陳 超

(山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西省晉城市，048021)

華北型煤田經(jīng)歷一個(gè)多世紀(jì)的大規(guī)模開采，大部分煤礦上組煤資源瀕臨枯竭，進(jìn)入深部下組煤開采，圍繞深部煤層開采頂板上覆含水層(體)、底板下伏含水層突水機(jī)理、水害治理技術(shù)等科技問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究[1-4]。劉天泉[5]通過理論分析及長(zhǎng)期的工程試驗(yàn)提出了煤層頂板突水“上三帶”理論，認(rèn)為煤層開采將在上覆巖層中形成垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶，其中垮落帶和裂縫帶會(huì)成為導(dǎo)水通道；李白英[6]在多年的奧灰透水機(jī)理研究及實(shí)踐中提出了“下三帶”理論，認(rèn)為承壓水體上開采存在底板導(dǎo)水破壞帶、有效隔水層保護(hù)帶和承壓水導(dǎo)升帶；錢鳴高[7]利用薄板理論將底板各隔水層劃分為若干個(gè)隔水能力不同的巖層，認(rèn)為一些較為堅(jiān)硬的厚巖層在采場(chǎng)上覆巖體的變形和破壞中起著主要的控制作用，對(duì)底板突水起著決定作用的一層隔水層作為關(guān)鍵層；許家林[8-9]提出了基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)方法，認(rèn)為關(guān)鍵層破斷裂縫貫通的臨界高度可以粗略按(7～10)M(M為煤層采厚)估算；趙兵朝[10-12]研究認(rèn)為主關(guān)鍵層在覆巖中的位置與基載比和基采比存在一定的關(guān)系；楊國(guó)勇[13]基于層次分析-模糊聚類分析法確定了各影響因素的權(quán)重，預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度與實(shí)際情況較為相符；衛(wèi)兆祥[14]應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段分析了煤層底板破壞深度。雖然以上研究對(duì)頂板導(dǎo)水裂縫帶和煤層底板破壞深度進(jìn)行了深度探究，但均沒有將兩者結(jié)合研究應(yīng)用于煤層突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

筆者以王坡煤礦即將開采的15號(hào)煤層是否會(huì)導(dǎo)通上覆3號(hào)煤層采空區(qū)積水為研究對(duì)象，通過對(duì)底板破壞深度和頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的預(yù)測(cè)，分析評(píng)價(jià)王坡煤礦上覆采空區(qū)積水條件下開采下組中厚煤層的突水危險(xiǎn)性，為礦井老空水水害防治工作提供技術(shù)依據(jù)，以期對(duì)同類型煤礦防治水害工作提供一定借鑒。

1 礦井概況

王坡煤礦位于華北型煤田沁水煤田中東部，主要含煤地層為二疊系山西組和石炭系太原組，主要可采煤層為山西組3號(hào)煤層和太原組15號(hào)煤層。3號(hào)煤層平均厚度5.27 m，15號(hào)煤層厚度為2.33～5.48 m，平均厚度3.40 m，煤層傾角0°～12°，平均傾角6°，屬緩傾斜煤層；3號(hào)煤層和15號(hào)煤層間距平均88.02 m，巖性主要為含生物碎屑及燧石灰?guī)r、砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層(線)等，幾種巖性呈交替出現(xiàn)的互層狀。砂巖極限抗壓強(qiáng)度為26.97～80.51 MPa，屬中等堅(jiān)硬-堅(jiān)硬巖石，石灰?guī)r極限抗壓強(qiáng)度為41.2～70.0 MPa，平均極限抗壓強(qiáng)度55.5 MPa，屬堅(jiān)硬巖石。目前開采3號(hào)煤層，即將進(jìn)入深部15號(hào)煤層開拓。

2 15號(hào)煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)

2.1 關(guān)鍵層理論預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶高度

礦井15號(hào)煤層尚未采掘，無法獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[15]，筆者基于“關(guān)鍵層”理論，由文獻(xiàn)[10-12]可知，主關(guān)鍵層在覆巖中的位置與基載比(JC)和基采比(JZ)存在如下關(guān)系：當(dāng)JZ<0.8、JC<10～15時(shí)主關(guān)鍵層位于“垮落帶”，當(dāng)JZ<0.8、10～150.8、JC>25時(shí)主關(guān)鍵層位于“彎曲下沉帶”。本次研究3號(hào)煤層與15號(hào)煤層均為基巖段厚度88.02 m，無松散層，只計(jì)算基采比為25.88(>25)的情況，初步推斷主關(guān)鍵層位于彎曲下沉帶。由文獻(xiàn)[8-9]可知，關(guān)鍵層破斷裂隙貫通的臨界高度可以粗略按(7～10)M(M為煤層厚度)估算，煤層平均厚度3.40 m，估算的關(guān)鍵層破斷裂隙貫通的臨界高度最大值為34 m，第2、4、7層亞關(guān)鍵層被破斷裂隙貫通，導(dǎo)水裂縫帶將發(fā)育至34 m上方最近的關(guān)鍵層底部，即16層巖層底部。結(jié)合兩種結(jié)果，可推斷第16層7.7 m厚的細(xì)粒砂巖為主關(guān)鍵層，并且處于彎曲下沉帶，所以覆巖導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度最大值約為第16層巖層底部距15號(hào)煤層頂板的垂直距離69.13 m，關(guān)鍵層位置判別如圖1所示。

