厚松散层薄基岩下采动裂隙发育规律及应用_朱伟.pdf

厚松散层薄基岩下采动裂隙发育规律及应用 朱伟 1 （中煤科工集团唐山研究院有限公司， 河北 唐山 063012） 摘要为研究厚松散含水层薄基岩下厚煤层综放开采的安全性， 从黏土采动隔水性和近第四系底部导水裂 缝带发育特征两个方面进行了讨论。以潞安矿区三元煤矿为例， 通过对开采区域第四系松散层的不同深度进行取 样和实验室试验分析， 得到了特定地质条件下黏土的物理力学特性和水理特性。通过选取合理的黏土隔水层采动 失稳判据， 评价分析了第四系底部厚黏土隔水层综放高强度开采后隔水性能的变化状态。采用数值模拟和现场实 测方法研究了厚松散层薄基岩条件下近第四系底部覆岩破坏和采动裂缝发育规律。研究表明 ①三采区第四系松 散层黏土随着埋深增大， 其力学性能呈增大趋势， 埋深超过130 m时， 黏土的液性指数甚至降至0以下， 深埋黏土具 有良好的原生隔水性能； ②黏土采动隔水性评价结果表明， 区内第四系底部黏土采动后仍然具有良好的隔水能力， 能很好地抑制导水裂缝带上行扩展； ③近第四系底部开采导水裂缝带高度仅发育至第四系底部黏土。实例分析表 明 三元煤矿3301工作面在顶板基岩厚度仅为36～55 m、 煤层厚度7 m的情况下， 实现了地表水体和第四系松散含 水层水体下的综放安全开采， 为类似水体下采煤实践提供了有益参考。 关键词厚松散层薄基岩采动隔水性导水裂缝带水害防治 中图分类号TD325， TD825文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -10-126-07 DOI10.19614/ki.jsks.201910020 Developing Rule and Engineering Application of Mining Fracture under Thick Unconsolidated Layers and Thin Bedrock Zhu Wei2 （Tangshan Research Institute Co.， Ltd. of China Coal Technology Engineering Group， Tangshan 063012， China） AbstractIn order to study the mining safety of high seam with fully mechanized top-coal caving technology under thick unconsolidated aquifers and thin bedrock， the study work is carried out from two aspectsthe water-resisting property of clay in mining and the development characteristics of the water flowing fracture zone at the bottom of the Quaternary.Taking Sanyuan Coal Mine in Luan mining area as the study example， through sampling and laboratory test analysis of different depths of Qua- ternary loose strata in mining area， the physical and mechanical properties and water properties of clay under specific geologi- cal conditions are obtained.The change of water-resisting perance of thick clay aquifer at the bottom of Quaternary system after fully mechanized top-coal caving mining with high strength is analyzed by selecting reasonable criterion for mining insta- bility of clay aquifer.The law of overburden failure and mining fracture development at the bottom of Quaternary under the con- dition of thick loose bedrock and thin bedrock is studied by numerical simulation