鞠金峰，馬 祥，趙富強，劉陽軍，王業(yè)征，劉 樂，許家林

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)（感知礦山）研究中心，江蘇徐州 221008；3.內(nèi)蒙古仲泰能源有限公司，內(nèi)蒙 古鄂爾多斯 017000；4.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內(nèi)蒙 古鄂爾多斯017000；5.內(nèi)蒙古伊泰集團有限公司，內(nèi)蒙 古鄂爾多斯 017000；6.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

神府-東勝煤田是中國已探明的最大煤田，探明儲量約2 300 億t，位列世界七大煤田之首。 其中的東勝煤田即是它在鄂爾多斯境內(nèi)的一部分。 由于東勝煤田大部分區(qū)域處于毛烏素沙漠邊緣，生態(tài)環(huán)境非常脆弱；大規(guī)模煤炭開發(fā)引起的擾動、損傷勢必造成區(qū)域生態(tài)環(huán)境的進一步惡化。 因此，如何實現(xiàn)東勝煤田豐富煤炭資源的綠色開發(fā)，已成為采礦領(lǐng)域眾多工程技術(shù)人員持續(xù)攻關(guān)的重大技術(shù)問題［1］。

煤炭地下開采引起的導(dǎo)水裂隙是導(dǎo)致地下水流失及地表生態(tài)惡化的地質(zhì)根源，研究揭示東勝煤田采動導(dǎo)水裂隙的發(fā)育規(guī)律，對于實現(xiàn)區(qū)域煤炭綠色開采具有重要指導(dǎo)意義［2］。 在實際工程實踐中，現(xiàn)場往往傾向采用由經(jīng)驗統(tǒng)計得到的“采高倍數(shù)法”來估算采動覆巖的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度（以下簡稱“導(dǎo)高”）［3］；這一方法雖簡單實用，但在開采條件發(fā)生變化時往往會出現(xiàn)估算結(jié)果與實際情況差異較大的現(xiàn)象，導(dǎo)致難以得到準(zhǔn)確的“導(dǎo)高”發(fā)育情況以科學(xué)指導(dǎo)采煤實踐。 如神東礦區(qū)補連塔煤礦31401 工作面［4-5］，采前按照經(jīng)驗統(tǒng)計法預(yù)估導(dǎo)水裂隙不會溝通上覆砂礫含水層，但實際開采卻發(fā)生了多起突水事故；事后經(jīng)探測發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)水裂隙已發(fā)育至基巖頂界面，裂采比高達35，遠超出經(jīng)驗預(yù)估的采高倍數(shù)。顯然，巖層賦存條件的變化是造成這種誤差發(fā)生的根本原因，合理依據(jù)不同地質(zhì)賦存條件開展“導(dǎo)高”的科學(xué)預(yù)計，顯得尤為重要。

通過對東勝煤田賦煤條件的大量調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，由于古構(gòu)造條件與沉積環(huán)境等的不同，不同區(qū)域煤炭賦存表現(xiàn)出較大差別［6-7］。 區(qū)內(nèi)煤層埋深整體呈現(xiàn)東北部淺、西南部深的分布趨勢，而不同主采煤層厚薄不均，但基本屬于大采高開采條件。 這種賦煤條件的差異必然引起區(qū)內(nèi)不同礦井覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育的不同；雖然已有較多文獻［4-5］［8-23］（后文詳述）對區(qū)內(nèi)具體煤礦開采的導(dǎo)水裂隙發(fā)育進行了實測和研究，但相關(guān)成果尚未就東勝煤田上述賦煤特征分布差異對導(dǎo)水裂隙發(fā)育的影響規(guī)律開展研究，尚未形成適宜東勝煤田不同賦煤條件下的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度判別方法；而這些問題的研究對于科學(xué)指導(dǎo)東勝煤田后續(xù)煤炭的科學(xué)開發(fā)、綠色開采等都尤為重要。

