李振華 ，李松濤 ，杜 鋒 ，王文強 ，李建偉 ，焦 陽 ，樊 旋

（1.河南理工大學 能源科學與工程學院, 河南 焦作 454003；2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 焦作 454003；3.河南理工大學 河南省礦井水害防控及水資源利用工程技術研究中心, 河南 焦作 454003；4.內(nèi)蒙古科技大學 礦業(yè)與煤炭學院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010；5.山西晉煤集團技術研究院有限責任公司, 山西 晉城 048006）

0 引 言

我國疆域遼闊，是巖溶地貌分布最為廣泛的國家，約占我國領土總面積的13.5%，其中以西南地區(qū)最為突出[1]。西南地區(qū)作為中國重要的煤炭生產(chǎn)基地，在巖溶發(fā)育礦區(qū)進行地下煤炭開采面臨諸多挑戰(zhàn)[2]。在巖溶礦區(qū)，煤炭開采面臨著頂板巖溶水對礦井生產(chǎn)的威脅[3-4]。因此，研究巖溶礦區(qū)溶洞對裂隙發(fā)育的影響，是巖溶礦區(qū)安全開采的重點。

相關學者已經(jīng)在煤層開采導水裂隙演化規(guī)律方面取得了一定的進展[5-8]。在國內(nèi)，煤礦頂板水害防治領域，最廣泛應用的導水裂隙帶發(fā)育高度研究成果是《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》[9]。劉天泉院士[10]基于采場巖層運移及采動裂隙分布規(guī)律，提出了“橫三區(qū)”、“豎三帶”和導水裂隙帶高度計算方法。許家林等[11]提出了通過覆巖關鍵層位置來預測導水裂隙帶高度的新方法；楊達明等[12]、李超峰等[13]、張國奇等[14]、張玉軍等[15]運用井下鉆孔注水漏失量觀測、鉆孔窺視、微震監(jiān)測及瞬變電磁等方法實測工作面導水裂隙帶高度；張軍等[16]、劉躍俊等[17]、WANG 等[18]，基于相似模擬，利用分型理論，從物理模型觀測覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律；部分學者也運用數(shù)值模擬對覆巖裂隙發(fā)育高度進行研究，模擬結(jié)果與實測結(jié)果接近[19-21]；當前新背景下相關學者通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡預測導水裂隙帶高度模型，對影響導水裂隙帶高度不同因素進行訓練，可以有效預測導水裂隙帶高度[22-25]。

以上研究，多針對于在完整頂板情況下煤層開采導水裂隙帶發(fā)育高度的研究，巖溶洞作為煤層頂板結(jié)構(gòu)中弱地質(zhì)體，其對導水裂隙的發(fā)育規(guī)律具有重要影響，目前缺少對溶洞賦存條件下導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的研究。以新田煤礦煤層開采導水裂隙為例，基于礦井水文地質(zhì)特征，采用現(xiàn)場實測、室內(nèi)模擬及理論分析等手段，研究溶洞下頂板導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律。該研究對類似地質(zhì)條件下的煤炭開采防治水方面具有重要借鑒意義。

1 工程概況

新田礦井位于貴州高原西北部，黔西縣城北東部。該地處于黔西北高原過渡帶，屬高原巖溶丘陵地貌。礦區(qū)內(nèi)巖溶裂隙、溶洞平面上沿北西、北東向“X”節(jié)理追蹤發(fā)育，溶洞發(fā)育不均一。地表沿溝谷處落水洞發(fā)育。玉龍山段含水層巖溶發(fā)育段主要為中上部，中上段巖溶發(fā)育強烈，溶洞、裂隙多，發(fā)育多層溶洞，呈現(xiàn)不同形態(tài)的串珠狀；下段巖溶發(fā)育差，巖石完整，節(jié)理裂隙、溶蝕不發(fā)育，含水性弱。沙堡灣段礦區(qū)未出露，巖性主要為淺灰、灰色薄層狀泥灰?guī)r為主，根據(jù)區(qū)域資料，該層具有含水性弱、透水性差的特點，為相對隔水層。長興組礦區(qū)內(nèi)無出露，為深灰色中厚層狀含燧石灰?guī)r、灰?guī)r，下部有時夾泥質(zhì)灰?guī)r及泥質(zhì)粉砂巖，該組平均厚度35 m。溶蝕發(fā)育差，僅局部地段含極少量的溶蝕裂隙水，含水性總體較弱。頂板溶洞在地表?玉龍山段?長興組等層位由上而下具有明顯的分帶現(xiàn)象。礦井巖溶發(fā)育特征見表1，礦井落水洞及巖溶通道分布如圖1 所示。該礦區(qū)共有兩層可采煤層（4 號、9 號煤），現(xiàn)主采4 號煤層。4 號煤層距離其頂板長興組灰?guī)r和玉龍山段灰?guī)r底界面距離分別為30 m 和85 m。綜合柱狀如圖2 所示。

