劉瑞瑞，劉 洋，方 剛，4，梁向陽，黃 浩，劉晨光

（1.榆陽中能袁大灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077；4.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054）

陜北侏羅紀(jì)煤田內(nèi)煤炭資源豐富，分布有諸多大型井田，其中，榆橫北區(qū)內(nèi)大多數(shù)礦井暫未開采，區(qū)內(nèi)首采的2 號煤層埋深自東向西逐漸增大，根據(jù)侏羅紀(jì)煤田以往采掘經(jīng)驗(yàn)，各礦井普遍受到煤層頂板水害影響或威脅[1-2]，而對于此類水害問題，主要手段則是在工作面回采前進(jìn)行頂板含水層水體疏放，因此，對于煤層開采后覆巖破壞規(guī)律方面的研究則顯得尤為重要，準(zhǔn)確掌握煤層覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度有助于指導(dǎo)相關(guān)防治水工作的高效開展，提高水害防治準(zhǔn)確性，保證安全生產(chǎn)。

多年以來，業(yè)內(nèi)學(xué)者們對于煤層覆巖導(dǎo)水裂隙帶開展的研究較為豐富，從不同領(lǐng)域、角度出發(fā)，采用不同方法手段，現(xiàn)已取得了豐碩成果[3-4]。郭文兵等[5]通過理論分析、模擬實(shí)驗(yàn)等方法對覆巖導(dǎo)裂帶高度影響因素的敏感性及工作面尺寸關(guān)系進(jìn)行研究，提出覆巖破壞充分采動程度的定義和判別方法；楊俊哲等[6]采用沖洗液漏失量和鉆孔彩色電視觀測結(jié)合的方法，對神東地區(qū)中埋大采高（埋深約200 余m、7.4 m 煤厚）一次采全高工作面進(jìn)行地面鉆探采后實(shí)測；李磊[7]分析了陜北部分地區(qū)淺埋深厚紅土層薄基巖的“上軟下硬”覆巖結(jié)構(gòu)，認(rèn)為紅土層對導(dǎo)裂帶發(fā)育高度有抑制作用，經(jīng)數(shù)值模擬及實(shí)踐開采驗(yàn)證了“泥蓋效應(yīng)”的規(guī)律；李奇等[8]綜合考慮采高、覆巖特性、采煤方法、工作面尺寸、煤層傾角等因子，并構(gòu)建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測覆巖“兩帶”高度，提出推進(jìn)速度是“兩帶”高度發(fā)展的抑制因素；呂文斌等[9]采用分布式光纖和并行電法等手段，以此解決弱膠結(jié)巖體遇水易軟化劣化而難以實(shí)測覆巖“兩帶”發(fā)育高度的問題；楊達(dá)明等[10]采用CAN-II 大地電磁探測法分析工作面采后覆巖破壞情況及裂隙發(fā)育過程特征，并認(rèn)為提高物探儀器對裂隙探測的敏感度及物探解譯準(zhǔn)確度可推廣覆巖破壞研究成果；趙高博等[11]通過分析煤層覆巖初次垮落機(jī)制、巖層懸伸破斷機(jī)制和巖塊結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)制，構(gòu)建巖層懸空完整力學(xué)模型，經(jīng)與回歸分析法和數(shù)值模擬法對比驗(yàn)證，提出一種綜放開采覆巖導(dǎo)裂帶理論預(yù)測方法；王云廣等[12]基于高強(qiáng)度開采工作面覆巖短時間產(chǎn)生劇烈破壞、非連續(xù)變形明顯、不產(chǎn)生“蠕變”等特征，提出三維立體空間條件下“彈性薄板”+“平行壓力拱”復(fù)合機(jī)理模型，并揭示其覆巖運(yùn)移變化過程和機(jī)理；陳凱等[13]通過分形幾何理論和離散元數(shù)值模擬的方法對采動覆巖裂隙分形演化規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)西部礦區(qū)巨厚煤層在分層開采條件下覆巖裂隙發(fā)育和擴(kuò)展具有良好的自相似性。此外，還有學(xué)者們從高精度智能化方法（人工智能、5G 聯(lián)通技術(shù)、大數(shù)據(jù)平臺）[14]，覆巖破壞空間形態(tài)及機(jī)理[15]，模擬軟件方法利弊[16]，綜合方法對比應(yīng)用[17]等方面進(jìn)行探索研究。以上研究成果對于煤層覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度的研究做出了貢獻(xiàn)，然而該項(xiàng)研究工作在陜北侏羅紀(jì)煤田中部的榆橫北區(qū)內(nèi)開展的較少，袁大灘煤礦作為榆橫北區(qū)內(nèi)的重點(diǎn)礦井，對其首采工作面開展覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度的研究則具有重要意義。為此，通過對礦井水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，采用模擬實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測的方法[18]，對礦井11201首采工作面2 號煤層覆巖“兩帶”發(fā)育高度進(jìn)行研究，確定工作面回采后頂板覆巖破壞和含水層波及的情況，評價2 號煤層開采受上覆含水層的影響程度，以此為礦井后期的防治水工作提供依據(jù)，也可為區(qū)內(nèi)尚未生產(chǎn)開采的條件類似礦井提供參考。