為此，通過對東勝煤田各大主力礦井采動導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的大量調(diào)研，基于巖層控制的關(guān)鍵層理論，掌握了煤層賦存條件變化對導(dǎo)水裂隙發(fā)育波動的影響機制；依據(jù)東勝煤田賦煤條件的4 區(qū)域典型分區(qū)，形成了各分區(qū)的“導(dǎo)高”預(yù)計方法，以期為東勝煤田后續(xù)的綠色、高效開發(fā)提供參考。

1 東勝煤田導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征

1.1 東勝煤田概況

東勝煤田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，其東部相毗鄰的即為神府煤田，兩者以省界為邊界線。 其東北部為準(zhǔn)格爾煤田，西部為桌子山煤田，西南部為上海廟煤田，如圖1a 所示。 東勝煤田含煤面積約占鄂爾多斯市總面積的一半以上，共跨全市8 個旗區(qū)，總面積約57 000 km2，探明儲量1 352 億t。 地層層序由老至新依次為三疊系、侏羅系、白奎系、第三系及第四系。 煤層賦存條件穩(wěn)定，水文地質(zhì)條件簡單，地質(zhì)構(gòu)造簡單，礦井瓦斯含量極低。

東勝煤田含煤地層為侏羅系延安組，可采煤層8層，由下向上依次為6-2 中煤、5-3 煤、5-1 煤、4-2 中煤、4-1 煤、3-1 煤、2-2 煤、以及1-2 煤。 煤層上覆巖層多以泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂礫巖等巖性為主。 煤層厚度大、層數(shù)多、相鄰間距小，是區(qū)域賦煤的典型特征，因而區(qū)域內(nèi)多為高產(chǎn)高效的現(xiàn)代化大型礦井。 通過調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，目前對東勝煤田的開發(fā)主要集中于東半部分（圖1a），有萬利、高頭窯、塔然高勒、呼吉爾特、新街等多個國家規(guī)劃礦區(qū)，而其西半部分因煤層埋藏偏深（普遍超過800 m）［7］，尚未開發(fā)。 其中，尤屬煤田東北角的神東和萬利礦區(qū)煤礦分布較為密集，這與該區(qū)域煤層賦存條件相對簡單密切相關(guān)。

圖1 東勝煤田區(qū)位分布及其賦煤特征典型分區(qū)Fig.1 Location distribution of Dongsheng Coalfield and the typical zoning map of coal bearing characteristics

1.2 “導(dǎo)高”現(xiàn)場實測與案例統(tǒng)計

1.2.1 典型案例“導(dǎo)高”實測

1）神東礦區(qū)補連塔煤礦［5］。 因補連塔煤礦31401 工作面曾發(fā)生多起突水事故，故在其出現(xiàn)大量涌水的采空區(qū)開展了覆巖“導(dǎo)高”發(fā)育觀測。 在距離開切眼2 164 m 位置共布置S19 和S21 兩個探測孔，均位于工作面傾向中部，兩孔終孔深度分別為243.7 m 和238.6 m。 兩鉆孔鉆進過程的沖洗液漏失量和孔內(nèi)水位變化曲線如圖2 所示。 其中，S19 鉆孔在孔深86.65 ～87.99 m 階段，沖洗液漏失量從0.125 L／（s·m）迅速升至2.167 L／（s·m），在鉆進83.65～86.99 m 階段孔內(nèi)水位由11.45 m 瞬間漏失至孔底，并在87.10 m 時出現(xiàn)持續(xù)的鉆孔進風(fēng)現(xiàn)象。經(jīng)綜合分析判斷，孔深86.65 m 為導(dǎo)水裂隙帶的頂界，按煤層埋深247 m、采高4.4 m、地表下沉2.0 m計算，對應(yīng)“導(dǎo)高”153.9 m，裂采比為35.0。 類似地，S21 鉆孔在深96.96 ～97.46 m 階段，沖洗液漏失量從0.006 5 L／（s·m）迅速升至29.962 9 L／（s·m），孔內(nèi)水位則由3.85m 瞬間漏失至孔底。 經(jīng)過綜合分析判斷，孔深97.10 m 為導(dǎo)水裂隙帶的頂界，按孔位處煤層埋深244 m 同理可計算出對應(yīng)“導(dǎo)高”140.5 m，裂采比31.9。