圖1 新田礦井落水洞與巖溶通道分布Fig.1 Distribution of sinkholes and karst channels in Xintian Mine

圖2 礦井綜合柱狀Fig.2 Comprehensive column of rock strata

表1 礦井巖溶發(fā)育特征Table 1 Characteristics of karst development in mines

礦井工作面實際回采中涌水量受大氣降水影響大，綜合分析5 a 內(nèi)該礦井涌水量與對應地表大氣降雨量的關系，得到該礦井的涌水量與大氣降雨量成正相關，如圖3 所示。在大氣降雨后，礦井工作面涌水量伴隨大氣降雨出現(xiàn)滯后性增加，并且涌水量大小與大氣降雨量有直接關系。

圖3 工作面涌水量與大氣降水關系Fig.3 Relationship between water inflow and atmospheric precipitation at working face

2 無溶洞條件下導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律

2.1 經(jīng)驗公式計算

根據(jù)國家煤炭工業(yè)局頒發(fā)的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設及壓煤開采規(guī)范》中經(jīng)驗公式計算新田煤礦4 號煤層導水裂隙帶發(fā)育高度。結(jié)合礦井綜合柱狀圖，新田煤礦4 號煤層上覆頂板巖層包含泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖4種巖性，符合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設及壓煤開采規(guī)范》中中硬巖性（砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r）的判別。據(jù)此，確定4 號煤層頂板為中硬巖層，公式適用于單層采厚1～3 m 情況，因此選擇了中硬巖層頂板導水裂隙帶計算公式為：

式中：Hli為導水裂隙帶高度；ΣM為煤層開采厚度。

4 號煤層采厚為3.0 m，通過代入經(jīng)驗式（1）和（2）進行計算，得到了不同的結(jié)果：使用式（1）計算得出導水裂隙帶高度為30.6～41.8 m，式（2）計算得出導水裂隙帶高度為44.6 m。

2.2 相似模擬試驗

為更加直觀研究4 號煤開采過程中導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，以1404 工作面采礦地質(zhì)條件為原型，開展了覆巖無溶洞條件下相似模擬試驗研究工作。1404 工作面采取綜采回采工藝，采用全部垮落法管理頂板。工作面布置如圖4 所示。

圖4 1404 工作面布置Fig.4 Mine working face layout

1）試驗方案。由于煤層埋深大，故將模型建立至玉龍山段含水層底部，對于上部未模擬到巖層采用液壓缸進行等效施加。試驗采用的幾何相似比LC=1∶100，容重相似比Cγ= 1∶1.5。設計模型煤厚3.0 cm，傾角為3°。試驗采用的材料中以精細干河沙作為骨料，同時以碳酸鈣、石膏、硼砂以不同的比例混合模擬相對應的巖性，不同巖層之間鋪撒云母片進行分層。根據(jù)現(xiàn)有的試驗條件，在2 500 mm×1 300 mm×200 mm（長×高×寬）規(guī)格的試驗臺上進行試驗。各巖層相似材料配比見表2。

表2 相似模擬試驗配比Table 2 Comparison of similar simulation tests

完成模型建立后，在模型背面布置3 條位移測線，相鄰測點之間相距10 cm。其中，1 號位移測線布置在長興組灰?guī)r的底部，2 號位移測線布置在長興組灰?guī)r的頂部，3 號位移測線布置在夜郎組，模型如圖5 所示，位移測點布置如圖6 所示。

