鄭 綱， 王紅梅

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710054)

0 引言

魯新井田地處錫林郭勒盟高原，草原植被發(fā)育良好，鄰近草原旅游區(qū)，井田地表水、地下水資源豐富。魯新煤礦屬于基建礦井，先期開采11煤層。由于新近系或第四系與煤系的不整合接觸，縱向上煤層回采后導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)發(fā)育多層含水層，頂板含水層由下至上膠結(jié)性逐漸變差、力學(xué)強(qiáng)度變?nèi)?、富水性變?qiáng)。煤層回采后頂板破裂不但可能引起災(zāi)害性突水、突水潰沙等災(zāi)害，還可能因礦井突水破壞草原水資源，引起環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。為了合理布置采煤工作面，確定采煤方法，防止工作面突水，保護(hù)草原地下水，急需研究導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，對(duì)11煤進(jìn)行充水危險(xiǎn)性分區(qū)、評(píng)價(jià)。前人在包括頂板突水機(jī)理[1-3]、頂板突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)[4-13]、含水層富水區(qū)[14]及頂板涌水量預(yù)測(cè)[15]等方面進(jìn)行了較多的研究，取得了一定的成果。本文在水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探的基礎(chǔ)上，分析11煤頂板水文地質(zhì)條件, 計(jì)算了11煤與上覆含水層的間距；采用多種方法預(yù)測(cè)11煤開采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，分析11煤開采后對(duì)上覆含水層的影響程度，對(duì)11煤分層開采的充水危險(xiǎn)性進(jìn)行了分區(qū)評(píng)價(jià)，為11煤的防治水提供依據(jù)。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)

1.1.1 地層

魯新井田內(nèi)揭露的地層由老至新有上侏羅統(tǒng)布拉根哈達(dá)組，下白堊統(tǒng)大磨拐河組(Kd1)，新近系五岔溝組(N2w)及第四系(Q)。各地層間均為不整合接觸。其中第四系廣泛分布，覆蓋井田內(nèi)大部分區(qū)域，僅丘陵頂局部出露侏羅系查干諾爾組(Jc)、道特諾爾組(Jd)和新近系五岔溝組(N2w)基巖。

1.1.2 構(gòu)造

魯新井田為一個(gè)封閉的聚煤盆地，盆地的基底為火山凝灰?guī)r，盆地整體近似為北東-南西走向的不對(duì)稱向斜，向斜西北翼較緩，傾角小于10°。盆地中部地層產(chǎn)狀非常平緩，傾角小于5°，盆地東南邊緣傾角稍大。煤系主要保留在下部，上部已部分遭受剝蝕，保留的層位不一致。由于含煤基底起伏不平，煤系發(fā)育厚度不均，變化較大；但總體上是盆地中間煤層層數(shù)多、厚度大，邊緣層數(shù)少、厚度小。

1.2 水文地質(zhì)條件

1.2.1 水文地質(zhì)邊界

魯新煤礦所處的地區(qū)，無論從地形地貌上還是地質(zhì)構(gòu)造上，都是一個(gè)盆地，它是一個(gè)具有統(tǒng)一補(bǔ)給邊界和徑流、排泄條件的地下水系統(tǒng)。垂向上，盆地煤系基底火山凝灰?guī)r為底部阻水邊界，在盆地阻水邊界范圍內(nèi)，大氣降水入滲主要補(bǔ)給第四系含水層，地下水順地勢(shì)向盆地中部徑流。頂部第四系含水層接收大氣降水的補(bǔ)給。

平面上盆地西北部、北部和東南部由山丘組成的分水嶺邊界，在巖漿巖風(fēng)化裂隙水分布區(qū)，一般地下水分水嶺與地表分水嶺基本一致，沿此分水嶺，盆地外側(cè)的水(地下水和地表水)不能流入盆地內(nèi)，因此盆地西北部、北部和東南部邊界可視為相對(duì)阻水邊界；東北部的都蘭山與阿勒敖包山之間有一南北約2km寬的第四系古河床(斯?fàn)柤?，邊界附近已有稀疏鉆孔揭露有新近系含水層存在，反映新近系含水層可能通過此地帶向區(qū)外延伸；同樣在礦井西南烏散道包格山與烏珠爾呼舒山之間存在一條東西寬約4.5km的第四系古河床(烏拉蓋河)，邊界附近已有稀疏鉆孔揭露有新近系含水層存在，反映下伏新近系含水層也可通過此地帶向區(qū)外延伸。第四系古河床地下水豐富，新近系砂礫巖含水豐富、透水性好，這兩處可視為盆地與外界相通的透水邊界。礦井西部邊界地表因相對(duì)兩側(cè)較高，邊界附近已有稀疏鉆孔揭露沒有探到新近系含水層存在，推測(cè)下伏新近系含水層提前尖滅，未延伸到區(qū)外，暫推測(cè)為阻水邊界。

