wěn)過程，驗證了關鍵層對頂板穩(wěn)定性的影響；康永華等[11]采用實測資料分析了高水壓含水層對原生縱向裂隙發(fā)育條件下導水裂隙帶的發(fā)育特征；汪鋒等[12]提出松散層拱結(jié)構(gòu)模型，揭示松散層拱對載荷傳遞、巖層運動及地表沉陷、覆巖破斷失穩(wěn)的影響機理；郭文兵等[13]分析了厚松散層下充填開采覆巖導水裂隙高度變化規(guī)律。以上高承壓松散層下煤層開采覆巖破壞動態(tài)過程、導水裂隙帶發(fā)育高度等方面的成果，對象主要是“上行裂隙”(由下往上發(fā)育)。白漢營等[14-15]、楊本水等[16]提出在煤層開采前，承壓含水層水體在高水頭壓力作用下向含煤地層層面產(chǎn)生“下滲帶”；黃慶享等[17]通過對隔水層土樣實驗發(fā)現(xiàn)，隔水層土體的膨脹性將產(chǎn)生裂隙閉合現(xiàn)象，可減緩“下行裂隙”(由上往下擴展)發(fā)展，并給出“下行裂隙”閉合判據(jù)；宋馬可[18]通過祁東煤礦近松散層煤層開采研究進一步驗證“下滲帶”在工程上的應用。

綜上所示，目前針對近松散層開采水害的研究成果，多是單獨考慮上行或下行裂隙，綜合考慮“雙行裂隙”進行松散層下煤層開采突水機理的研究成果較少。筆者以兩淮礦區(qū)為例，分析高承壓厚松散層強含水層水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件，研究高承壓水下“下行裂隙”和“上行裂隙”發(fā)育特征，建立“雙行裂隙”模型，揭示高承壓厚松散層下煤層開采突水機理，為近松散層煤層開采安全煤(巖)柱的合理留設提供科學依據(jù)。

1 兩淮礦區(qū)水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件

1.1 兩淮地區(qū)地質(zhì)條件概況

兩淮煤田位于我國東部黃淮沖積平原，新生界松散沖(坡)積物十分發(fā)育，厚度100～800 m，石炭–二疊紀煤系隱伏于新生界松散層下，含煤地層露頭直接與新生界底部接觸(圖1)。

圖1 兩淮煤田松散層賦存結(jié)構(gòu)特征Fig.1 Structural characteristics of alluvium in Huainan and Huaibei Coalfield

兩淮煤田二疊系含煤地層頂部不整合接觸于新生界松散層。含煤地層頂部遭受風化，由于巖體風化程度受出露地層巖性及當時的地質(zhì)環(huán)境影響，風化帶深度也有所不同。以淮北祁東煤礦為例，鉆孔所測得的基巖風化帶底板埋深在215～340 m，厚度約20 m。

松散層底部與基巖接觸區(qū)所分布的風化基巖帶對含煤地層水文地質(zhì)特征具有控制作用。風化帶若是以泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖所構(gòu)成，其風化特征為高嶺土狀，具有低滲透和高塑性，能抑制裂隙發(fā)育，增強隔水層的隔水能力。反之，當風化帶以砂質(zhì)巖層為主時，砂巖風化后孔隙性增強，具有儲水和透水能力，會局部增強松散層第四含水層(簡稱四含)的富水性。

1.2 祁東煤礦概況

祁東煤礦位于淮北煤田宿縣礦區(qū)，自2001 年以來，先后在3222、7114 等8 個工作面發(fā)生17 次高承壓松散層突水災害(圖2、表1)，且突水位置的煤(巖)柱高度均大于根據(jù)《“三下”規(guī)范》計算的防水安全煤(巖)柱高度(表1)。如3222 工作面發(fā)生新生界松散層特大突水淹井事故，最大涌水量達1 670 m3/h。經(jīng)調(diào)查，3222 工作面上覆新生界松散層厚度為400 m，突水位置的煤(巖)柱高度為66 m，《“三下”規(guī)范》理論計算工作面安全煤(巖)柱高度為60.6 m，突水時松散含水層水壓為3.7 MPa，且為強富水性，屬于典型的高承壓厚松散層突水事故。突水原因：一是3222 工作面上方基巖風化帶內(nèi)發(fā)育有原生裂隙(本文所指“下行裂隙”)，在高承壓水作用下使其與四含溝通形成統(tǒng)一含水體；二是3222 工作面的采動導水裂隙(本文為“上行裂隙”)溝通了含水體。在按照《“三下”規(guī)范》要求，只考慮導水裂隙帶(“上行裂隙”)，留設安全煤巖柱情況下，礦井發(fā)生了突水。因此，在近高承壓厚松散層煤層開采，為防止松散層突水留設安全煤(巖)柱時，除應考慮導水裂隙帶(“上行裂隙”)外，還須考慮基巖風化帶內(nèi)原生裂隙(本文為“下行裂隙”)。