圖5 相似模擬試驗模型Fig.5 Similar simulation test model

圖6 模型位移測點布置Fig.6 Layout of model and displacement measurement points

2）模擬結(jié)果分析。根據(jù)圖7a，工作面推進至150 m 時，導水裂隙發(fā)育至長興組灰?guī)r含水層中部，工作面后方采空區(qū)及開切眼處以縱向裂隙為主，為主要涌水通道。開切眼處的主要導水通道角度為60°，工作面后方的2 個主要導水通道角度分別為56°和59°，此時導水裂隙發(fā)育最大高度為45 m。

圖7 4 號煤層頂板導水裂隙演化特征Fig.7 Evolution characteristics of No.4 coal seam roof

根據(jù)圖7b，隨著工作面繼續(xù)推進至190 m，頂板垮落破斷，采動裂隙并未繼續(xù)向上發(fā)展。此時工作面已充分采動，導水裂隙發(fā)育最大高度為45 m，裂采比為15。采空區(qū)中部裂隙逐漸壓實閉合，主要涌水通道為開切眼及工作面處縱向裂隙，溝通長興組灰?guī)r含水層，對工作面生產(chǎn)造成威脅。

工作回采后，上覆巖層移動變形特征如圖8 所示。由圖可知，測線1 位于長興組灰?guī)r含水層的底界面，在采動影響下，上覆巖層垮落破斷，下沉變形較大。測線2 位于長興組灰?guī)r的頂部，位于彎曲下沉帶，受采動影響較小，僅發(fā)生彎曲下沉。模型頂部3 號測線變化較小，由于巖層垮落碎脹，頂板巖層沒有可供下沉空間。

圖8 頂板下沉位移曲線Fig.8 Roof sinking displacement curve

2.3 鉆孔分段注（放）水探測

1）觀測方案設計。為進一步驗證1404 工作面導水裂隙帶發(fā)育高度，采用井下鉆孔分段注（放）水，以觀測鉆孔漏失量方法來觀測1404 工作面導水裂隙帶高度。選擇1404 工作面底抽巷作為鉆場位置，設計3 個測試鉆孔。其中1 號和2 號為采動后裂隙發(fā)育鉆孔，3 號鉆孔為與1404 相鄰且未受影響的1406 工作面原始裂隙鉆孔（對比鉆孔）。鉆孔設計參數(shù)見表3，鉆孔設計如圖9 所示。

圖9 鉆孔布置剖面圖Fig.9 Borehole layout profile

表3 鉆孔施工參數(shù)Table 3 Drilling parameters

2）觀測結(jié)果分析。在1404 底抽巷利用ZDY8000LPS 型礦用履帶式全液壓坑道鉆機對3 個探測鉆孔進行施工。其中，1 號測試鉆孔終孔深度為86 m，2 號鉆孔終孔深度為84 m，3 號鉆孔終孔深度為90 m。雙端堵水器漏失量測試試驗準備測試前，測試人員先對設備進行現(xiàn)場調(diào)試。鉆孔施工完成后，工作人員起鉆，配合試驗人員進行試驗，測試過程如圖10 所示。1 號鉆孔觀測過程中出現(xiàn)反復塌孔，導致測試過程難以進行，因此不再進行1 號鉆孔的測試。隨后對2 號、3 號孔進行了觀測，鉆機送進雙端堵水器探頭孔深約30 m 時進行初次測試，之后每隔2 m 進行一次測試，并記錄數(shù)據(jù)。