1 研究區(qū)概況

袁大灘煤礦位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫北區(qū)東北部，礦井采用立井-斜井聯(lián)合開拓，采用綜采一次采全高的采煤法，后退式回采，全垮落法管理頂板。礦井按煤組共劃分3 個水平，首采的2 號煤為第1 水平，3-1和4-2號煤為二水平，5、7、8 和9 號煤為三水平，井田面積近162 km2，生產(chǎn)規(guī)模5.00 Mt/a。礦井11201 首采工作面走向長度5 186 m、傾向長度300 m，開采的2 號煤層厚度為1.95～3.60 m、平均約3.2 m，埋深344.69～392.17 m、平均約372.23 m。井田地處鄂爾多斯臺向斜寬緩的東翼的陜北斜坡上，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，整體呈北東向南西傾斜的單斜構(gòu)造，含煤地層近水平分布，無煤層露頭、未發(fā)現(xiàn)大型斷層構(gòu)造、亦無巖漿活動。2 號煤上覆有侏羅系延安組、直羅組含水層，白堊系洛河組含水層，第四系松散含水層。研究主要目的為礦井首采2 號煤確定覆巖“兩帶”發(fā)育高度，指導(dǎo)礦井防治水工作的開展。工作面鉆孔柱狀示意圖如圖1。

圖1 工作面鉆孔柱狀示意圖Fig. 1 Working face drilling column diagram

2 研究方法

2.1 現(xiàn)場實(shí)測

2.1.1 鉆孔水文觀測

研究在地面施工T1、T2、T3 孔共3 個探查孔進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測工作。平面上，3 個鉆孔所處的勘探線位置距離11201 工作面切眼以南300 m，為工作面初次見方后頂板充分垮落的位置；其中，采前孔1 個（T1 孔），在11201 工作面東側(cè)施工，距離工作面東側(cè)邊界150 m，根據(jù)相關(guān)要求[19-20]，基巖段按照巖移角70°計算，采空區(qū)影響范圍為120 m，不會影響到T1 孔；采后孔2 個（T2、T3），均在11201 工作面上方施工，T3 孔位于11201 工作面中部，T2 孔位于11201 工作面東邊界靠近煤柱內(nèi)側(cè)的位置。鉆孔布置平面圖如圖2。

圖2 鉆孔布置平面圖Fig. 2 Drilling layout plan

T1 采前孔為背景值孔（終孔深度381.82 m），施工過程中對孔內(nèi)進(jìn)行了取心、抽水、測井、窺視、漏失量觀測等相關(guān)測試實(shí)驗(yàn)，取得的測試成果作為后續(xù)T2 和T3 采后孔的參考背景值。沖洗液漏失量如下：

1）T1 采前孔。T1 孔深120～231.33 m，鉆孔漏失量較小，鉆井液正常返水，最小漏失量0.030 m3/h，單位時間單位進(jìn)尺最小漏失量0.001 9 L/（s·m），最大漏失量0.268 m3/h，單位時間單位進(jìn)尺最大漏失量0.006 4 L/（s·m），平均漏失量0.085 4 m3/h，單位時間單位進(jìn)尺平均漏失量0.002 3 L/（s·m）。此階段鉆孔漏失量較小，屬于鉆進(jìn)過程中鉆井液正常損耗，揭露地層完整，原生裂隙不發(fā)育。在孔深231.33～381.82 m，鉆孔漏失量出現(xiàn)2 次突增現(xiàn)象，分別為孔深242.89 m，漏失量達(dá)到了0.621 m3/h，單位時間單位進(jìn)尺漏失量大于0.013 9 L/（s·m）；孔深311.82 m，漏失量1.258 m3/h，單位時間單位進(jìn)尺漏失量0.035 7 L/（s·m）；孔深242.89、311.82 m 2 個漏失量突增點(diǎn)（段），說明原始地層中局部發(fā)育有單條、連通性弱的原生裂隙。