and field measurement.The study results show that①the mechanical properties of Quaternary loose clay in No.3 mining area of the mine increase with the burial depth increasing， when the buried depth exceeds 130 m， the liquid index of clay even decreases to below 0， the deep buried clay has good primary water-proof perance； ②the uation on water-resisting property of clay in mining show that the clay at the bottom of Quaternary system in this area still has good water-resisting property after mining， and can well inhibit the upward expansion of water-conducting fracture zone； ③the results of numerical simulation and field measurements indicate that the height of aquifer fractured zone exploited at the bottom of Quaternary only develops to the clay at the bottom of Quaternary.The application results show that fully-mechanized caving mining under surface water and Quaternary unconsolidated aquifer wa- ter is successfully realized in 3301 working face of Sanyuan Coal Mine with the thickness of roof bedrock only 36～55 m and 收稿日期2019-08-28 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51474129） 。 作者简介朱伟 （1984） ， 男， 副研究员， 硕士。 总第 520 期 2019 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 520 October 2019 126 ChaoXing the thickness of coal seam 7 m， which provides engineering reference for coal mining practice under similar water body. KeywordsThick unconsolidated layers， Thin bedrock， Mining impermeability， Water flowing fractured zone， Water haz- ard control 厚松散层矿区在我国大面积存在， 如我国的主 要产煤地区华东矿区， 集中了开滦、 兖州、 济宁、 徐州、 两淮、 巨野、 焦作等矿区。开采煤层顶板覆盖 深厚的松散层一般厚度为100～300 m， 部分甚至达 到500 m以上， 多数矿井面临着厚松散含水层薄基岩 下资源压覆与解放问题 ［1-4］， 甚至出现了一些薄基岩 区域第四系松散含水层突水事件， 如兖州横河煤矿 西4-1工作面在实测松散层底部为弱含水层的情况 下发生了突水； 两淮区域祁东煤矿3222和7114工作 面在厚松散含水层第四系底部留设防水安全煤岩柱 的情况下发生了突水事故 ［5-7］。在我国中部、 西部地 区， 薄基岩厚松散覆盖层的煤层地质条件广泛存在， 如沁水煤田厚湿陷黄土层覆盖潞安矿区部分区域。 在厚覆盖层含水、 富水区域， 煤层开采受松散潜水含 水砂层和地表水的影响较为明显， 顶板水害为影响 矿井正常安全生产的主要因素之一， 且在局部地带 存在突发涌水突泥或溃砂的安全威胁， 给矿井安全 生产带来了很大威胁 ［8-10］。 薄基岩条件下煤层开采导水裂缝带的发育高度 是顶板突水与防控的关键因素。