圖10 現(xiàn)場測試Fig.10 Field test drawings

2 號鉆孔觀測終孔深度為78 m，3 號鉆孔觀測終孔深度為76 m 。統(tǒng)計各鉆孔觀測記錄的注水漏失量數(shù)據(jù)，結(jié)合附近鉆孔柱狀圖，對比分析兩鉆孔分段注水漏失量變化規(guī)律，鉆孔漏失量如圖11 所示。根據(jù)圖11 中3 號孔鉆孔分段注水量漏失圖，在工作面頂板未破壞情況下，測試段鉆孔水漏失變化量平均為4.7 L/min，在測試深度內(nèi)漏失量在3.1～5.1 L/min波動，不同測試段之間漏失量差別不大。根據(jù)圖11中 2 號試驗鉆孔水漏失量測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在孔深68～78 m，注水漏失量為3.5～5.0 L/min，與對比鉆孔注水漏失量吻合，表明此區(qū)段巖層裂隙不發(fā)育；而在孔深36～68 m，注水漏失量明顯增大，顯著高于對比鉆孔注水漏失量，漏失量達到19.2～22.3 L/min，說明此段裂隙發(fā)育明顯。因此，2 號試驗鉆孔確定的頂板導水裂隙帶頂界面位于孔深68 m 處，所對應的巖層為長興組灰?guī)r，距煤層頂板垂高為43.1 m。

圖11 測試鉆孔漏失量Fig.11 Distribution of water Leakage in Borehole

由1404 鄰近1402 工作面ZK1 鉆孔揭露，玉龍山段灰?guī)r含水層下巖溶不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)大的溶洞、裂隙，局部有溶孔及溶蝕裂隙發(fā)育，巖溶發(fā)育較差?，F(xiàn)場探測工作面導水裂隙帶發(fā)育高度為43.1 m,表明該處巖溶發(fā)育差。

3 溶洞條件下超高裂隙發(fā)育規(guī)律

由于巖溶發(fā)育具有不均一性，且現(xiàn)場實測空間位置具有隨機性和相對單一性，因此采用室內(nèi)相似模擬的方案進一步研究溶洞賦存條件下導水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律。

1）試驗方案。以1404 工作面采礦地質(zhì)條件為原型，開展了相似模擬試驗研究工作。根據(jù)礦井地質(zhì)勘探資料顯示，長興組賦存一些較小溶洞，玉龍山段上中段內(nèi)部賦存大量串珠狀巖溶洞和巖溶裂隙，溶洞尺寸在1～35 m，但溶洞賦存情況難以探明，且呈現(xiàn)不同形態(tài)的串珠。根據(jù)相關地質(zhì)資料推測，在溶洞溝通采動裂隙情況下，有以下3 種情況可使地表水涌入工作面：①大氣降水經(jīng)過落水洞，由水平狀串珠溶洞經(jīng)涌水裂隙通道涌入工作面；②玉龍山段賦存豎直串珠溶洞，其自身裂隙較高，貫通地表水與采空區(qū)；③玉龍山段與長興組溶洞天然溝通，形成天然的涌水通道。試驗模型建立了長興組規(guī)則及不規(guī)則溶洞，并在玉龍山段建立不同形態(tài)的串珠狀溶洞，包括水平長度不同的2 個串珠狀溶洞、傾斜方向不同的2 個豎直溶洞，以及垮玉龍山段與長興組不規(guī)則串珠溶洞。

為提高試驗模型的利用率，這些設計均在同一試驗模型中進行。試驗模型中，按照溶洞尺寸搭建了1～35 m 不同直徑溶洞，同時為體現(xiàn)更大尺寸溶洞的差異變化，在模型中布置1 組直徑更大溶洞。不同溶洞間通過貫通通道，對溶洞進行連接，模擬不同形態(tài)串珠狀溶洞。同時為避免傾斜串珠狀溶洞自身發(fā)育高度對水平串珠狀溶洞的影響，將水平串珠狀溶洞布置于工作面開切眼上方，傾斜串珠狀溶洞布置于工作面中部及后方。

試驗采用的幾何相似比LC=1∶150，容重相似比Cγ=1∶1.5。根據(jù)現(xiàn)有的試驗條件，在4 000 mm×2 000 mm×300 mm（長×高×寬）規(guī)格的試驗臺上進行試驗，各巖層相似材料配比見表4。

表4 相似模擬試驗配比Table 4 Comparison of similar simulation tests

模型兩側(cè)邊界留設40 cm 保護煤柱，用于消除模型的邊界效應，試驗模型如圖12 所示。模型的開挖方向為從左至右，根據(jù)覆巖運動的實際情況每次開挖5 cm，每次開挖間隔為2 h。