2）T2 采后孔。T2 采后孔為“兩帶”發(fā)育高度測試鉆孔（終孔深度351.62 m），在11201 回采經(jīng)過該孔所在位置6 個月后開始施工。孔位選擇在距離T1采前孔附近西75 m 左右進(jìn)行施工。在施工過程中，對鉆孔進(jìn)行取心及漏失量觀測等相關(guān)測試實(shí)驗(yàn)。該孔終孔層位位于2 號煤內(nèi)。T2 孔的全孔段漏失量變化曲線大致分為3 個階段：①第1 階段：孔深120～124.39 m，120 m 之前鉆孔漏失量相對較小，鉆井液正常返水，當(dāng)孔深達(dá)到124.39 m，漏失量發(fā)生突變，最大漏失量1.137 m3/h，單位時間單位進(jìn)尺最大漏失量0.051 4 L/（s·m），此階段鉆孔漏失量較T1 采前孔相比較，鉆孔液漏失量和單位時間單位進(jìn)尺漏失量均有1 個數(shù)量級上的增大，說明煤層開采對上覆彎曲下沉帶巖層產(chǎn)生擾動影響，導(dǎo)致原巖完整性受到破壞，發(fā)育有層隙、裂隙，但連通性差；②第2 階段：孔深124.39～282.32 m，鉆孔漏失量呈震蕩規(guī)律變化，鉆井液返水量明顯減小，最小漏失量1.127 m3/h，單位時間單位進(jìn)尺最小漏失量0.028 4 L/（s·m），最大漏失量1.684 m3/h，單位時間單位進(jìn)尺最大漏失量0.056 6 L/（s·m），平均漏失量1.378 m3/h，單位時間單位進(jìn)尺平均漏失量0.036 1 L/（s·m），此階段漏失量和單位時間單位進(jìn)尺漏失量均明顯增大，表明此段巖層局部發(fā)育有裂隙，連通性較強(qiáng)；③第3 階段：孔深282.32～351.62 m，鉆孔漏失量達(dá)到最大值，鉆井液不返水，漏失量≥9 m3/h，單位時間單位進(jìn)尺漏失量0.085 4～1.442 L/（s·m），較第2 階段相比，漏失量已達(dá)到最大觀測值，單位時間單位進(jìn)尺漏失量增大1 倍，隨著鉆探進(jìn)尺的不斷增加，單位時間單位進(jìn)尺漏失量不斷波動，呈震蕩規(guī)律變化。

3）T3 采后孔。T3 孔為“兩帶”發(fā)育高度測試鉆孔（終孔深度361.00 m），在11201 回采經(jīng)過該孔所在位置6 個月后開始施工?？孜贿x擇在T1 孔偏西225 m 處附近進(jìn)行施工。在施工過程中，對鉆孔進(jìn)行取心及漏失量觀測等相關(guān)測試實(shí)驗(yàn)，該孔終孔層位位于2 煤采后垮落帶內(nèi)。T3 孔的全孔段漏失量變化曲線大致分為3 個階段：①第1 階段：孔深120～124.79 m，120 m 之前鉆孔漏失量相對較小，鉆井液正常返水，當(dāng)孔深達(dá)到124.39 m，漏失量發(fā)生突變，最大漏失量0.471 m3/h，單位時間單位進(jìn)尺最大漏失量0.022 8 L/（s·m），此階段鉆孔漏失量較T1 采前孔相比較，鉆孔液漏失量和單位時間單位進(jìn)尺漏失量均有1 個數(shù)量級上的增大，說明煤層開采對上覆巖層和黃土覆蓋層產(chǎn)生的擾動影響，導(dǎo)致原巖完整性受到破壞，發(fā)育有層隙、裂隙，但連通性差；②第2 階段：孔深124.79～287.52 m，鉆孔漏失量逐漸增大，鉆井液返水量降低，最小漏失量0.471 m3/h，單位時間單位進(jìn)尺最小漏失量0.012 8 L/（s·m），最大漏失量1.783 m3/h，單位時間單位進(jìn)尺最大漏失量0.026 2 L/（s·m），平均漏失量0.986 m3/h，單位時間單位進(jìn)尺平均漏失量0.025 3 L/（s·m），相同層段與T1 采前孔漏失量對比，鉆孔液漏失量和單位時間單位進(jìn)尺漏失量均有明顯增大，充分說明煤層開采對該段巖層和產(chǎn)生的擾動影響，導(dǎo)致原巖完整性受到破壞，發(fā)育有層隙、裂隙；③第3 階段，孔深287.52～361.00 m，鉆孔漏失量突然增加，漏失量達(dá)到大于9 m3/h，平均漏失量為6.857 m3/h，單位時間單位進(jìn)尺平均漏失量0.192 L/（s·m），漏失量和單位時間單位進(jìn)尺漏失量增大明顯。隨著鉆探進(jìn)尺的不斷增加，鉆孔漏失量達(dá)到最大，鉆井液不返水。

對比3 個鉆孔鉆進(jìn)過程中沖洗液漏失量，T1 孔代表地層原生孔隙、裂隙發(fā)育程度，T2、T3 孔在代表采動影響，頂板巖層收到擾動和破壞后孔隙裂隙的發(fā)育程度，可以看到，在垂深280 m 以上，T2、T3 孔漏失量和T1 孔差別不大，表明巖層受破壞程度小，垂深280 m 以下，T2、T3 孔漏失量隨著孔深（H）增大而注漿增大，直至孔內(nèi)不反水，沖洗液全部漏失，表明巖層受破壞程度不斷增大，根據(jù)沖洗液漏失量，初步判斷導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀缥挥诖股?80 m 以下[17-18]，具體的位置還需要通過壓水試驗(yàn)進(jìn)一步確定。鉆孔沖洗液漏失量對比圖如圖3。圖中：Q 為沖洗涌失量；H 為孔深。