1.2.2 含水層發(fā)育特征

礦井11煤頂板自上而下發(fā)育第四系松散沙層含水層、新近系砂礫巖含水層、6煤頂板砂巖含水層、9煤頂板砂巖含水層、11煤頂板砂巖含水層(表1、圖1) 。

表1 礦井主要含水層特征

由圖1看出，新近系含水層不整合覆蓋在煤系上，在井田中部深埋區(qū)，11煤頂板之上尚有煤系多個(gè)含水層覆蓋，但隨著煤層埋藏變淺抬升，遭受新近系剝蝕，11煤頂板含水層直接與新近系含水層接觸。

圖1 主要含水層與主采煤層關(guān)系示意Figure 1 Relationship between main aquifer and mainextracting coal seam schematic diagram

1.2.3 主要隔水層

新近系上部泥巖段隔水層為第四系含水層與新近系砂礫巖含水層之間的隔水層，該泥巖段厚度3.70～65.15m，平均厚40.40m。井田范圍內(nèi)大部分地區(qū)分布較穩(wěn)定，厚度大于35m的區(qū)域約占井田面積94%；厚度小于35m的區(qū)域僅分布在井田東部邊界中段處，約占井田面積6%。它基本上阻斷了第四系、新近系含水層之間的水力聯(lián)系。但在局部地段厚度較小，穩(wěn)定性較差，隔水能力相對(duì)較弱。

2 11煤開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)

導(dǎo)水裂隙帶是頂板含水層的主要導(dǎo)水通道，預(yù)測(cè)頂板充水危險(xiǎn)性需要導(dǎo)水裂隙帶高度，因?yàn)楣ぷ髅孢€未回采，無法實(shí)測(cè)。本文采用關(guān)鍵層理論分析法、經(jīng)驗(yàn)公司法及周圍礦井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，綜合確定導(dǎo)水裂隙帶高度。

2.1 導(dǎo)水裂隙帶高度的理論分析

根據(jù)關(guān)鍵層理論，研究頂板導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育特征, 預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度[11], 選取研究區(qū)范圍內(nèi)的鉆孔布置見圖2。以鉆孔揭露的地層進(jìn)行關(guān)鍵層分析，覆巖力學(xué)參數(shù)見表2。

圖2 工作面及鉆孔布置示意Figure 2 Schematic diagram of working face and boreholes layout

表2 11煤層覆巖(土)層物理力學(xué)參數(shù)

2.1.1 判別覆巖中堅(jiān)硬巖層的位置

首先假設(shè)第24層為堅(jiān)硬巖石，考慮其自重大小為22.35kPa，根據(jù)組合梁原理，第24層、23層巖層對(duì)第24層巖層的載荷作用大小為44.21kPa。

q24=γ24h24=2.648×8.44=22.35kPa

(1)

(2)

式中：q1(x)|m為第m層巖層對(duì)第一層堅(jiān)硬巖層形成載荷；Ei、hi、γi分別為對(duì)應(yīng)i層巖層的彈性模量、厚度、容重(i=1,2,3,…,m)，單位分別為MPa、m、104N·m-3。

式(2)不滿足剛度條件：

q1(x)|m+1

(3)

因此第24層為堅(jiān)硬巖層。

接著考查第23層巖層，其自重荷載大小為

q23=γ23h23=2.712×0.54=1.46kPa

(4)

第23、22層巖層對(duì)第23層巖層的荷載作用大小為

(5)

以此類推，將表3的物理力學(xué)參數(shù)代入式子(6)，得

(6)

計(jì)算各巖層的載荷，依據(jù)關(guān)鍵層的剛度條件確定出覆巖中的堅(jiān)硬巖層。

根據(jù)關(guān)鍵層的強(qiáng)度條件來判斷各硬巖層的破斷距。將上述得到的硬巖層當(dāng)作固支梁力學(xué)模型，當(dāng)固支梁兩端所對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力σmax=σt時(shí)得到巖梁的破斷距：

(7)