圖12 相似模擬試驗模型Fig.12 Similar simulation test model

2）模擬結(jié)果分析。工作面推進至100 m 時，覆巖周期性垮落，垮落至長興組灰?guī)r中部，未出現(xiàn)大的采動裂隙。長興組中形態(tài)規(guī)則的小溶洞坍塌，對導水裂隙帶發(fā)育影響甚微，玉龍山段不規(guī)則溶洞穩(wěn)定，未產(chǎn)生擴展裂隙，如圖13 所示。此時導水裂隙帶發(fā)育高度為45 m。

圖13 工作面開挖100 m 覆巖裂隙發(fā)育Fig.13 Development of overlying rock fractures after excavation of 100 m on the working face

工作面推進至180 m 時，工作面已推過玉龍山段水平狀串珠溶洞。工作面上覆巖層垮落至長興組頂界面，長興組頂界面上覆巖層彎曲變形，無明顯裂隙。水平狀串珠①號溶洞在采動影響下發(fā)生失穩(wěn)變形，上部覆巖產(chǎn)生離層裂隙，兩側(cè)邊界縱向裂隙具有向下擴展趨勢。此時，采動裂隙和溶洞失穩(wěn)變形產(chǎn)生的裂隙之間溝通聯(lián)系較弱，如圖14 所示。

圖14 工作面開挖180 m 覆巖裂隙發(fā)育Fig.14 Development of overlying rock fractures after excavation of 180 m on the working face

工作面推進至290 m 時，在采動影響下，采動上行裂隙和水平狀串珠①號溶洞失穩(wěn)產(chǎn)生的下行裂隙貫通。同時水平狀串珠②號溶洞垮落失穩(wěn)導致其上部巖層垮落變形，在兩側(cè)產(chǎn)生縱向裂隙。豎直狀串珠③號溶洞下部拉伸破壞產(chǎn)生裂隙，上部受擠壓破壞產(chǎn)生上行裂隙。采空區(qū)兩側(cè)形成與玉龍山灰?guī)r導通的破裂面，采空區(qū)右側(cè)導水裂隙從③號溶洞底部進入頂部穿出形成貫穿破裂面，如圖15 所示。

圖15 工作面開挖290 m 覆巖裂隙發(fā)育Fig.15 Development of overlying rock fractures after excavation of 290 m on the working face

當工作面推進至350 m 時，模型中部豎直串珠狀④號溶洞頂部受擠壓破環(huán)，頂部有灰?guī)r垮落，溶洞底部受張拉而產(chǎn)生張開裂隙，導致玉龍山灰?guī)r頂部與工作面導通，形成貫穿型的涌水通道。豎直串珠狀④號溶洞底部向③號溶洞方向產(chǎn)生擴展裂隙。采空區(qū)中部破碎巖石的不斷壓實，破斷巖層進一步回轉(zhuǎn)下沉，采空區(qū)后方的導通裂隙受擠壓逐漸閉合，如圖16 所示。

圖16 工作面開挖350 m 覆巖裂隙發(fā)育Fig.16 Development of overlying rock fractures after excavation of 350 m on the working face

當工作面推進至480 m 時，豎直串珠狀溶洞④底部受拉伸破壞，溶洞上行裂隙進一步發(fā)育并與③號溶洞貫通。上覆巖層以⑤號溶洞的中部為的支點，在此處形成應力集中，⑤號溶洞在應力集中和采動附加力共同作用下發(fā)生失穩(wěn)。⑤號豎向溶洞失穩(wěn)變形，導致其上方巖層呈整體下沉趨勢，并產(chǎn)生上行裂隙，溝通至模型頂部形成貫通涌水通道。溶洞中下部極易產(chǎn)生下行裂隙，并導向長興組灰?guī)r溶洞，致使裂隙溝通工作面，如圖17 所示。此時導水裂隙帶發(fā)育高度達到173.1 m，裂采比為57.7。

圖17 工作面開挖480 m 覆巖裂隙發(fā)育Fig.17 Development of overlying rock fractures after excavation of 480 m on the working face