圖3 鉆孔沖洗液漏失量對比圖Fig. 3 Contrast diagram of loss of drilling flushing fluid

2.1.2 鉆孔壓水試驗(yàn)

壓水試驗(yàn)采用鉆孔雙端封堵測漏裝置[17-18]，通過分析覆巖漏失量變化情況可以確定煤層采后“兩帶”發(fā)育高度。

在T1～T3 鉆孔壓水測試現(xiàn)場工作中，完成注入水量、注水壓力、孔口水量變化等原始記錄，獲取了相應(yīng)的資料。每個鉆孔測試時間為10 d，測試段為260～320 m 層段，測試段個數(shù)各60 個。

T2～T3 鉆孔為11201 煤層回采后覆巖地層漏失量觀測孔。各鉆孔測試均自上而下進(jìn)行，按1 m 間距進(jìn)行壓水試驗(yàn)。通過觀察鉆孔不同位置漏水量，判斷導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度。期間，多次發(fā)生由于塌孔影響使膠囊膨脹后破損，無法封堵住孔壁出水的現(xiàn)象，增加了測試難度。

在T1 鉆孔壓水測試中，260～265 m 孔段在最大水壓力1 MPa 情況下無法注入水量，同時增加測量測試段出水；260～265 m 在1、1.5 MPa 壓力下無法注入水量；273～276、293～295 m 層段時可聽到孔內(nèi)有咕隆聲，孔口有吸風(fēng)現(xiàn)象。

在T2 鉆孔壓水測試中，孔深277～278、290～291、297～298 m 孔段由于塌孔無法進(jìn)行壓水測試；261～263、267～269 m 孔段在最大水壓力1、1.5 MPa情況下無法注入水量；271～274、277～278、290～291 m 層段時可聽到孔內(nèi)有咕隆聲，孔口有吸風(fēng)現(xiàn)象；272～273、290～291、297～298 m 在2 MPa 發(fā)生膠囊沒封住和塌孔現(xiàn)象；312～320 m 壓水試驗(yàn)過程中水量漏失嚴(yán)重。

在T3 鉆孔壓水測試中，孔深264～265、266～267、292～293、293～294、297～298 m 孔段由于壓力為2 MPa 時塌孔無法進(jìn)行壓水測試；260～264、265～266 m 在注水壓力1、1.5 MPa 時注不進(jìn)水；274～276 m注水壓力穩(wěn)不住，孔內(nèi)涌水顯著增大，無法測試。314 m 以后的孔段水量漏失嚴(yán)重。

導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度實(shí)測圖如圖4。壓水量對比圖如圖5。

圖4 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度實(shí)測圖Fig.4 Measured drawing of development height of water-conducting fracture zone

圖5 壓水量對比圖Fig.5 Contrast diagram of water pressure

鉆孔壓水試驗(yàn)成果分析如下：

1）根據(jù)T2 鉆孔壓水試驗(yàn)過程漏失情況，結(jié)合孔口標(biāo)高為+1 233.54 m，煤層頂板標(biāo)高為+842.18 m，計算得出T2 鉆孔導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀鐬榭咨?87 m，標(biāo)高+946.54 m，可得導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為104.36 m，測試區(qū)域煤層厚度3.6 m，采高3.2 m，裂采比為32.61 倍。

2）根據(jù)T3 鉆孔壓水試驗(yàn)過程漏失情況，結(jié)合T3鉆孔孔口標(biāo)高為+1 233.58 m，煤層頂板標(biāo)高為+842.21 m，計算得出T3 鉆孔導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀鐬榭咨?81 m，標(biāo)高+952.58 m，可得導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為110.37 m，測試區(qū)域煤層厚度3.6 m，采高3.2 m，裂采比為34.49 倍。

3）對比3 個鉆孔壓水試驗(yàn)成果，T1 孔代表地層原生孔隙、裂隙發(fā)育程度，T2、T3 孔在代表采動影響，頂板巖層受到擾動和破壞后孔隙裂隙的發(fā)育程度，在垂深280 m 以上，T2、T3 孔漏失量和T1 孔差別不大，表明巖層受破壞程度小；在垂深280 m 以下，T2、T3 孔壓水量隨著深度增大而逐漸增大，表明巖層受破壞程度不斷增大，根據(jù)壓水試驗(yàn)成果，初步判斷T2 孔導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀缥挥诖股?87 m，T3 孔導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀缥挥诖股?81 m[17-18]。