式中：hk為第k層硬巖層的厚度，m；σk為第k層硬巖層的抗拉強(qiáng)度，MPa；qk為第k層硬巖層承受的載荷，kN/m2。

經(jīng)計(jì)算判斷結(jié)果可知，第24、22、10、7、5層巖層為堅(jiān)硬巖層，堅(jiān)硬巖層判別結(jié)果見表3。

表3 11煤層頂板覆巖關(guān)鍵層分析

2.1.2 判別覆巖關(guān)鍵層的位置

按照兩端固支梁分別計(jì)算第24、22、10、7、5層巖層的極限破斷距。根據(jù)關(guān)鍵層判斷方法，魯新煤礦31101工作面11煤層上方覆巖共有關(guān)鍵層5層，1層主關(guān)鍵層，4層亞關(guān)鍵層，隨著工作面的逐漸推進(jìn)，關(guān)鍵層從下往上逐層破斷。

2.1.3 導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算

1)11煤層開采判斷關(guān)鍵層破斷情況。根據(jù)關(guān)鍵層理論在判斷導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度范圍時(shí)可轉(zhuǎn)變?yōu)榉治鲫P(guān)鍵層的破斷情況。根據(jù)煤層開采過程中關(guān)鍵層最大撓度與下部最大自由空間可判斷關(guān)鍵層破斷情況，當(dāng)關(guān)鍵層最大撓度小于關(guān)鍵層下部最大自由空間時(shí)，巖層發(fā)生破壞，導(dǎo)水裂隙帶繼續(xù)向上發(fā)育。根據(jù)公式(7)進(jìn)行計(jì)算煤層開采過程中各關(guān)鍵層的破斷情況。

(8)

式中：m為開采厚度，m；hx為下位第x層巖層厚度，m；kx為下位第x層巖層殘余碎脹系數(shù)；fimax為第i層巖層最大撓度。

當(dāng)關(guān)鍵層為固支梁時(shí)最大撓度為

(9)

式中：q為關(guān)鍵層所承受載荷，N/m2；L為巖梁受采動(dòng)影響長(zhǎng)度，m。

L=Dctgθ+Lk

(10)

式中：D為煤層到巖層距離，m;θ為采動(dòng)影響角，取值75°，Lk為破斷距,m。E為巖梁的彈性模量，Pa；I為巖梁的截面慣性矩，I=bh3/12，m4；b為巖梁寬度，m；h為巖梁厚度，m。

以11煤層采高4m為例，各個(gè)關(guān)鍵層采動(dòng)影響長(zhǎng)度如表4所示。

表4 關(guān)鍵層受采動(dòng)影響長(zhǎng)度

根據(jù)公式(8)計(jì)算可知，24亞關(guān)鍵層、22亞關(guān)鍵層均發(fā)生破斷，如表5所示。

當(dāng)關(guān)鍵層最大撓度小于關(guān)鍵層下部最大自由空間時(shí)，巖層發(fā)生破壞，導(dǎo)水裂隙帶繼續(xù)向上發(fā)育。根據(jù)表5可知，24亞關(guān)鍵層最大撓度1.83小于其下部最大自由空間高度3.41，22亞關(guān)鍵層最大撓度1.61小于其下部最大自由空間高度2.39，故導(dǎo)水裂隙進(jìn)一步向上發(fā)育。10亞關(guān)鍵層最大撓度大于其下部最大自由空間高度，故導(dǎo)水裂隙未發(fā)育至此層。

表5 關(guān)鍵層最大撓度、下部自由空間計(jì)算值

2)煤層開采判斷導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度范圍 。關(guān)鍵層破斷，上覆部分巖層與之彎曲下沉是同步的，所以判斷導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度范圍的流程：從上至下，依次判斷主關(guān)鍵層、亞關(guān)鍵層的破斷情況，若主關(guān)鍵層發(fā)生破斷，則導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育到主關(guān)鍵層之上某一位置，或者直接導(dǎo)通到地表。若主關(guān)鍵層未破斷，再依次判斷下覆亞關(guān)鍵層，直到確定出下覆破斷的亞關(guān)鍵層，以此判斷導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的位置。

3)煤層開采預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶高度。前蘇聯(lián)學(xué)者格威爾茨曼通過大量實(shí)測(cè)得出全部垮落法開采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶頂部巖層極限曲率K與上行導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度hs的關(guān)系如式(11)，導(dǎo)水裂隙帶頂部極限曲率與巖層上部載荷的關(guān)系如式(12)。

(11)

(12)