2）萬利礦區(qū)萬利一礦。 萬利一礦分別選取開采4-2 煤的一盤區(qū)42104 工作面，以及開采3-1 煤的三盤區(qū)31301 工作面開展了覆巖“導(dǎo)高”的地面鉆孔探測。 其中，42104 工作面探測鉆孔布置于距開切眼1 070 m 處，距離運輸巷70 m；31301 工作面探測鉆孔布置于距開切眼350 m 位置，距離運輸巷70 m。 兩鉆孔鉆進過程的沖洗液漏失量和鉆孔水位變化如圖3 所示。

圖3 萬利一礦探測鉆孔沖洗液漏失與水位變化曲線Fig.3 Leakage of flushing fluid and water level change curve of detection borehole in Wanli Coal Mine

42104 工作面探測鉆孔終孔深度82 m，鉆進過程中在孔深15 m 時開始出現(xiàn)孔口不返漿現(xiàn)象，但其沖洗液漏失量處于較低水平，對應(yīng)孔內(nèi)水位在孔深13.3 m 時開始出現(xiàn)持續(xù)緩慢下降；直至鉆進至孔深52.8 m，沖洗液漏失量和孔內(nèi)水位相繼出現(xiàn)快速變化現(xiàn)象。 為進一步探究孔壁裂縫發(fā)育情況，又采用鉆孔電視進行了觀測，發(fā)現(xiàn)在孔深13 m 左右位置孔壁出現(xiàn)明顯裂縫，而后孔壁裂縫發(fā)育密度持續(xù)加大，且出現(xiàn)孔壁破碎現(xiàn)象。 由此綜合分析判斷，孔深13 m 位置為導(dǎo)水裂隙帶的頂界，根據(jù)煤層埋深79.2 m、采高4.8 m 計算，對應(yīng)“導(dǎo)高”66.2 m，裂采比13.8。

采用類似方法對31301 工作面覆巖“導(dǎo)高”進行了探測。 結(jié)果顯示，在鉆進孔深2 m 時即出現(xiàn)孔口不返漿現(xiàn)象，對應(yīng)沖洗液漏失量基本維持在2 ～4 L／（m·s）范圍，但孔內(nèi)水位持續(xù)下降；在鉆進孔深45～65 m 和76～85 m 階段，沖洗液漏失量出現(xiàn)暫時下降，在孔深92 m 時，沖洗液漏失量與孔內(nèi)水位都出現(xiàn)快速變化。 同時，通過鉆孔電視觀測發(fā)現(xiàn)，進入基巖段孔壁即開始出現(xiàn)破碎和裂縫發(fā)育現(xiàn)象。 由此綜合分析判斷，孔深2 m 為導(dǎo)水裂隙帶的頂界，根據(jù)煤層埋深118.6 m、采高5.1 m 計算，對應(yīng)“導(dǎo)高”116.6 m，裂采比22.9。

值得說明的是，上述2 個工作面“導(dǎo)高”探測時，對應(yīng)工作面已回采完畢較長時間（41104 工作面已采12 a，31301 工作面已采9 a）；由于上覆垮裂巖體在長期壓實、水巖作用等影響下，導(dǎo)水裂隙易發(fā)生一定程度自修復(fù)［23-24］，因而上述測得的沖洗液漏失量整體偏小。