2.2 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶高度

3號(hào)煤層和15號(hào)煤層間距平均88.02 m，通過圖1可以看出巖性主要為含生物碎屑及燧石灰?guī)r、砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層(線)等，多屬堅(jiān)硬巖層。目前，應(yīng)用最為普遍的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式主要有《煤礦防治水細(xì)則釋義》和《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中推薦的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 開采15號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算

圖1 關(guān)鍵層位置判別

經(jīng)驗(yàn)公式主要適應(yīng)于采用單一薄及中厚煤層或厚煤層分層開采，它是在大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)化思路，考慮煤層傾角、頂板管理方法，將覆巖巖性的強(qiáng)度和厚度運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法加權(quán)平均后分類為堅(jiān)硬、中硬、軟弱、極軟弱等，以煤層厚度為唯一參數(shù)，推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)公式，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)滿足了我國(guó)煤礦水體下采煤設(shè)計(jì)要求。根據(jù)15號(hào)煤層初步設(shè)計(jì)在煤層厚度低于2.8 m時(shí)采用一次采全高，大于2.8 m時(shí)采用放頂煤開采。一次采全高或分層開采時(shí)，垮落帶和裂縫帶的高度與采高呈近似直線關(guān)系，水平至傾斜煤層厚煤層分層開采或近距離煤層群重復(fù)開采條件下，垮落帶和裂縫帶高度增大幅度隨分層次數(shù)增加而遞減；而大采高和放頂煤開采的垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度要比分層開采高[15]。

3 3號(hào)煤層底板破壞深度研究

根據(jù)“下三帶”理論，煤層底板受采動(dòng)礦壓影響，底板巖層的完整性受到破壞，產(chǎn)生各種裂隙，破壞了巖層的阻水能力[6]。目前研究煤層底板采動(dòng)破壞深度主要有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、理論估計(jì)等手段。

3.1 煤層底板破壞深度觀測(cè)

本次以王坡煤礦正在回采的3310綜放工作面為試驗(yàn)場(chǎng)地。工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 083 m，開切眼斜長(zhǎng)175 m，走向南北，傾向東西，煤層傾角2°～8°，平均傾角4°，煤厚5.1～5.6 m，平均5.4 m，工作面整體為一單斜構(gòu)造，東北高西南低，平均標(biāo)高+450 m；地表為構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)，溝谷發(fā)育，切割較破碎，地形坡度多為20°～30°，總的地勢(shì)為中部及東北部高，北部、南部及東部低，最高點(diǎn)位于工作面東北部的山梁上，最低點(diǎn)位于南部的沖溝中，平均海拔+1 050 m，開采深度平均500 m。

由于各個(gè)煤田礦區(qū)地質(zhì)條件的差別，對(duì)底板破壞深度的觀測(cè)研究的方法也多種多樣，由于其各自適用條件的不同，在不同煤田礦區(qū)觀測(cè)得到的結(jié)果也不盡相同。其中大多數(shù)方法在各自煤田礦區(qū)觀測(cè)應(yīng)用中都取得較好效果，幾乎都得到了有效的底板破壞深度，能夠很好地指導(dǎo)煤礦底板防治水工作。目前國(guó)內(nèi)常用的底板破壞深度觀測(cè)研究方法有鉆孔注水法、電磁波法、鉆孔聲波法、震波CT技術(shù)、超聲成像法、應(yīng)力應(yīng)變技術(shù)等。在王坡煤礦采礦地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，綜合考慮各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，計(jì)劃采用鉆孔注水法觀測(cè)底板破壞深度。本次采用鉆孔注水法之一的雙端堵水器試驗(yàn)法，該方法的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)是在井下采煤工作面周圍選擇合適的觀測(cè)場(chǎng)所，例如可在相鄰工作面巷道(軌中巷)或可測(cè)工作面停采線或開切眼以外的巷道中開掘鉆窩(機(jī)房)，向工作面下方打俯斜鉆孔。在工作面回采前可以研究底板巖層的原始裂隙發(fā)育規(guī)律，在工作面回采以后可以研究煤層底板的破壞深度。綜合考慮工作面采掘進(jìn)度及巷道情況，選擇3310工作面規(guī)劃停采線齊平位置及停采線后50 m作為觀測(cè)位置，施工位置為距3310工作面35 m的3308運(yùn)輸巷。依據(jù)采動(dòng)底板的“倒馬鞍形”破壞原則，在3310工作面采后30 d內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)施工，3308運(yùn)輸巷設(shè)置2個(gè)觀測(cè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)各布置2個(gè)鉆孔，共布置4個(gè)鉆孔，如圖2所示。在停采線位置設(shè)置鉆場(chǎng)1，向3310已采工作面區(qū)域底板打2個(gè)鉆孔進(jìn)行觀測(cè)，鉆場(chǎng)1觀測(cè)完畢后，在停采線后50 m位置設(shè)置鉆場(chǎng)2，向3310面停采線后未采區(qū)域底板打2個(gè)鉆孔進(jìn)行觀測(cè)，見表2。