文献 ［11］ 比较系统 地介绍了煤层开采覆岩破坏研究成果， 受制于时间关 系， 对综放工艺鲜有涉及； 李振华等 ［12］对薄基岩煤层 覆岩裂隙演化的分形特征进行了研究； 李江华等 ［13］研 究了巨厚松散层薄基岩工作面的覆岩载荷传递特征； 李佩全等 ［14］、 方新秋等［15］、 姚邦华等［16］分别对厚松散 层薄基岩综采面覆岩破坏高度的发育情况进行了详 细分析； 张通等 ［17］详细分析了薄基岩厚松散层深部 采场裂隙带几何特征及矿压分布的工作面效应。薄 基岩厚覆盖层煤层开采所造成的水砂混合流运移、 突涌同时是一个复杂的耦合问题， 隋旺华等 ［18］、 李利 平等 ［19］研究了松散含水层下采煤的流固耦合问题， 综合考虑了水压、 应力等对采场的影响。在黏土采 动隔水特性方面， 刘世奇 ［20］、 蔚保宁［21］研究了黏土隔 水层的采动隔水特性以及失稳机理； 沈丁一等 ［22］认 为黏土层能有效抑制岩层变形及导水裂隙发育。 目前在薄基岩区厚松散含水层下开采水害防治 和提高开采上限方面的研究取得了长足进步， 极大 程度上保障了工作面安全生产 ［23-24］。由于开采地质 条件的复杂性， 厚松散层薄基岩水害防治仍旧是一 个较大难题， 特别在近第四系底部厚煤层综放一次 采全高高强度开采条件下， 覆岩破坏程度极为严重， 增加了第四系底部含水层下开采的难度。本研究针 对潞安矿区三元煤矿厚煤层在厚松散层薄基岩区地 表水体下开采的工程实例， 通过钻探取样， 对顶板第 四系松散层不同深度的土层物理力学特征及水理特 性进行试验分析， 对第四系底部黏土隔水层的采动 隔水性进行评价， 通过数值模拟和现场钻探实测确 定厚煤层近第四系底部综放开采覆岩导水裂缝带的 发育高度， 并进一步讨论地表水体下开采方案， 实现 安全开采。 1研究区概况 三元煤矿位于沁水煤田东南边缘的长治矿区， 北与潞安矿区相接， 南与高平矿区相连。煤矿井田 位于太行山中段西侧的山前地带、 长治新生界断陷 堆积盆地内， 地势开阔平坦， 第四系黄土全覆盖。目 前开采矿井北部三采区， 主采3煤层， 厚度为6.6～ 7.5 m， 煤层底板标高630.0～665.0 m， 基本为近水 平状态。根据钻孔揭露资料， 三采区范围内煤层基 岩厚度为 36.0～75.0 m （3301 工作面基岩厚度仅为 36～55 m） ， 第四系松散覆盖层厚度为167～206 m， 属典型的薄基岩、 厚松散覆盖层地质区域， 同时地表 存在大型积水区， 估算积水总量约25万 m3， 如图1所 示。1、 2、 4钻孔勘探查明第四系松散覆盖层主要结 构为黏土、 粉质黏土， 并相间赋存有多个富水性中等 的含水砂层， 其中1水文孔显示第四系中含水砂层有 13层， 主要由其间粉砂、 细砂、 中砂、 粗砂及底部砂砾 层组成， 单层厚度0.8～6.35 m， 累计厚度约28.2 m， 同时间隔有 11 层隔水层， 单层厚度为 3.20～38.45 m， 隔水层总厚度为 153.90 m， 岩性主要为粉质黏 土。松散层底部含水层抽水试验显示， 单位涌水量 为0.2145 L/ （s m） ， 为富水性中等含水层。风化基岩裂 隙含水层富水性较弱， 单位涌水量为 0.06 L/ （s m） 。第 四系松散层底部细圆砾砂含水层部分区域与其下部 的风化基岩裂隙含水层直接接触。 三采区安全开采的主要突水威胁来自于顶板水 害以及地表水体， 特别是对于采用综采放顶煤一次 采全高开采工艺， 顶板基岩厚度较小时， 采后形成的 导水裂隙发育到达含水砂层并沟通各含水砂层间的 水力联系以及联通地表水体， 水源涌入工作面， 威胁 工作面安全生产。在薄基岩厚松散含水层下采煤 时， 第四系底部黏土隔水特性和导水裂隙发育特征 是最重要的两个方面， 本研究分别从这两个方面分 2019年第10期朱伟等 厚松散层薄基岩下采动裂隙发育规律及应用 127 ChaoXing 析水体下采煤的安全性。 2黏土结构特性试验分析 黏土的隔水性能主要取决于其自身的物理力 学特性以及水理特性。本研究通过对三采区第四 系松散层不同深度的黏土进行取样并进行实验室 试验分析， 获得了不同深度黏土的结构特性， 为确 定黏土隔水性能提供了基础依据。不同深度层位 土芯取样的物理力学和水理性质的测试成果如图 2、 图3所示。 土样室内试验结果表明 ①黏土粒径均小于0.25 mm， 黏粒含量稳定在 12.1～18.6， 粘粒含量为 15左右的黏土其抗液化能力、 隔水性能最佳； ②埋 深140.0 m以下时， 大部分黏土为孔隙比≤0.60、 饱和 度≥80.0的低压缩性饱和黏土； ③随着埋深增加， 黏 土抗压强度、 黏聚力、 压缩模量等力学性能均呈增大 趋势， 说明深部黏土具有更好的抵抗破坏的能力； ④ 随着埋深增加， 黏土逐渐由可塑向硬塑状态转变， 属 低极低渗透性黏土 ［24］。 根据许延春 ［25］对黄淮地区深部黏土的物性、 力 学特性分析可知 当黏土的液性指数≤0.25、 塑性指数 ＞17时， 黏土可作为良好的隔水层。