3）新街礦區(qū)紅慶河煤礦。 紅慶河煤礦“導(dǎo)高”探測孔布置于31401 首采工作面，位于距運輸巷30 m位置。 考慮埋深較大、孔壁穩(wěn)定性不易維護，鉆進過程采取先小孔徑鉆進后擴孔的方式，終孔深度618.5 m。 小徑鉆進過程中，在孔深458 m 位置開始出現(xiàn)沖洗液大量漏失及孔口不返漿現(xiàn)象，而后漏失量略有升高并持續(xù)至孔深509 m 位置，漏失量大幅升高（約為前者的2 倍）；在后續(xù)鉆進過程中，漏失量雖有暫時降低，但后續(xù)又出現(xiàn)持續(xù)升高現(xiàn)象。而在擴孔過程中，鉆進直至538 m 位置時才出現(xiàn)沖洗液大量漏失和孔口不返漿現(xiàn)象，推斷原先小孔徑鉆進時在孔深458 ～538 m 出現(xiàn)的裂縫發(fā)育程度不高、已被護孔泥漿堵住。 隨著擴孔鉆進的繼續(xù)進行，沖洗液漏失量緩慢上升。 考慮到處于導(dǎo)水裂隙帶上部的彎曲下沉帶也發(fā)育有離層裂縫，也會造成沖洗液大量漏失，因而僅憑沖洗液漏失量變化曲線尚不足以判斷導(dǎo)水裂隙帶的頂界面位置，進一步結(jié)合孔內(nèi)水位進行分析。

由鉆孔水位變化可見，在沖洗液漏失量出現(xiàn)大量漏失的458 m 孔深位置，其水位確實出現(xiàn)了下降，但其水位絕對值并不深，且在后續(xù)鉆進過程中，隨著沖洗液的持續(xù)漏失，孔內(nèi)水位并未出現(xiàn)明顯下降現(xiàn)象，說明對應(yīng)區(qū)域并未進入導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)；而后，當(dāng)鉆孔鉆進至孔深583 m 時，孔內(nèi)水位出現(xiàn)突降，表明鉆孔揭露巖體內(nèi)裂縫較為發(fā)育。 由此判斷，導(dǎo)水裂隙帶頂界面應(yīng)處于埋深583 m 位置。 后續(xù)實施的鉆孔電視觀測也證實了上述判斷。 根據(jù)煤層埋深703.3 m、采高6 m 計算，“導(dǎo)高”為120.3 m，裂采比20.1。

圖4 紅慶河煤礦“導(dǎo)高”探測數(shù)據(jù)曲線及鉆孔電視照片F(xiàn)ig.4 Detection data of water-conducted fractures and the borehole TV pictures in Hongqinghe Coal Mine

1.2.2 其他主力礦井“導(dǎo)高”統(tǒng)計

除了上述典型礦井的現(xiàn)場實測，還對東勝煤田其他主力礦井的“導(dǎo)高”情況進行了統(tǒng)計，詳見表1。各礦井的地理位置分布如圖1b 所示。 根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，進一步得到了覆巖裂采比分別隨煤層埋深和采高的離散分布圖，如圖5 所示。 由圖5 可見，受煤層開采條件變化影響，覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育呈現(xiàn)較大波動性。 相比而言，深部區(qū)覆巖采動裂采比的波動程度明顯偏小。 埋深500 ～700 m 對應(yīng)裂采比波動性最低，而埋深200 ～300 m 裂采比的波動性最高。 但隨煤層采高變化，裂采比的波動性變化規(guī)律并不明顯。 由此說明，淺部煤層開采更易引起導(dǎo)水裂隙發(fā)育的大幅度波動；同時也能說明在東勝煤田單純采用“采高倍數(shù)”法來進行“導(dǎo)高”預(yù)計是不合適的，一方面難以對合理的倍數(shù)進行取值，另一方面，在區(qū)內(nèi)普遍大采高開采條件下，一旦選取倍數(shù)產(chǎn)生誤差，最終得到預(yù)計結(jié)果的誤差將更為顯著。

圖5 東勝煤田采動覆巖裂采比隨煤層埋深和采高變化的散點分布Fig.5 Scatter distribution of ratio of water-conducted fracture zone height and mining height in Dongsheng Coalfield

表1 東勝煤田主力礦井采動覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度統(tǒng)計Table 1 Statistical of height of water-conducted fracture zone in main mines of Dongsheng Coalfield