綜合對比本次袁大灘煤礦2 煤開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度實(shí)測結(jié)果（包括沖洗液漏失量和壓水試驗(yàn)成果），本次在11201 工作面壓水測試獲取的煤層采后頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?04.36～110.37 m，裂采比為32.61～34.49，導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀绨l(fā)育在直羅組地層范圍內(nèi)。

2.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬采用3DEC 非連續(xù)介質(zhì)（節(jié)理巖體）的三維離散元軟件研究2 號煤回采后覆巖破壞情況。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料，構(gòu)建數(shù)值模型，其外形尺寸（長×寬×高）=600 m×100 m×340 m，模型中由下往上的傾斜巖層依次定義為第1 層至第24 層，其中第3層為2 號煤。模型底部第1 層與第2 層為煤層底部巖層，分別為最底層中粒砂巖與煤層底板泥巖。

通過對模型中11201 工作面依次開采過程中的速度矢量加以分析，比較工作面開采過程中的裂隙場分布規(guī)律，研究工作面開采的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度及范圍。并結(jié)合數(shù)值模型11201 工作面開采過程中的覆巖演化特征，綜合分析模型11201 工作面開采過程中“兩帶”高度范圍。

1）當(dāng)工作面回采至560 m 時，頂板巖層裂隙場向上擴(kuò)展至地表，裂隙場集中分布區(qū)域呈“梯狀”分布，巖層變形區(qū)域主要集中在模型長度40～560 m高度65～191 m 范圍內(nèi)，其導(dǎo)水?dāng)嗔褞У淖畲蟾叨燃s為107.5 m。

2）當(dāng)11201 工作面回采至560 m 時，由于40～560 m 范圍內(nèi)的工作面頂板充分垮落，垮落帶的高度位于24.3～25.4 m 范圍內(nèi)，采空區(qū)上部巖層產(chǎn)生破壞較為明顯，存在明顯的彎曲變形，裂隙向上擴(kuò)展，使得導(dǎo)水?dāng)嗔褞У母叨任挥?01.6～107.5 m 范圍內(nèi)。

在數(shù)值模型中所測“兩帶”主要形成于工作面回采至50 m 出現(xiàn)的頂板初次垮落時，此時，垮落巖層僅為采空區(qū)中間部位的頂板下分層，垮落高度在2.0～2.2 m 范圍內(nèi)，而后逐漸增加，至工作面開采167 m 后，垮落帶基本保持穩(wěn)定，其穩(wěn)定后的垮落帶高度范圍為24.0～25.4 m；斷裂帶在工作面回采至50 m 初次形成時的高度位于27.3～28.1 m 范圍內(nèi)，而后隨開采進(jìn)行而逐漸向上發(fā)育，至工作面回采至300 m 后基本保持穩(wěn)定，其穩(wěn)定后的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨确秶鸀?01.6～107.5 m，約為采高的31.75～33.59倍。

2.3 相似材料模擬

根據(jù)袁大灘煤礦11201 工作面實(shí)際原型，本次相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺模型尺寸為：長×寬×高＝3 000 mm×300 mm×1 500 mm，根據(jù)相似原理及準(zhǔn)則，得出主要相似參數(shù)條件為：幾何相似系數(shù)αl=1/120，時間相似系數(shù)αt=7/100，速度相似系數(shù)αt=7/100，重力相似系數(shù)αγ=2/3，強(qiáng)度、彈性、黏結(jié)力相似系數(shù)αR=αE=αC=1/300，內(nèi)摩擦角相似系數(shù)αΦ=1/1，作用力相似系數(shù)αf=8×10-8。

模型主要材料為：砂；輔料：大白粉、熟石膏、云母、水，其中在對煤層進(jìn)行配比時要加入粉煤灰。由于模型材料的主料是砂，輔料所占比重較少，不影響模型材料的密度，所以，除煤層外，其它各層的密度均按1 600 kg/m3計算。

在模型上共布設(shè)12 條觀測線，324 個觀測點(diǎn)位。主要為了觀測導(dǎo)水?dāng)嗔褞?nèi)巖層下沉量、導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы敳扛浇鼛r層下沉量、數(shù)值法預(yù)計的導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы敳堪l(fā)育位置附近巖層下沉量和模型頂部巖層下沉量。在模型的兩邊對稱的留20 cm（原型24 m）的邊界，模擬推進(jìn)長度為260 cm（原型312 m），使其達(dá)到充分采動，采空區(qū)采用垮落法處理。