模擬試驗結(jié)果表明，長興組溶洞對導水裂隙帶發(fā)育影響甚微，玉龍山段不同形態(tài)的溶洞對導水裂隙帶發(fā)育的影響顯著，導水裂隙發(fā)育異常，其高度可達173.1 m，裂采比高達57.7，與玉龍山段灰?guī)r強含水層溝通。溶洞下頂板導水裂隙由采動上行裂隙和溶洞失穩(wěn)下行裂隙兩部分構(gòu)成，采動影響下，溶洞在集中應力和采動附加應力的共同作用下發(fā)生失穩(wěn)，并容易形成下行裂隙，與采動上行裂隙溝通，最終形成黔西南礦區(qū)特殊的超高導水裂隙。

4 溶洞條件下超高裂隙發(fā)育機理

溶洞賦存條件下頂板導水裂隙在采動影響下，采動上行裂隙和溶洞失穩(wěn)產(chǎn)生的下行裂隙溝通，最終導致超高導水裂隙通道的形成。結(jié)合礦井現(xiàn)有微震監(jiān)測系統(tǒng)，對溶洞下導水裂隙發(fā)育進行微震分析。以1404 鄰近1402 工作面為監(jiān)測對象，微震事件剖面圖如圖18 所示，結(jié)果顯示微震事件在1402 工作面前方煤層頂板往上逐漸減少，但發(fā)生事件的能量越往上越大。工作面共發(fā)生4 次比較大的震動，能量均大于100 J，其位置從下向上依次為：長興組灰?guī)r底部、玉龍山灰?guī)r中部和上部兩處。根據(jù)微震監(jiān)測結(jié)果分析得出：在采動影響下，玉龍山灰?guī)r溶洞失穩(wěn)，涌水通道發(fā)育至玉龍山灰?guī)r，并與玉龍山灰?guī)r溶洞導通。

圖18 1402 工作面微震事件剖面圖Fig.18 Microseismic event profile of working face No.1402

煤層頂板含水層主要由玉龍山灰?guī)r和長興組灰?guī)r組成，補給水源主要是大氣降雨。在巖溶礦區(qū)，大氣降雨多通過落水洞和巖溶裂隙進入地下巖溶含水層內(nèi)，這成為巖溶礦區(qū)煤炭開采的潛在威脅。隨著工作面的不斷推進，導水裂隙逐漸向上發(fā)育，對頂板巖溶洞的開采擾動影響也逐漸增強，溶洞周圍的巖溶裂隙逐漸向外擴張。當工作面推進到一定距離時，采動上行裂隙與溶洞下行裂隙溝通，導水裂隙帶超高發(fā)育，形成巖溶洞和采空區(qū)之間的導水通道。同時由于開采擾動影響，巖溶洞之間也會產(chǎn)生相互導通的裂隙，形成水力聯(lián)系。因此，形成了地表水?巖溶洞?采空區(qū)之間的導水通道，如圖19 所示。

圖19 巖溶地區(qū)涌突水機理示意Fig.19 Schematic of water inrush mechanism in karst areas

5 結(jié) 論

1）研究區(qū)地表沿溝谷處落水洞發(fā)育，玉龍山段強含水層中上部溶洞發(fā)育，且呈現(xiàn)不同形態(tài)的串珠狀，長興組僅局部賦存直徑較小的溶洞。

2）采動覆巖中溶洞對導水裂隙發(fā)育有著重要的影響，無溶洞條件下，導水裂隙正常發(fā)育，實測最大發(fā)育高度43.1 m，發(fā)育至長興組中部；溶洞條件下，不同串珠狀溶洞均對導水裂隙帶有超高發(fā)育的作用，導水裂隙帶發(fā)育異常，其高度可達173.1 m，與玉龍山段灰?guī)r強含水層溝通。

3）通過現(xiàn)場測試和實驗室試驗，對溶洞下導水裂隙超高發(fā)育機理進行了解釋。在采動影響下，由采動上行裂隙和溶洞失穩(wěn)產(chǎn)生的下行裂隙溝通，最終形成黔西南礦區(qū)特殊的超高導水裂隙通道，并形成了地表水?巖溶洞?采空區(qū)之間水力聯(lián)系的通道。