續(xù)表

1.3 導(dǎo)水裂隙發(fā)育的區(qū)域波動機理分析

根據(jù)巖層控制的關(guān)鍵層理論［25］，覆巖關(guān)鍵層位置的變化將直接引起導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的變化。 研究發(fā)現(xiàn)，受關(guān)鍵層破斷運動及其對采動裂縫發(fā)育控制的影響，處于煤層頂板7 ～10 倍采高（一般按10倍計）范圍的關(guān)鍵層，其破斷裂縫均能達到導(dǎo)水的臨界條件，因而，可按7～10 倍采高范圍之外最近一層關(guān)鍵層的位置來確定覆巖“導(dǎo)高”［26-27］。 即導(dǎo)水裂隙將最終發(fā)育至該關(guān)鍵層底界面，“導(dǎo)高”即為煤層至這層關(guān)鍵層底界的距離。 若7 ～10 倍采高之外無關(guān)鍵層，則導(dǎo)水裂隙將直接發(fā)育至基巖頂界面，對應(yīng)“導(dǎo)高”值將大于等于基巖厚度。 按照這一規(guī)律，可對上述煤層埋深變化引起“導(dǎo)高”波動性差異的機理進行分析。

煤層埋深大小直接決定了覆巖關(guān)鍵層的數(shù)量。一般而言，淺埋煤層相比深埋煤層其覆巖中存在的關(guān)鍵層數(shù)量更少些；如此，處于7 ～10 倍采高之外的關(guān)鍵層數(shù)量將更少。 當(dāng)7～10 倍采高附近關(guān)鍵層所處層位因區(qū)域賦存條件變化而發(fā)生改變時，將直接引起“導(dǎo)高”值的波動。 極限情況下，當(dāng)7 ～10 倍采高之外僅存在1 層關(guān)鍵層時，則這層關(guān)鍵層位置變化引起的“導(dǎo)高”值波動范圍將為該關(guān)鍵層距煤層距離和上覆基巖厚度，變化幅度自然偏高。

為更清晰地闡述上述分析，以前述萬利一礦2個試驗工作面的覆巖柱狀進行了說明。 從“導(dǎo)高”探測結(jié)果可見，兩工作面雖然采高相差不大，但裂采比卻差異顯著。 其根本原因就是覆巖關(guān)鍵層數(shù)量及其層位變化帶來的影響。 如圖6 所示是2 個工作面探測區(qū)附近的鉆孔柱狀及其關(guān)鍵層位置判別結(jié)果。對于42104 工作面，其覆巖共有4 層關(guān)鍵層，按煤層采高10 倍范圍判斷，該范圍外尚存在1 層關(guān)鍵層（即主關(guān)鍵層），因而導(dǎo)水裂隙發(fā)育至主關(guān)鍵層底界面。 而對于31301 工作面，覆巖中僅由2 層關(guān)鍵層，10 倍采高范圍之外已無關(guān)鍵層，因而造成導(dǎo)水裂隙直接發(fā)育至基巖頂界面，導(dǎo)致其“導(dǎo)高”值遠大于42104 工作面，造成同一礦井類似開采條件下“導(dǎo)高”的顯著波動。 可以推斷，倘若31301 工作面覆巖主關(guān)鍵層層位向上變化超過5 m，導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度將能控制在主關(guān)鍵層底界面以下，此時其“導(dǎo)高”值才與42104 工作面類似，才不會出現(xiàn)較大波動。類似地，前述補連塔煤礦12401 工作面在突水區(qū)域測得裂采比31.9 ～35.0 的導(dǎo)水裂隙異常發(fā)育，也是因主關(guān)鍵層處于7～10 倍采高范圍內(nèi)引起的。 具體文獻［5］中已有論述，在此不再贅述。

圖6 萬利一礦“導(dǎo)高”探測區(qū)覆巖柱狀Fig.6 Overlying rock column in detection area of Wanli Coal Mine