式中：wi為導(dǎo)水裂隙帶頂部巖土層下沉值；δ為巖層移動(dòng)角，(°)；φ為充分采動(dòng)角，(°)；q為關(guān)鍵層所承受載荷，N/m2；l為巖梁受采動(dòng)影響長(zhǎng)度，m；E為巖梁的彈性模量，Pa；I為巖梁的截面慣性矩，I=bh3/12，m4；b為巖梁寬度，m；h為巖梁厚度，m。

根據(jù)計(jì)算可知，11煤層開采厚度為4m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度約52.01m，導(dǎo)通了24號(hào)、22號(hào)砂質(zhì)泥巖層，未能導(dǎo)通10號(hào)細(xì)砂巖層，裂采比為13.0。

2.2 導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

魯新煤礦先期開采11煤，11號(hào)煤層厚度0.6～32.05m，平均11.32m。設(shè)計(jì)采用綜采分層開采工藝，采高4m。全部垮落法管理頂板。自然狀態(tài)下煤層頂板抗壓強(qiáng)度2.35～15.70MPa，平均8.55MPa，屬軟弱巖類。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]提供的經(jīng)驗(yàn)公式，在煤層傾角0°～54°，巖石抗壓強(qiáng)度<20MPa，巖石為半固結(jié)的泥巖、粉砂巖、砂礫巖等，頂板管理方法為全部垮落的情況下，開采煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度選用公式(13)：

(13)

式中：Hli為導(dǎo)水裂隙帶(包括冒落帶)最大高度，m；M為煤層累計(jì)厚度，取4m。

根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式，導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算結(jié)果為：Hli=22.99m或Hli=25m。裂采比為5.75～6.25倍。

依據(jù)表6，在11煤采高4m條件下，選用頂板軟弱巖類預(yù)測(cè)公式，計(jì)算最大導(dǎo)水裂隙帶高度為50m，裂采比約12.5倍[13]。

表6 唐山煤科院導(dǎo)水導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)公式

2.3 區(qū)域?qū)崪y(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度

魯新煤礦位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟，煤系屬于白堊系。據(jù)對(duì)錫林郭勒盟礦井初步調(diào)查，目前共有生產(chǎn)礦井12處，屬于央企、國(guó)有重點(diǎn)及國(guó)有地方8處，其中露天煤礦7處，僅多倫煤礦為井工開采。該礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.2Mt/a，主采白堊系7號(hào)煤層，煤層平均厚度15.80m，采用分層綜放開采。礦井在首采1703-1面進(jìn)行了兩帶發(fā)育高度探查，該面走向長(zhǎng)739m，傾斜寬130m，采高9.00～9.58m。經(jīng)施工09-SD1及09-SD2兩個(gè)探查孔，測(cè)得導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為111～112m，計(jì)算裂采比為11.60～12.21倍。

通過以上計(jì)算看出，文獻(xiàn)[12]經(jīng)驗(yàn)公式所計(jì)算的相同采高情況下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度與文獻(xiàn)[13]提供的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值存在較大差異，而區(qū)域內(nèi)鄰近礦井實(shí)測(cè)的導(dǎo)水裂隙帶高度值與文獻(xiàn)[13]經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果及導(dǎo)水裂隙帶理論計(jì)算結(jié)果較為一致。

本礦與多倫煤礦地質(zhì)條件類似，按照文獻(xiàn)[13]提供的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度與實(shí)測(cè)值較為一致，在礦井尚未取得實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)據(jù)的前提下，綜合分析認(rèn)為，取裂采比12.5倍較為符合魯新煤礦實(shí)際。

2.4 11煤頂板導(dǎo)裂帶發(fā)育層位預(yù)測(cè)

本次11煤導(dǎo)裂帶發(fā)育高度根據(jù)12.5倍裂采比計(jì)算，煤層控制采高為4m，小于4m厚度的煤層，采高按實(shí)際煤厚確定，最低采高取2.0m。按12.5倍的裂采比計(jì)算，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為50.0m，井田范圍11煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育標(biāo)高為+531.86～+788.33m，平均標(biāo)高684.93m。根據(jù)以往勘探數(shù)據(jù)，結(jié)合本次施工鉆孔統(tǒng)計(jì)了11煤距上覆各充水含水層的間距，預(yù)測(cè)了11煤回采時(shí)導(dǎo)裂帶發(fā)育層位，繪制了11煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育層位分區(qū)圖(圖3)。

圖3 11煤開采導(dǎo)水裂隙發(fā)育層位示意圖Figure 3 Schematic diagram of coal No.11 extractionwater conducted fissure zone development horizon

由圖3可見，井田中部11煤開采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育層位僅在11煤層頂板之上、9煤底板以下范圍(綠色部分)，由中部向南部、北部及西部，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育依次進(jìn)入9煤頂板之上至6煤底板以下層位、6煤頂板以上層位及新近系。