當(dāng)工作面推進(jìn)至51.8 cm 時，發(fā)生初次來壓，但監(jiān)測點(diǎn)無位移變化。當(dāng)工作面推進(jìn)至71.3 cm 時，發(fā)生第1 次周期來壓。由上至下I～I(xiàn)X 行的監(jiān)測點(diǎn)無變化，X、XI 行的3～8 號監(jiān)測點(diǎn)有顯著的位移變化，下沉曲線向推進(jìn)方向延伸，4 號監(jiān)測點(diǎn)為最大下沉點(diǎn)。當(dāng)工作面推進(jìn)至79.2 cm 時，發(fā)生第2 次周期來壓，下沉曲線與第1 次周期來壓曲線無明顯變化，但8號監(jiān)測點(diǎn)發(fā)生位移，5 號監(jiān)測點(diǎn)為最大下沉點(diǎn)，下沉曲線向推進(jìn)方向繼續(xù)延伸。當(dāng)工作面推進(jìn)至132.8 cm 時，發(fā)生第8 次周期來壓。工作面上方巖層位移較為明顯，裂隙從第XII 行的11 號監(jiān)測點(diǎn)左右向上發(fā)育到第III 行11 號監(jiān)測點(diǎn)。采空區(qū)后方巖層無明顯變化，隨著工作面的推進(jìn)，下沉曲線將會繼續(xù)延伸。當(dāng)工作面推進(jìn)至217.5 cm 時發(fā)生第15 次周期來壓。工作面上方巖層位移有明顯變化：第XI 行18～23 號監(jiān)測點(diǎn)有明顯下沉現(xiàn)象，第XII 行17～20號監(jiān)測點(diǎn)明顯下沉。采空區(qū)后方巖層無明顯位移變化。當(dāng)工作面推進(jìn)至232.6 cm 時發(fā)生第17 次周期來壓，頂板垮落。當(dāng)工作面推進(jìn)至241.5 cm 時發(fā)生第18 次周期來壓，工作面上方巖層有明顯位移：第X 行的19～23 號監(jiān)測點(diǎn)有位移變化，第XI 行的22～24 號監(jiān)測點(diǎn)有位移變化，第XII 行的21～25 號監(jiān)測點(diǎn)有位移變化，均有下沉現(xiàn)象。采空區(qū)后方巖層無明顯位移現(xiàn)象。當(dāng)工作面推進(jìn)至263.5 cm 時發(fā)生第19次周期來壓。工作面上方巖層位移變化明顯，下沉曲線沿工作面推進(jìn)方向延伸，地表下沉現(xiàn)象明顯，裂隙發(fā)育明顯，近似正梯形。采空區(qū)后方巖層無明顯位移變化，表明此時煤層頂板覆巖垮落充分。綜上所述，當(dāng)工作面推進(jìn)至263.5 cm（相當(dāng)于工作面實(shí)際推采長度為316.2 m）時，頂板覆巖破壞高度達(dá)到最大，之后不在有明顯變化。相似材料模擬覆巖破壞最終形態(tài)圖如圖6。

圖6 相似材料模擬覆巖破壞最終形態(tài)圖Fig.6 Final shape diagram of overburden failure by similar materials simulation

通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，分析11201 工作面頂板覆巖變形破壞規(guī)律如下：

1）隨著工作面推進(jìn)，覆巖發(fā)生垂直位移變化均呈現(xiàn)出“細(xì)微下沉→V 型凹陷→U 型穩(wěn)定沉陷”的漸變過程，其中煤層直接頂位移漸變過程略早于直接頂與關(guān)鍵層之間的中間巖層略早于關(guān)鍵巖層。在工作面回采至310 m 左右時位移變化后的采空區(qū)中部關(guān)鍵層頂板基本穩(wěn)定，煤層上覆巖層位移也基本穩(wěn)定，采空區(qū)上覆巖層隨工作面推進(jìn)呈現(xiàn)出明顯的階梯狀擴(kuò)展演化過程。

2）11201 首采工作面在0～280 m 的推進(jìn)過程中，導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育高度隨工作面的推進(jìn)逐漸升高，同時覆巖上方裂隙發(fā)育明顯，而在280～300 m的推進(jìn)過程中，導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育高度基本隨工作面的推進(jìn)沒有明顯變化。工作面在初次來壓后垮落帶高度基本保持穩(wěn)定，高度位于24.0～25.4 m，約為采高的7.5～7.9 倍，導(dǎo)水?dāng)嗔褞蛏习l(fā)育過程則明顯長于垮落帶；導(dǎo)水?dāng)嗔褞С醮涡纬蓵r的高度為27.2～28.3 m，而后隨開采進(jìn)行而逐漸向上發(fā)育，至工作面回采至316 m 左右達(dá)到充分采動后基本保持穩(wěn)定，穩(wěn)定后的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?06 m，約為采高的33.13 倍，與現(xiàn)場實(shí)測相比基本一致。

2.4 綜合確定

主要通過鉆孔漏失量消耗觀測、壓水試驗(yàn)、數(shù)值模擬及相似材料模擬試驗(yàn)，4 個方面綜合確定11201工作面“兩帶”發(fā)育高度。

1）鉆孔漏失量消耗觀測。對比3 個鉆孔鉆進(jìn)過程中沖洗液漏失量可知，在垂深280 m 以上，T2、T3孔漏失量和T1 孔差別不大，表明巖層受破壞程度小，垂深280 m 以下，T2 和T3 孔漏失量隨著深度增大而注漿增大，直至孔內(nèi)不反水，沖洗液全部漏失，表明巖層受破壞程度不斷增大，根據(jù)沖洗液漏失量，初步判斷導(dǎo)水裂隙帶頂界位于垂深280 m 以下。