而對于深部煤層開采，其覆巖關(guān)鍵層數(shù)量（尤其是7～10 倍采高范圍之外的關(guān)鍵層數(shù)量）相對偏多，當(dāng)7～10 倍采高范圍附近關(guān)鍵層位置發(fā)生變化時，“導(dǎo)高”的波動范圍僅限于該關(guān)鍵層與其上部相鄰關(guān)鍵層之間的間距，難以出現(xiàn)因主關(guān)鍵層進入7～10 倍采高范圍而引起的“導(dǎo)高”顯著增大現(xiàn)象。 以前述紅慶河煤礦31401 工作面偏深部開采的導(dǎo)水裂隙發(fā)育案例進行說明。 工作面走向不同開采區(qū)域覆巖關(guān)鍵層位置分布如圖7 所示［17］，據(jù)此可對不同區(qū)域的采動覆巖“導(dǎo)高”進行判別。 按照煤層6.0 m 的采高，取10 倍采高判別，3 個鉆孔區(qū)域的“導(dǎo)高”值分別為155.2、120.2、141.3 m，對應(yīng)裂采比分別為25.9、20.0、23.6（與表1 中的實測值接近，表明判別方法的可靠）。 可見3 鉆孔區(qū)域覆巖“導(dǎo)高”的波動性并不明顯，而這正是由于10 倍采高附近關(guān)鍵層與其上部相鄰關(guān)鍵層間距偏小、且變化不大引起的。

圖7 紅慶河煤礦不同開采區(qū)域“導(dǎo)高”判斷Fig.7 Judgment of water-conducted fracture zone height in different mining areas of Hongqinghe Coal Mine

綜上可見，東勝煤田淺部煤層開采覆巖“導(dǎo)高”波動性偏大的現(xiàn)象主要是由于煤層上覆7 ～10 倍采高范圍之外關(guān)鍵層數(shù)量少、間距大引起，尤其是在覆巖7 ～10 倍采高之外無關(guān)鍵層的條件下，極易引起導(dǎo)水裂隙直接發(fā)育至基巖頂界面，造成“導(dǎo)高”值的異常大幅度波動。 而在深部開采條件下，與淺部相反，其覆巖7 ～10 倍采高范圍之外關(guān)鍵層數(shù)量多、間距小，因而不易出現(xiàn)“導(dǎo)高”大幅度波動的現(xiàn)象。

2 東勝煤田覆巖“導(dǎo)高”的分區(qū)判別方法

2.1 東勝煤田賦煤條件分區(qū)

為弄清東勝煤田煤層賦存的整體分布特征，以便更好地指導(dǎo)不同賦煤條件下伏巖“導(dǎo)高”的準(zhǔn)確判別，對東勝煤炭賦煤條件進行了分區(qū)。 考慮到煤田內(nèi)賦存煤層較多，而各煤層在不同區(qū)域又存在較大的稟賦差異（有的地區(qū)煤層賦存厚，有的地區(qū)薄、甚至尖滅），因而最終選取在全區(qū)內(nèi)普遍賦存的3-1煤進行了調(diào)研和分區(qū)（各大礦井基本已開始該煤層的開采）。

累計對區(qū)內(nèi)23 對主力礦井開展了調(diào)研統(tǒng)計。根據(jù)上述分析結(jié)果，煤層埋深對覆巖“導(dǎo)高”的波動性影響較大，因而主要對各礦井3-1 煤賦存的平均埋深進行了統(tǒng)計，如圖8 所示。 3-1 煤的賦存狀態(tài)一定程度也反映了煤系地層其他可采煤層的賦存特征。 即3-1 煤埋深較淺／深的區(qū)域，對應(yīng)其他主采煤層也應(yīng)埋深較淺／深。 各調(diào)研礦井的分布如圖1b所示。 由統(tǒng)計可見，3-1 煤埋深整體呈現(xiàn)東北部淺、西南部深的分布趨勢，且埋深越淺的區(qū)域煤礦分布密度越高；在鄂托克前旗、鄂托克旗等煤層埋深相對較大（超800 m）的地區(qū)［7］，目前尚未開發(fā)。 由圖1b可見，各礦井3-1 煤埋深（H）的分布在其地理位置上具有顯著的聚集性，煤層平均埋深小于300 m 的礦井基本集中于東勝煤田東北部的神東礦區(qū)、萬利礦區(qū)、以及高頭窯礦區(qū)的部分區(qū)域，而埋深500～800 m 的礦井基本位于煤田東西向中部附近的納林河礦區(qū)、呼吉爾礦區(qū)、納林希里礦區(qū)、以及塔然高勒礦區(qū)的部分區(qū)域。 由此按照埋深H≤300 m、300 m＜H≤500 m、500 m＜H≤800 m、H＞800 m 這4 個區(qū)間，對東勝煤田賦煤特征進行了分區(qū)。