圖2 祁東煤礦歷次突水位置及四含厚度Fig.2 Locations of previous water inrush accidents and thickness of the fourth aquifer in Qidong Coal Mine

表1 祁東煤礦歷次突水情況統(tǒng)計Table 1 Statistics of water inrush accidents in Qidong Coal Mine

據(jù)統(tǒng)計分析(表2)，兩淮礦區(qū)與國內(nèi)其他礦區(qū)相比，松散層具有厚度較大、底部含水層水壓較高的特點，這是兩淮礦區(qū)松散層突水事故頻發(fā)的地質(zhì)、水文地質(zhì)基礎。

表2 松散層厚度及底含水壓值對比Table 2 The thickness of alluvium and water pressure of the bottom aquifer

2 高承壓水作用下“上行裂隙”發(fā)育特征

以祁東煤礦為例，對高水壓作用下“上行裂隙”，即采動導水裂隙發(fā)育規(guī)律進行深入分析。

2.1 煤層覆巖結(jié)構(gòu)特征

祁東煤礦近松散層基巖以泥巖和砂巖交互沉積為主，巖性差異較大，覆巖多為硅質(zhì)膠結(jié)，煤層頂板屬中硬類型。由于受多期構(gòu)造運動影響，頂板巖體中發(fā)育有高角度縱向裂隙，整體隔水性能較差。松散層厚度189.25～453.00 m。四含底部與基巖面直接接觸，且四含富水性強，最高水壓達3.9 MPa。

2.2 “上行裂隙”發(fā)育模擬研究

選取祁東煤礦7131 工作面進行數(shù)值模擬分析。圖3 為工作面剖面及巖性柱狀，含煤地層傾角為15°，工作面布置在–410～–450 m 水平。模型尺寸為550 m×250 m×200 m，煤厚為3 m，模型如圖4 所示。

圖3 7131 工作面剖面圖及巖性柱狀圖Fig.3 Profile and lithology histogram of working face 7131

圖4 FLAC3D 數(shù)值模擬模型Fig.4 Numerical simulation model of FLAC3D

設計6 組不同水壓的數(shù)值模型，分別為：0、1、2、3、4、5 MPa，模擬高承壓水作用下7131 工作面“上行裂隙”發(fā)育高度(圖5、表3)。

表3 不同水壓條件下7131 工作面導水裂隙帶高度Table 3 Height of water conducting fractured zone in working face 7131 under different water pressures

模擬結(jié)果顯示：隨著水壓的增大，覆巖破壞的范圍增大，導水裂隙帶發(fā)育高度也增大。

圖6 為根據(jù)模擬結(jié)果獲得的裂采比與四含水壓關系曲線，由圖6 可知，模型中四含水壓與裂采比呈線性關系，其擬合公式為：

圖6 裂采比與四含水壓關系曲線Fig.6 Relation of the ratio of the height of water conducting fractured zone to mining height and water pressure of the fourth aquifer

式中：y為裂采比；x為四含水壓。

7131 工作面實際水壓為3.6 MPa，代入式(1)算得的裂采比為17.62，大于《“三下”規(guī)范》計算的最大裂采比13.79，表明在水壓作用下，覆巖“上行裂隙”發(fā)育高度增大。因此，根據(jù)“上行裂隙”高度計算安全煤(巖)柱高度時，要針對不同含水層水壓進行調(diào)整，適當增加安全閾值。

3 高承壓水作用下“下行裂隙”發(fā)育特征

當埋藏較深且富含水的四含直接接觸于含煤地層時，高承壓水會對基巖風化帶的原生裂隙產(chǎn)生擴孔效應，形成原生裂隙擴展?jié)B透帶，致使煤層頂板有效隔水層厚度減小。因此，本文的“下行裂隙”包括基巖風化帶中的原生裂隙和高承壓水作用下原生裂隙擴展?jié)B透帶。