表2 3號(hào)煤層底板破壞深度實(shí)驗(yàn)觀測(cè)孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖2 觀測(cè)孔平面布置圖

鉆場(chǎng)1鉆孔沖洗液漏失量變化如圖3所示。由圖3(a)可以看出，Z-1號(hào)鉆孔深度小于44 m時(shí)，漏失量為0.1 L/s左右，44 m處漏失量突然增大，為0.8 L/s，并且鉆進(jìn)過程中有塌孔、卡鉆現(xiàn)象，鉆孔開始漏水，表明進(jìn)入破碎帶邊緣；隨著探測(cè)深度的增大，直至59 m時(shí)漏失量減小，44～58 m漏失量基本大于0.5 L/s，最大為1.9 L/s；59 m位置有卡鉆、掉塊現(xiàn)象，之后漏失量明顯減小，表明58 m為裂縫帶頂點(diǎn)，則底板破壞深度為20.18 m。由圖3(b)可以看出，Z-2號(hào)鉆孔深度小于41 m時(shí)，漏失量為0.05 L/s左右，41 m處漏失量突然增大，為0.8 L/s，并且鉆進(jìn)過程中有塌孔、卡鉆現(xiàn)象，鉆孔開始漏水，表明進(jìn)入破碎帶邊緣；隨著探測(cè)深度的增大，直至56 m時(shí)漏失減小，41～56 m漏失量基本大于0.6 L/s，最大為1.8 L/s；55 m位置有卡鉆、掉塊現(xiàn)象，之后漏失量均小于0.1 L/s，表明56 m為破碎帶頂點(diǎn)，則底板破壞深度為20.39 m。

圖3 鉆場(chǎng)1鉆孔沖洗液漏失量變化

鉆場(chǎng)2鉆孔沖洗液漏失量變化如圖4所示。由圖4(a)可以看出，Z-3號(hào)鉆孔施工過程中無漏水塌孔現(xiàn)象，在整個(gè)測(cè)試過程中，漏失量無較大變化，漏失量為0.05 L/s左右，最大為0.1 L/s，說明該鉆孔巖層基本穩(wěn)定，無較大裂隙產(chǎn)生。由圖4(b)可以看出，Z-4號(hào)鉆孔施工過程中無漏水塌孔現(xiàn)象，鉆孔在整個(gè)測(cè)試過程中，漏失量無較大變化，漏失量為0.06 L/s左右，最大為0.09 L/s，說明該鉆孔巖層基本穩(wěn)定，無較大裂隙產(chǎn)生。

圖4 鉆場(chǎng)2鉆孔沖洗液漏失量變化

試驗(yàn)段透水率、鉆孔測(cè)試過程中的壓力值(P)和流量值(Q)按下式計(jì)算：

(1)

式中：q——試段的透水率，Lu；

L——試段長(zhǎng)度，m；

Q——漏失量，L/min；

P——水壓，MPa。

鉆孔各試驗(yàn)段透水率計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 鉆孔各試段透水率計(jì)算表

經(jīng)過對(duì)3310工作面停采線位置鉆場(chǎng)1進(jìn)行觀測(cè)可得，3號(hào)煤層開采底板采動(dòng)破壞帶漏失量為0.5～2.0 L/s，采動(dòng)破壞帶發(fā)育深度為20.39 m，破壞帶透水率為140～380 Lu，說明裂隙發(fā)育比較明顯。經(jīng)過對(duì)3310工作面停采線后50 m位置鉆場(chǎng)2進(jìn)行觀測(cè)可得，3號(hào)煤層開采底板漏失量為0.05～0.10 L/s，透水率為4～20 Lu，說明3號(hào)煤層開采底板巖層基本穩(wěn)定，無較大裂隙產(chǎn)生，采動(dòng)破壞影響波及超前范圍小于50 m。