圖8 各礦3-1 煤平均埋深分布Fig.8 Distribution of average depth of 3-1 coal in each mine

各分區(qū)具體區(qū)域劃分時，考慮到高頭窯礦區(qū)相關(guān)調(diào)研礦井案例偏少，故參照了該區(qū)域相關(guān)勘探區(qū)的資料［28-29］，柴登勘查區(qū)和速貝梁勘查區(qū)3-1 煤埋深分別為444.80～810.55 m 和525.4～715.85 m。 相鄰分區(qū)的交界線按照兩者對應(yīng)礦井位置的中間點連線進行確定。 4 個典型分區(qū)的劃分結(jié)果如圖1b 所示，其中，Ⅰ區(qū)屬淺埋區(qū)，Ⅱ、Ⅲ區(qū)為中等埋深區(qū)，Ⅳ區(qū)為深埋區(qū)（尚未開發(fā)）。 需要說明的是，雖然馬泰壕煤礦3-1 煤平均埋深僅200 m 左右，但由于其地理位置處于Ⅱ、Ⅲ區(qū)的交界區(qū)，考慮地理位置相近具有類似的地層賦存特性，因而將其劃歸為Ⅱ區(qū)。 可見，若以東勝煤田的中軸線為分界線，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)位于中軸線以東，IV 區(qū)位于中軸線以西；且Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)沿著陜蒙交界線自北向南依次分布。

2.2 不同分區(qū)“導(dǎo)高”預(yù)計方法

根據(jù)表1 和圖5 的統(tǒng)計結(jié)果，當(dāng)煤層埋深小于200 m 時，裂采比處于10.9 ～25.5，“導(dǎo)高”波動范圍達到2.34 倍；當(dāng)煤層埋深介于200 ～300 m 時，裂采比處于13.7～35.0，“導(dǎo)高”波動范圍達到2.55 倍；當(dāng)煤層埋深介于300 ～500 m 時，裂采比處于12.5 ～25.4，“導(dǎo)高”波動范圍達到2.03 倍；而當(dāng)煤層埋深超過500 m 時，裂采比處于17.2 ～24 之間，“導(dǎo)高”波動范圍僅1.40 倍。 可見，煤層埋深處于500 m 以內(nèi)，對應(yīng)覆巖“導(dǎo)高”都呈現(xiàn)較高的波動性（超2倍），若實際工程實踐中采取采高倍數(shù)法進行“導(dǎo)高”預(yù)計，勢必產(chǎn)生較大誤差。 由此對圖1b 所示幾個分區(qū)的覆巖“導(dǎo)高”預(yù)計方法進行了確定。

對于I、II 區(qū)，其3-1 煤埋深普遍低于500 m，因而當(dāng)對應(yīng)區(qū)域內(nèi)3-1 煤或其上部2-2 或1-2 等煤層開采時，不宜采用采高倍數(shù)法進行“導(dǎo)高”預(yù)計，而應(yīng)基于開采區(qū)域具體覆巖柱狀，采用“基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶預(yù)計方法”［27］進行預(yù)計。 而對于區(qū)內(nèi)3-1 煤層以下更深部煤層的開采，若其為首采煤層、上覆無已采煤層采空區(qū)，則在預(yù)計精度要求不高的條件下，可采用17～24 倍采高的統(tǒng)計值來預(yù)計。 而若其屬于上煤層已采的煤層群開采條件，則最終的導(dǎo)水裂隙頂界是否超出上煤層采后的“導(dǎo)高”，主要由煤層間距及上下煤層的累計采高共同而定，所以此時也無法采用采高倍數(shù)法進行估算，而應(yīng)根據(jù)關(guān)鍵層破斷裂縫導(dǎo)水性臨界條件，按照下煤層開采擾動對上煤層已斷關(guān)鍵層破斷裂縫的活化特征來確定“導(dǎo)高”，具體參見文獻［30］基于關(guān)鍵層理論形成的煤層群“導(dǎo)高”預(yù)計方法。