3.1 基巖風化帶原生裂隙擴展?jié)B透性試驗

通過地面鉆孔取得基巖風化帶原位樣品，在實驗室模擬工作面條件(圍壓7 MPa，水壓分別為1、2、3、4、5 MPa)，進行不同巖性風化基巖在高壓水滲流條件下裂隙滲透性變化規(guī)律研究。測試結(jié)果顯示：隨著水壓的增大(1 MPa 增大到5 MPa)，風化細砂巖試件的滲透系數(shù)增加幅度最大，從2.88×10–5cm/s增至4.33×10–4cm/s，增大約14 倍；風化粉砂巖的滲透系數(shù)從1.721×10–5cm/s 增至2.081×10–4cm/s，增大約11 倍；風化泥質(zhì)砂巖的滲透系數(shù)從1.091×10–5cm/s 增加至8.807×10–4cm/s，增大約7 倍，如圖7 所示。測試結(jié)果說明：在承壓水作用下，原生裂隙會發(fā)生不同程度的擴展。

圖7 高承壓水作用下風化巖石滲透性測試結(jié)果Fig.7 Permeability test results of weathered rock under high water pressure

3.2 基巖風化帶原生裂隙發(fā)育及擴展規(guī)律探測

3.2.1 原生裂隙發(fā)育深度探查

風化帶原生裂隙深度可通過鉆孔編錄和鉆探取心確定。收集祁東煤礦7131 工作面“三帶”中的巖石樣品，進行面裂隙率和線裂隙率的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果顯示，4 個鉆孔風化帶原生裂隙深度分別為9.06、11.40、11.61、8.90 m，平均10.24 m，以砂巖、泥巖為主。四含直接與風化帶接觸，有直接水力聯(lián)系，在松散層高承壓水頭作用下，四含水下滲到基巖風化帶原生裂隙中，造成原生裂隙中含水；根據(jù)祁東煤礦三采區(qū)采前2 號孔四含底與基巖風化帶交界處的三側(cè)向電阻率測井曲線(圖8)，基巖風化帶與四含分界處高程為–354.00 m；–354.00～–367.75 m的基巖風化帶與四含段曲線特征沒有變化，視電阻率場位低；在–367.75 m 以下，視電阻率值變大，說明–354.00～–367.75 m 段與四含的含水特性相似，為基巖風化帶裂隙含水提供佐證。

圖8 視電阻率測井曲線Fig.8 Apparent resistivity log

3.2.2 原生裂隙擴展的現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試在淮南礦業(yè)集團張集礦11418(W)工作面開展，利用壓水試驗探測原生裂隙在高承壓水作用下擴展?jié)B透帶下限。

測試原理：根據(jù)每個壓水鉆孔壓水段(終孔位置)坐標及每級水壓p下距離壓水鉆孔第一個未出水錨索的位置坐標，算得原生裂隙在高承壓水作用下擴展?jié)B透距離L，進而對所得到的3 個不同地點L、p數(shù)據(jù)進行L–p關系回歸分析，得到擴展?jié)B透距離L與水壓p的定量關系式。

由于本次測試沒有將基巖風化帶厚度獨立分析，計算出的擴展?jié)B透距離L包括基巖風化帶厚度。因此，L為原生裂隙和高承壓水作用下原生裂隙擴展?jié)B透帶深度之和，為“下行裂隙”深度。

測試過程：取水壓1、2、3、4 MPa 進行現(xiàn)場壓水試驗，在每級水壓p下穩(wěn)定20 min，記錄p和壓水孔穩(wěn)定壓水量Q。在此期間，按照距離壓水鉆孔由近及遠的方式觀測壓水鉆孔附近兩側(cè)鉆孔出水情況，記錄第一個未出水錨索孔距壓水孔口的距離。試驗結(jié)果見表4。

在2 MPa 水壓下L為6.5～7.5 m，平均7 m；在3 MPa 水壓下L為9.8～10.5 m，平均10.1 m。通過收集、分析出水相關工作面的實際資料可形成原生裂隙擴展距離與壓水鉆孔水壓值的關系，如下式所示：