2）壓水試驗(yàn)。對比3 個鉆孔壓水試驗(yàn)成果可知，在垂深280 m 以上，T2、T3 孔漏失量和T1 孔差別不大，表明巖層受破壞程度小，垂深280 m 以下，T2、T3 孔壓水量隨著深度增大而逐漸增大，表明巖層受破壞程度不斷增大，根據(jù)壓水試驗(yàn)成果，初步判斷T2 孔導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀缥挥诖股?87 m，T3 孔導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀缥挥诖股?81 m。壓水測試獲取的煤層采后頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?04.36～110.37 m，裂采比為32.61～34.49，導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀绨l(fā)育在侏羅系直羅組地層范圍內(nèi)。

3）數(shù)值模擬。通過數(shù)值模擬11201 工作面回采過程中覆巖破壞規(guī)律，“兩帶”主要形成于工作面回采至50 m 出現(xiàn)的頂板初次垮落時，此時，垮落巖層僅為采空區(qū)中間部位的頂板下分層，垮落高度在2.0～2.2 m 范圍內(nèi)，而后逐漸增加，至工作面開采167 m 后，垮落帶基本保持穩(wěn)定，其穩(wěn)定后的垮落帶高度范圍為24.0～25.4 m；裂隙帶在工作面回采至50m 初次形成時的高度位于27.3～28.1 m 范圍內(nèi)，而后隨開采進(jìn)行而逐漸向上發(fā)育，至工作面回采至300 m 后基本保持穩(wěn)定，其穩(wěn)定后的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨确秶鸀?01.6～107.5 m，約為采高的31.75～33.59 倍。

4）相似模擬實(shí)驗(yàn)。導(dǎo)水?dāng)嗔褞С醮涡纬蓵r的高度為27.2～28.3 m，而后隨開采進(jìn)行而逐漸向上發(fā)育，至工作面回采至316 m 達(dá)到充分采動后基本保持穩(wěn)定，其穩(wěn)定后的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?06 m，約為采高的33.13 倍。

綜上所述，通過開展鉆孔漏失量消耗觀測、壓水試驗(yàn)、物理相似模擬實(shí)驗(yàn)及數(shù)值相似模擬實(shí)驗(yàn)來確定袁大灘煤礦2 煤開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度，4 種方法測試得到的結(jié)果差別不大，最終以實(shí)測數(shù)據(jù)為主，確定袁大灘煤礦2 煤采后頂板導(dǎo)水裂隙帶高度為104.36～110.37 m，裂采比為32.61～34.49，導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀绨l(fā)育在侏羅系直羅組地層范圍內(nèi)。

2.5 對比分析

研究區(qū)所處的陜北侏羅紀(jì)煤田還有其他礦區(qū)已開展過覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨忍讲檠芯?，如榆神礦區(qū)內(nèi)榆陽煤礦、金雞灘煤礦、榆樹灣煤礦、杭來灣煤礦的裂采比為20.54～27.78、平均24.73[21]；神北礦區(qū)內(nèi)大柳塔煤礦、上灣煤礦、石圪臺煤礦的裂采比約13～18、一般為15 左右[22]。而根據(jù)本次研究成果，其裂采比遠(yuǎn)高于上述地區(qū)礦井，由此可見，榆橫北區(qū)煤層采后覆巖破壞規(guī)律與該煤田內(nèi)其他礦區(qū)礦井均存在一定的差異性。

根據(jù)近年來覆巖破壞規(guī)律方面的研究成果，發(fā)現(xiàn)其影響因素較多，如有煤層自身特征、圍巖賦存條件、礦井地質(zhì)構(gòu)造等自然因素，也有工作面布設(shè)（尺寸、位置等）、開采方式（采煤方法、開采煤厚、回采速度、頂板管理等）、周邊礦井采掘情況等人為因素，還有其它涵蓋時間、空間等變化不穩(wěn)定因素。另外，當(dāng)不同因素疊加、相互作用時，還有可能產(chǎn)生非同于原先單一因素所造成的常見效果。