3.2 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)底板破壞深度

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)因采動(dòng)影響造成的煤層底板破壞深度開展了大量的實(shí)際觀測(cè)，通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，在考慮煤層傾角和開采深度的情況下，推導(dǎo)出采動(dòng)影響底板破壞深度公式為：

h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L1-4.3579

(2)

式中：h1——采礦對(duì)底板擾動(dòng)的破壞深度，m；

H——開采深度，m；

α——煤層傾角，(°)；

L1——工作面斜長(zhǎng)，m。

3310工作面平均開采深度500 m，煤層傾角2°～8°，平均4°，工作面開切眼斜長(zhǎng)175 m，將相關(guān)數(shù)值代入式(2)，計(jì)算得3號(hào)煤層底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶深度為19.44 m。

4 突水危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)

前文基于關(guān)鍵層理論預(yù)計(jì)的開采15號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育最大高度約為69.13 m，3個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)的發(fā)育高度分別約為64.82、65.31、86.76 m，所以開采15號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度范圍約為64.82～86.76 m之內(nèi)。受3號(hào)煤層采動(dòng)破壞影響，底板巖層受到破壞的深度雙端堵水器試驗(yàn)法測(cè)算值約為20.39 m，規(guī)程中經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)值約為19.44 m，所以受3號(hào)煤層采動(dòng)破壞影響底板破壞深度的范圍為19.44～20.39 m。

因各礦井的采礦地質(zhì)條件各異，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和理論估計(jì)往往與實(shí)際情況產(chǎn)生較大誤差，所以現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)應(yīng)用最為廣泛和準(zhǔn)確[16-18]，本次對(duì)底板破壞深度開展了實(shí)測(cè)，所以底板破壞深度取值20.39 m?！睹旱V防治水細(xì)則釋義》經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度加上3號(hào)煤層底板破壞深度總高度約為85.21～85.70 m，略小于3號(hào)煤層與15號(hào)煤層平均間距88.02 m，開采15號(hào)煤層不受上覆3號(hào)煤層采空區(qū)積水影響；《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度加上3號(hào)煤層底板破壞深度總高度約為107.15 m，大于3號(hào)煤層與15號(hào)煤層平均間距，開采15號(hào)煤層將受上覆3號(hào)煤層采空區(qū)積水威脅；基于關(guān)鍵層理論預(yù)計(jì)的開采15號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度加上3號(hào)煤層底板破壞深度總高度約為89.52 m，大于3號(hào)煤層與15號(hào)煤層平均間距，開采15號(hào)煤層將受上覆3號(hào)煤層采空區(qū)積水威脅。文中導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度采用的是分層開采經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)大采高和放頂煤開采的垮落帶和裂縫帶高度要比分層開采高[15]，所以預(yù)計(jì)3號(hào)煤層底板破壞帶將與原始狀態(tài)下15號(hào)煤層頂板裂縫帶貫通，實(shí)際導(dǎo)水裂縫帶會(huì)直接貫通3號(hào)煤層采空區(qū)，開采15號(hào)煤層將受上覆3號(hào)煤層采空區(qū)積水威脅，開采15號(hào)煤層前需對(duì)上覆3號(hào)煤層采空區(qū)積水進(jìn)行疏放。

5 結(jié)語

(1)將“上三帶”中導(dǎo)水裂縫帶、“下三帶”中底板破壞深度、關(guān)鍵層等理論應(yīng)用于開采上覆采空區(qū)積水條件下的煤層，實(shí)測(cè)得到3號(hào)煤層受采礦影響實(shí)際的底板破壞深度，通過理論預(yù)測(cè)了15號(hào)煤層在原始條件下的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，二者相加的高度大于3號(hào)煤層與15號(hào)煤層之間的間距，得出開采15號(hào)煤層將受上覆3號(hào)煤層采空區(qū)積水威脅的結(jié)論。

(2)后期開采15號(hào)煤層時(shí)在首采面開展疏放水工程后進(jìn)行采空區(qū)水疏放效果評(píng)價(jià)，確保疏干放凈后方可進(jìn)行回采；理論計(jì)算和實(shí)際情況存在誤差，首采面在回采過程中要及時(shí)開展15號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的實(shí)測(cè)研究；15號(hào)煤層底板下伏高承壓奧灰含水層，還應(yīng)同時(shí)開展15號(hào)煤層“下三帶”研究。