本研究取样试 验表明 当埋深大于60 m左右时， 黏土试样的液性指 数和塑性指数均达到了相应的指数标准。已有研究 表明 与浅表黏土相比， 深埋黏土 （埋深＞70 m） 密度 增大， 孔隙度和含水量降低， 其力学性能明显提高。 黏土液性指数随着埋深增大有明显下降趋势， 当埋 深超过一定范围后 （不同矿区数据不一致， 本研究矿 井埋深约80 m） ， 黏土液性指数基本降至0以下， 黏土 为硬塑甚至半固态， 这种状态的黏土层隔水性良 好。当埋深超过130 m时， 黏土液性指数甚至降至0 以下， 表明整个松散层黏土隔水层特别是深埋区域 具有良好的隔水性能。 3黏土隔水层采动隔水性评价 实验室内静态试验结果表明， 三采区第四系深 部黏土层具有良好的原生隔水性能。受采动影响后 的黏土隔水层是否依然保持隔水性， 仍需进一步分 析。本研究采用文献 ［20］ 提出的黏土隔水性采动失 稳判据进行三采区第四系底部黏土隔水层采动后的 隔水性能评价。煤层近第四系底部开采黏土隔水层 金属矿山2019年第10期总第520期 128 ChaoXing 的采动破坏形式主要有拉伸破坏、 剪切破坏、 弯曲破 坏3种形式， 相应的黏土隔水层采动隔水性评价指标 有如下4个 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ AL1.52KLbW N ≤ λL AJaKJ W γN ≤ λJ AJbKLγ γ2W2-γ 1.01N2 ≤ λJ AW1.52KLW γ ≤ λL ，（1） 式中，AL为黏土层拉伸变形隔水性评价指数；AJa为 黏土层直剪隔水性评价指数；AJb为黏土层剪拉隔水 性评价指数；AW为黏土层弯曲变形隔水性评价指 数；KL为修正指数， 与黏土层与煤层的距离有关；KJ 为修正指数， 与黏土层与煤层的距离有关；b为水平 移动系数；W为下沉值， m；N为黏土隔水层厚度， m； γ为主要影响半径， m；λL为黏土的拉厚比， 由实验 室测定；λJ为黏土的剪厚比， 由实验室测定。 根据采动变形黏土层隔水性的4个评价指标和 室内试验中黏土试样节点的试验值， 对黏土层隔水 性的4个指标进行了区间划分， 如图4所示。 采动黏土隔水性失稳判据如下 （1） 保持隔水性。判据为 ||AJa＜0.105 ⋂ AJb,AL,AW＜0.120.（2） （2） 隔水性减弱。判据为 0.105≤||AJa≤ 0.135 ⋃0.120≤ AJb,AL,AW≤ 0.156. （3） （3） 无隔水性。判据为 ||AJa≥ 0.135 ⋃ AJb,AL,AW≥ 0.156.（4） 三采区第四系覆盖层底部存在由下至上厚度不 等的黏土层， 根据钻孔资料， 各黏土层厚度见表1。 采用黏土层隔水评价指标对三采区松散层底部 黏土层的隔水性能进行了评价， 相关计算参数见表 2。此外， 计算的下沉系数q为0.91， 水平移动系数b 为0.35， 主要影响角正切tanβ为1.8， 修正参数KL和 KJ取值分别为0.25、 1.5。 计算获得的三采区松散层底部黏土层隔水性能 评价指数如表3所示。由表3可知 各钻孔第四系松 散层底部主要黏土隔水层的各项隔水性评价指数均 处于 “保持隔水性” 区间内， 采动后的黏土依然具有 良好的隔水性能。 4薄基岩综放采动裂隙发育数值模拟与现场 实测 4. 1数值模拟分析 覆岩破坏导水裂隙带发育规律是矿井水害防治 以及近第四系松散含水层和地表水体下安全开采煤 岩柱的重要依据。已有的综放开采导水裂缝带发育 高度研究表明， 综放一次采全高覆岩破坏剧烈， 裂缝 带发育高度异常大。三采区3301工作面基岩厚度仅 为36～55 m， 基岩上覆有深厚的第四系松散覆盖层， 煤层厚度约7 m， 这种情况下不能仅以经验公式来 计算其导水裂隙发育高度。本研究采用数值模拟和 现场实测方法研究厚煤层薄基岩条件下综放近第四 系松散层开采导水裂缝带的发育特征。根据三采区 地层钻探成果， 建立了平面应变模型， 模拟煤岩层的 物理力学参数取值见表4。采用FLAC3D软件模拟分 2019年第10期朱伟等 厚松散层薄基岩下采动裂隙发育规律及应用 129 ChaoXing 析了3煤层近第四系底部综放开采后覆岩破坏随工作面推进的变化过程， 如图5所示。 由图5可知， 随着煤层开采覆岩破坏呈现出如下 特点 工作面推进50 m时老顶发生初次破坏， 覆岩破 坏高度具有阶段突增现象， 其原因为煤层顶板岩层 为软、 硬岩层相间分布， 在力学性能较好、 起主要承 载作用的硬岩 （各粒级砂岩） 逐渐破坏后， 其上部的 软岩 （泥岩、 砂质泥岩） 随即迅速破坏； 工作面推进至 110 m以后， 岩层破坏在垂向上贯通整个基岩段， 并 将第四系覆盖层最底部的含水砂层与风化基岩裂隙 含水层导通 ［24］， 但最终破坏范围终止于松散层底部 的黏土层， 不再向上发育； 第四系底部黏土隔水层有 效阻断了导水裂缝沿第四系向上扩展， 同时也阻断 了第四系中上部含水层的下渗补给和水力联系。 