式中：α為“下行裂隙”發(fā)育系數(shù)，m/MPa。

將實測數(shù)據(jù)代入式(2)，利用最小二乘法可求出系數(shù)α為3.41 m/MPa，由此，可得式(2)的形式如下：

從上述試驗過程可以看出：在砂質(zhì)泥巖中，“下行裂隙”發(fā)育深度與水壓值大致成線性正比關系遞增。

3.3 基巖風化帶原生裂隙擴展理論研究

原生裂隙擴展?jié)B透帶受承壓含水層地質(zhì)條件和基巖風化帶兩方面因素影響，四含水壓對巖體的原生裂隙面產(chǎn)生劈裂破壞作用，其水壓大小直接影響原生裂隙擴展?jié)B透帶的作用深度；而風化帶的地質(zhì)條件(包括原生裂隙的產(chǎn)狀角度及原巖性質(zhì))、力學特性都對“下行裂隙”的含導水能力有著重要的影響。原生裂隙擴展?jié)B透帶的下限即為“下行裂隙”的下限，因此，獲得原生裂隙擴展?jié)B透帶的下限即可獲得“下行裂隙”下限。

在原巖裂隙中，水頭壓力會沿裂隙面展開，考慮在一個穩(wěn)定而封閉的系統(tǒng)內(nèi)部，水壓不釋放，水體不流出，即滲壓不滲流，當?shù)貞εc水壓應力平衡時，可建立一個原生裂隙擴展?jié)B透帶力學模型，取一微小單元體進行受力情況分析(圖9)。

圖9 原生裂隙擴展?jié)B透帶受力分析Fig.9 Force analysis of primary fracture expansion zone

假設單元體內(nèi)部存在裂隙面，裂隙腔體內(nèi)部所受的各項應力相等，當微小單元體受力平衡時，根據(jù)彈性力學原理，則σ可以寫作[19]：

微小單元體層面裂隙內(nèi)部的水壓力為：

式中：H為微小單元體的埋深；h為承壓水位埋深；γw為水的容重。

根據(jù)水力劈裂準則：

式中：σT為巖體層面的拉應力。

當σT>0 時，微小單元體中的層面裂隙發(fā)生拉張變形，形成巖石水力劈裂通道。

將式(4)、式(5)代入式(6)，則松散承壓水原生裂隙擴展?jié)B透帶發(fā)育深度hs為：

參考白漢營[19]的試驗數(shù)據(jù)，對淮南潘謝礦區(qū)而言，σ1、σ3表示為：

式中：σv為垂向應力；σh為水平應力；H為埋深。

將式(7)、式(8)代入式(6)，γw=0.01 MN/m3；結(jié)合現(xiàn)有實測資料h≈10 m，σT=0.4 MPa，可將松散承壓水原生裂隙擴展?jié)B透帶發(fā)育深度Had表示為：

式中：Had為原生裂隙擴展?jié)B透帶發(fā)育深度；Hs為松散層厚度。

統(tǒng)計淮南煤田潘一礦1402(3)和潘三礦1711(3)等下含 (淮北煤田稱為四含)突水工作面的調(diào)查資料，并采用式(10)計算這些工作面的原生裂隙擴展?jié)B透帶深度，見表5。

表5 突水工作面條件對比分析Table 5 Comparison of water inrush working face conditions

其中，淮南煤田潘一礦1402(3)工作面原生裂隙擴展?jié)B透帶(“下行裂隙”下限)深度為25.04 m，原設計防水煤柱高度為64.64 m，實際防水煤柱高度為39.00 m。通過物探手段探測導水裂隙帶高度為45.1 m，超出實際防水煤柱高度6.1 m，說明含水的“下行裂隙”與導水裂隙帶(“上行裂隙”)已經(jīng)溝通。

另外，選取淮北煤田祁東煤礦7114 工作面數(shù)據(jù)來驗證公式的準確性。7114 工作面的基巖風化帶厚度約為9.2 m；根據(jù)鉆孔電視觀測，基巖風化帶裂隙為高角度縱向分布，β取30°；松散層水壓pw為2.7 MPa，松散層的平均厚度Hs為358.89 m，則原巖裂隙擴展深度根據(jù)式(7)計算為5.76 m。加上探測所得到的基巖風化帶厚度9.2 m，則計算的7114 工作面頂板基巖的“下行裂隙”深度為14.96 m，鉆孔電視觀測結(jié)果為13.75，兩者基本一致。由此說明，“下行裂隙”下限計算公式在礦井防治水工程中具有較好的指導作用。