3 11煤頂板充水危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)

11煤采動(dòng)條件下頂板充水含水層涉及11煤頂板含水層、9煤頂板含水層，6煤頂板含水層及新近系含水層，其中9煤頂板含水層及11煤頂板含水層富水性弱，6煤頂板含水層及新近系含水層富水性中等，變化較大，是決定11煤開采充水危險(xiǎn)性的主要因素之一。將11煤采后預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育層位與頂板含水層單位涌水量等值線圖相疊加，將全井田頂板含水層充水危險(xiǎn)性按相對(duì)大小劃分為5個(gè)區(qū)(圖4)。

圖4 11煤頂板含水層充水危險(xiǎn)性分區(qū)預(yù)測(cè)Figure 4 Coal No.11 roof aquifer water filling hazardzonal prediction

1)充水危險(xiǎn)性極弱區(qū)。位于井田中部，11煤頂板導(dǎo)裂帶發(fā)育高度位于11煤頂板之上，9煤以下，主要受11煤頂板弱—極弱富水含水層的充水，最大單位涌水量0.088 46 L/(s·m)，最小單位涌水量0.000 935 L/(s·m)，危險(xiǎn)性很小。

2)充水危險(xiǎn)性弱區(qū)。位于井田中部，11煤頂板導(dǎo)裂帶發(fā)育高度在9煤頂板以上，6煤及其底板以下，主要受11煤頂板及9煤頂板弱-極弱富水含水層的充水，最大單位涌水量0.088 46 L/s·m，最小單位涌水量0.000 82 L/(s·m)，危險(xiǎn)性小。

3)充水危險(xiǎn)性中等區(qū)。位于井田北、西、南較邊部，11煤頂板導(dǎo)裂帶發(fā)育在6煤頂板以上，主要受6煤頂板中等富水含水層的充水，含水層富水性中等，單位涌水量為0.1～0.5 L/(s·m)，危險(xiǎn)性較大。

4)充水危險(xiǎn)性較強(qiáng)區(qū)。位于井田東北及西南邊界處，11煤頂板導(dǎo)裂帶發(fā)育高度進(jìn)入了新近系含水層，除了受6煤頂板中等富水含水層的充水，主要受新近系含水層的充水，新近系含水層單位涌水量小于0.5 L/(s·m)，富水性中等偏弱，危險(xiǎn)性較高。

5)充水危險(xiǎn)性強(qiáng)區(qū)。位于井田北、西、南11煤露頭線附近，11煤頂板導(dǎo)裂帶發(fā)育進(jìn)入了新近系含水層，除了受6煤頂板中等富水含水層的充水，主要受新近系含水層的充水，新近系含水層單位涌水量大于0.5 L/(s·m)，富水性中等偏強(qiáng)，充水危險(xiǎn)性高。

4 結(jié)論

1)魯新煤礦煤層頂板相變或頂板膠結(jié)情況發(fā)生變化導(dǎo)致含水層巖性平面上的不均一性；另外由于沉積盆地基底的影響，新近系或第四系與煤系的不整合接觸，縱向上煤層回采后導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)的發(fā)育多層含水層，含水層由下至上膠結(jié)性逐漸變差、力學(xué)強(qiáng)度變?nèi)?、富水性變?qiáng)。

2)裂隙帶揭露上部含水層，可能導(dǎo)致突水。由于含水層富水性及力學(xué)強(qiáng)度差異，充水危險(xiǎn)性不同。

3)通過煤層采后頂板破壞的關(guān)鍵層理論分析、經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證，并結(jié)合周圍礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶實(shí)測(cè)資料綜合分析， 11煤采厚4m情況下，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為采厚的12.5倍。

4)井田中部位于向斜核部，11煤開采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育層位僅在11煤層頂板之上、9煤底板以下范圍，由中部向南部、北部及西部盆地邊緣，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育依次進(jìn)入9煤頂板之上至6煤底板以下層位、6煤頂板以上層位及新近系地層。

5)根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶揭露含水層及富水性的差異，井田內(nèi)11煤頂板含水層充水危險(xiǎn)性共分為五個(gè)等級(jí)區(qū)，分別為充水危險(xiǎn)性極弱區(qū)，充水危險(xiǎn)性較弱區(qū)，充水危險(xiǎn)性中等區(qū)，充水危險(xiǎn)性較強(qiáng)區(qū)及充水危險(xiǎn)性強(qiáng)區(qū)