4. 2钻探实测分析 为进一步分析导水裂隙带在薄基岩厚覆盖层下 的发育规律， 通过施工地面观测钻孔 （4孔） 测定钻进 过程中钻孔冲洗液漏失量、 钻孔水位变化、 钻孔岩芯 破坏情况及钻进过程中的各种异常现象， 经过综合 分析来确定 “两带” 的发育高度。 该孔第四系松散层厚度为193.19 m， 煤层顶板基 岩厚约52.7 m。钻进至158.41 m时， 冲洗液消耗量一 般为 0.04～0.12 m3/h， 钻孔水位一般为 0.70～4.10 m。钻进至191.89 m时， 一般消耗量为0.06 m3/h， 钻 孔水位一般为4.0～8.0 m。钻进至193.10 m时， 消耗 量增大至1.50 m3/h， 钻进至196.77 m时， 冲洗液发生 漏失， 消耗量增大， 最大消耗量为3.48 m3/h。钻进至 213.57 m过程中， 消耗量增大， 为3.60 m3/h， 钻孔水位 一般为11.30～12.50 m， 至222.10 m时钻孔全漏不返 冲洗液， 无法测量水位。根据4孔简易水文资料显 示， 自193.10 m处开始钻孔消耗量变化明显， 尤其在 粗粒砂岩和中粒砂岩层位， 由于导水裂隙带破坏影 响， 岩芯破碎， 导致冲洗液消耗量大。分析表明 3煤 层开采后形成的导水裂隙带已导通至第四系底部， 但裂隙在第四系中受到抑制不发育， 第四系底部黏 土层极大抑制了裂缝的发育扩展。钻探实测综放开 采导水裂隙带高度为52.7 m， 即导水裂隙带仅发育至 第四系底界面。 5工程实践 三元煤矿三采区属于厚松散层薄基岩开采区， 第四系松散含水层富水性中等且潜水位高， 厚煤层 开采沉陷后极易形成塌陷积水区， 从而对开采工作 面产生安全威胁。3301工作面宽度为220 m， 推进长 度约1 080 m， 开采区域第四系厚度为193.2～206 m， 基岩厚度仅为36～55 m， 煤层厚度约7 m， 因此工作 面在宽度方向上基本达到充分采动， 在推进方向上 达到超充分采动状态， 顶板覆岩破坏充分发育， 地表 实测最大下沉值达到5.8 m。根据第四系黏土结构特 性以及采动隔水性评价结果， 认为第四系厚松散层 底部隔水层能有效抑制导水裂隙带向上发育， 隔断 金属矿山2019年第10期总第520期 130 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ 第四系中上层含水层以及地表水体与基岩风化带的 水力联系。近第四系底部综放导水裂隙带实测结果 表明， 覆岩破坏仅发育至第四系底部黏土层底界 面。因此， 适宜采用 “顶板水预疏放留设防塌煤岩 柱综放开采” 技术方案。首采3301工作面在风巷、 运 巷分别向顶板施工探放水孔， 设计探放水孔终孔竖 向高度进入第四系底界面止， 累计施工6个钻场， 18 个钻孔， 单孔出水量为2～6 m3/h， 持续时间多为1～ 2 d， 后变为涓涓细流， 累计放水总量约 3 600 m3。 3301工作面后期开采过程中采用了正常综采放顶煤 开采工艺， 全部陷落法管理顶板， 工作面正常涌水量 一般为3～6 m3/h， 最大未超过8 m3/h， 推进过程中未 发生滞后突涌水现象， 成功实现了厚煤层薄基岩厚 松散含水层及地表水体下安全开采， 为后续3302、 3303工作面开采积累了经验。 6结论 （1） 三元煤矿不同埋深第四系松散层黏土物理 力学水理性质分析表明， 随着埋深增大， 黏土抗压强 度、 黏聚力等力学参数均呈增大趋势， 黏土液性指数 和垂直渗透系数有明显下降趋势， 当埋深超过130 m 时， 黏土液性指数甚至降至0以下， 属低极低渗透 性黏土， 黏土原生隔水性良好。 （2） 量化评价了第四系底部黏土隔水层采动后 的隔水状态， 结果显示， 采动后的黏土依然具有良好 的隔水性， 能有效抑制导水裂隙带上行扩展。近第 四系底部综放开采导水裂隙带仅发育至第四系底部 黏土， 不再向上部第四系底部扩展， 对于水体下采煤 和第四系底部水害防治具有重要意义。 （3） 三元煤矿3301工作面在顶板基岩厚度仅为 36～55 m、 第四系厚度 193.2～206 m、 煤层厚度 7 m 的情况下， 实现了地表水体和第四系松散含水层水 体下综放安全开采， 验证了研究结果的可靠性， 可为 类似水体下采煤作业提供有益借鉴。 致谢特别感谢中国矿业大学白海波教授团 队提供的三元煤矿三采区黏土试样实验室参数测试 成果 参 考 文 献 许家林， 蔡东， 傅昆岚.邻近松散承压含水层开采工作面压架 机理与防治 ［J］ .煤炭学报， 2007， 32 （12） 1239-1243. 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