而對于Ⅲ區(qū)以及將來開發(fā)的IV 區(qū)，由于首采煤層普遍都為3-1 煤，且煤層埋深已超500 m，所以參照上述方法，在預(yù)計精度要求不高的條件下，可采用17～24 倍采高的統(tǒng)計值來預(yù)計。 而當(dāng)進入下部更深煤層的重復(fù)開采時，尚需考慮關(guān)鍵層賦存特征進行預(yù)計。

3 結(jié) 論

1）統(tǒng)計得到了東勝煤田17 對主力礦井30 個工作面的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度，發(fā)現(xiàn)深部區(qū)相比淺部區(qū)覆巖采動裂采比的波動程度明顯偏低。 埋深500 ～700 m 對應(yīng)裂采比處于17.2 ～24，上下波動范圍最小，僅1.40 倍；而埋深200 ～300 m 對應(yīng)裂采比處于13.7～35.0，上下波動范圍最高，達到2.55 倍。 但隨煤層采高變化裂采比波動變化規(guī)律并不明顯。 由此說明，單純采用“采高倍數(shù)”法進行在東勝煤田采動覆巖“導(dǎo)高”的預(yù)計是不合適的，尤其是在淺部煤層開采區(qū)域。

2）基于巖層控制的關(guān)鍵層理論，對煤層埋深不同引起“導(dǎo)高”波動程度差異的原因進行了解釋。覆巖7～10 倍采高范圍附近關(guān)鍵層的位置及其數(shù)量直接決定了導(dǎo)水裂隙的頂界位置，“導(dǎo)高”波動上下差值即為7～10 倍采高范圍附近關(guān)鍵層與其上部相鄰關(guān)鍵層（或基巖頂界）之間的間距。 由于深埋煤層覆巖7 ～10 倍采高范圍之外關(guān)鍵層數(shù)量相對偏多、間距偏小，因而其“導(dǎo)高”波動幅度并不顯著；而淺埋煤層極易出現(xiàn)覆巖7 ～10 倍采高范圍之外僅1層或無關(guān)鍵層的情況，引起“導(dǎo)高”在主關(guān)鍵層底界與基巖頂界之間波動，波動幅度明顯提高。

3）通過對東勝煤田全區(qū)賦存3-1 煤層的地質(zhì)條件調(diào)研，按煤層埋深不同將其劃分為4 個分區(qū)。Ⅰ區(qū)埋深小于300 m，Ⅱ區(qū)埋深介于300 ～500 m，Ⅲ區(qū)埋深介于500 ～800 m，Ⅳ區(qū)埋深大于800 m；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)位于煤田中軸線以東，IV 區(qū)位于中軸線以西，且Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)沿著陜蒙交界線自北向南依次分布。 目前東勝煤田的密集采煤主要集中于煤田東北角的I 區(qū)淺部區(qū)，Ⅱ、Ⅲ區(qū)相對偏少，而IV 區(qū)因埋深偏大尚未開發(fā)。

4）依據(jù)煤層埋深差異對覆巖“導(dǎo)高”波動性的影響規(guī)律，提出了各典型分區(qū)“導(dǎo)高”的預(yù)計方法。其中，I、II 區(qū)煤層埋深普遍小于500 m，不宜采用傳統(tǒng)“采高倍數(shù)”法進行估算，而應(yīng)基于關(guān)鍵層具體賦存情況進行判別，以避免因關(guān)鍵層位置變化引起“導(dǎo)高”大幅波動而造成預(yù)計誤差。 而對于Ⅲ區(qū)深部區(qū)，在預(yù)計精度要求不高時，可選擇采用17 ～24倍采高的統(tǒng)計值進行簡單估算。