4 近高承壓厚松散層“雙行裂隙”突水機理

4.1 突水機理

兩淮礦區(qū)松散層厚度大，底部含水層富水性強，且水壓大，向含煤地層滲流，在此過程中會出現(xiàn)滲壓不滲流的現(xiàn)象，深埋砂土砂巖界面下伏煤系砂巖層內(nèi)賦存有原生裂隙，以巖層層面和高角度裂隙為主，底部含水層水體在高水壓作用下，沿原生裂隙在下滲作用機制基礎上下滲至一定深度。由于“下行裂隙”的存在，底部含水層水體與煤系砂巖水產(chǎn)生一定的水力聯(lián)系，在煤層開采后，系統(tǒng)封閉性被破壞，頂板導水裂隙帶(“上行裂隙”)會直接或間接溝通水體。

在兩淮礦區(qū)松散層厚度大、底部含水層富水性強、水壓高且直接覆蓋在煤系之上的條件下，高承壓水體不僅導致導水裂隙帶(“上行裂隙”)高度異常增大，且高壓水勢還會對基巖風化裂隙產(chǎn)生劈裂作用，產(chǎn)生“下行裂隙”，從而減小隔水層有效厚度。煤礦開采過程中，導水裂隙帶(“上行裂隙”)在沒有波及“下行裂隙”的情況下，煤層頂板仍具有阻隔水性能，工作面不會發(fā)生大規(guī)模突水事故(圖10a)；若導水裂隙帶(“上行裂隙”)與“下行裂隙”溝通，含水層水就會沿著裂隙通道涌入回采工作面(圖10b)。

圖10 “雙行裂隙”突水機理Fig.10 Schematic diagram of the water inrush mechanism of bidirectional fractures

4.2 實例分析

以祁東煤礦7114 工作面實采數(shù)據(jù)為例，依照《“三下”規(guī)范》中的防治水要求，計算導水裂隙帶高度與防水煤(巖)柱厚度之和為62.6 m，工作面最小基巖厚度70.7 m，符合規(guī)范的安全回采要求；但在實際采掘過程中發(fā)生四含水的周期性涌入，說明留設的煤巖柱未能阻隔松散層水。

在四含高水壓作用下，7114 工作面回采時導水裂隙帶(“上行裂隙”)高度異常增大。由原生裂隙擴展?jié)B透帶發(fā)育深度理論公式計算可知：7114 工作面“下行裂隙”下限深度為14.96 m，按照《“三下”規(guī)范》需留設77.56 m 防水煤柱，大于最小基巖厚度。煤層開采覆巖導水裂隙帶(“上行裂隙”)高度最大可達60 m 以上。此時，導水裂隙帶高度已波及到下滲帶內(nèi)的砂巖層，意味著溝通了四含水體，在這種情況下，煤系上覆四含水體便通過“雙行裂隙”流向工作面。水體在裂隙中流動時起沖刷擴大裂隙、搬運裂隙中充填物或破碎物的作用，形成一定動水壓力，致使工作面發(fā)生涌突水事故。

綜上，在兩淮礦區(qū)松散層厚度大、底部含水層富水性強、水壓高且直接覆蓋在煤系之上的條件下，不充分考慮“雙行裂隙”的前提所留設的安全煤(巖)柱往往不能起到有效防隔水的目的。

5 結(jié)論

a.兩淮礦區(qū)松散層突水事故頻發(fā)，其突水具有以下規(guī)律：突水工作面導水裂隙帶發(fā)育高度異常增大；安全煤(巖)柱的留設不能滿足安全回采要求。

b.祁東煤礦7131 工作面數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在四含水壓增大過程中，工作面頂板導水裂隙帶高度隨之增大，即“上行裂隙”隨著四含水壓上升而增大。

c.利用風化基巖進行巖石力學試驗和鉆探研究發(fā)現(xiàn)，原生裂隙在水壓作用下滲透性增強，具有富水特性。根據(jù)原生裂隙擴展受力分析，推導出基巖風化帶原生裂隙在水壓作用下裂隙擴展深度(“下行裂隙”下限)公式，進一步證明水巖作用會弱化煤層頂板阻隔水性能。

d.以祁東煤礦7114 工作面為例，高水壓不僅導致“上行裂隙”異常增大，且高壓水勢還會對基巖風化裂隙產(chǎn)生劈裂作用，產(chǎn)生“下行裂隙”，從而減小隔水層有效厚度，在沒有充分考慮“雙行裂隙”的前提下所留設的安全煤(巖)柱往往不能起到有效防隔水目的。