榆神礦區(qū)、神北礦區(qū)內(nèi)礦井煤層埋深基本在100～300 m 左右，且煤層賦存條件、覆巖分布及構(gòu)成均與本研究區(qū)存在一定差異，尤其在神北礦區(qū)，由于其埋深淺、采厚大，部分礦井采煤后導(dǎo)裂帶即會導(dǎo)通至地表（計算的裂采比值雖不大，是因?yàn)閷?dǎo)裂帶無法向上發(fā)育而停止計算），在榆橫北區(qū)內(nèi)的煤層普遍埋藏深度較大，且其覆巖結(jié)構(gòu)組合、煤層及圍巖物理特征等情況均有別于榆神礦區(qū)、神北礦區(qū)等其他礦井，因此，造成其采后覆巖破壞高度有可能較大。就本次研究而言，采用地面鉆探觀測、孔內(nèi)封堵壓水試驗(yàn)的方法，對榆橫北區(qū)內(nèi)覆巖“兩帶”發(fā)育高度的現(xiàn)場探查工作提供較好的應(yīng)用實(shí)例，在與數(shù)值模擬、相似材料模擬成果對比驗(yàn)證后，最終確定的覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞?shù)對礦井具有可靠、有效的指導(dǎo)作用，為礦井防治水工作提供基礎(chǔ)依據(jù)。然而，根據(jù)各地區(qū)煤礦開采經(jīng)驗(yàn)，覆巖破壞規(guī)律并非能夠在短期內(nèi)完全得到透徹掌握，在同一井田內(nèi)都還有可能發(fā)生采后不同的覆巖變化情況，因此，關(guān)于區(qū)內(nèi)煤層覆巖破壞規(guī)律的探索研究工作還需繼續(xù)深入開展。

3 頂板水害分析及防治對策

3.1 充水水源分析

通過開展袁大灘煤礦2 煤開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度實(shí)測工作，最終確定，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?04.36～110.37 m，裂采比為32.61～34.49，導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀绨l(fā)育在直羅組地層范圍內(nèi)，距離安定組地層底界41～46 m，距離白堊系地層底界151～157 m，距離第四系離石組地層底界180～186 m，距離第四系薩拉烏蘇組地層底界189～195 m，距離地表281～287 m。在導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育范圍內(nèi)，主要分布有侏羅系延安組砂巖孔隙裂隙承壓含水層和侏羅系直羅組砂巖孔隙裂隙承壓含水層。

通過分析，袁大灘煤礦2 煤采后頂板直接充水含水層為直羅組和延安組含水層，這2 層含水層富水性均較弱；直接充水含水層與上覆富水性中等的白堊系洛河組含水層之間有巨厚且分布穩(wěn)定的安定組隔水層存在，厚度超過100 m，全區(qū)穩(wěn)定分布，上下含水層之間水力聯(lián)系弱，使得白堊系和第四系含水層對煤層開采影響極小；通過分析地面觀測孔資料，進(jìn)一步證實(shí)工作面采后充水水源為直羅組含水層，第四系含水層在工作面回采過程中水位未發(fā)生任何變化；11201 工作面的采后正常涌水量為240 m3/h，回采過程中最大涌水量341.10 m3/h，與周邊礦井（如小紀(jì)汗煤礦、大海則煤礦）相比，頂板含水層涌水量偏小，綜上所述，袁大灘煤礦2 號煤開采受上覆含水層影響程度小。

3.2 水害防治對策

通過以上分析，認(rèn)為礦井未來生產(chǎn)過程中主要的頂板防治水工作，應(yīng)著重于對導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育范圍內(nèi)的侏羅系延安組和直羅組含水層進(jìn)行疏放，防止可能存在的局部富水異常區(qū)充水[23-25]。而對于研究區(qū)頂板含水層富水異常區(qū)的探查，現(xiàn)普遍采用的物探（井下直流電法、瞬變電磁法等）、鉆探（普通短鉆、長距離定向鉆等）手段[1-2,26-27]均較為成熟，礦井通過采前開展頂板超前探查、疏放頂板水的工作，可盡量消耗各含水層的靜儲量，結(jié)合引流、截流的方式減少動態(tài)補(bǔ)給量，在實(shí)現(xiàn)“消峰平谷”的同時減少采空區(qū)的涌水。

4 結(jié) 語

1）袁大灘煤礦2 號煤開采覆巖破壞特征及“兩帶”發(fā)育規(guī)律研究分別采用了沖洗液漏失量觀測、壓水試驗(yàn)、數(shù)值模擬和相似材料模擬等多種方法，最終確定袁大灘煤礦11201 工作面2 號煤采高3.2 m 的條件下，采后頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?04.36～110.37 m，裂采比為32.61～34.49。

2）袁大灘煤礦2 煤采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀绨l(fā)育在侏羅系直羅組地層內(nèi)，煤層開采的直接充水水源為侏羅系延安組和直羅組砂巖含水層；煤層開采不受上覆白堊系洛河組、第四系含水層和地表水的影響。

3）袁大灘煤礦未來頂板防治水工作，應(yīng)主要對覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育范圍內(nèi)的侏羅系延安組和直羅組含水層水進(jìn)行疏干，目標(biāo)含水層以靜儲量為主，宜采用引流、截流的方式減少動態(tài)補(bǔ)給量，在實(shí)現(xiàn)“消峰平谷”的同時減少采空區(qū)涌水。