内蒙古鲁新煤矿11煤开采导水裂隙带高度及充水危险性评价

郑 纲， 王红梅

(中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054)

0 引言

鲁新井田地处锡林郭勒盟高原，草原植被发育良好，邻近草原旅游区，井田地表水、地下水资源丰富。鲁新煤矿属于基建矿井，先期开采11煤层。由于新近系或第四系与煤系的不整合接触，纵向上煤层回采后导水裂隙带范围内发育多层含水层，顶板含水层由下至上胶结性逐渐变差、力学强度变弱、富水性变强。煤层回采后顶板破裂不但可能引起灾害性突水、突水溃沙等灾害，还可能因矿井突水破坏草原水资源，引起环境地质灾害。为了合理布置采煤工作面，确定采煤方法，防止工作面突水，保护草原地下水，急需研究导水裂隙带发育高度，对11煤进行充水危险性分区、评价。前人在包括顶板突水机理[1-3]、顶板突水危险性预测及评价[4-13]、含水层富水区[14]及顶板涌水量预测[15]等方面进行了较多的研究，取得了一定的成果。本文在水文地质补充勘探的基础上，分析11煤顶板水文地质条件, 计算了11煤与上覆含水层的间距；采用多种方法预测11煤开采后导水裂隙带发育高度，分析11煤开采后对上覆含水层的影响程度，对11煤分层开采的充水危险性进行了分区评价，为11煤的防治水提供依据。

1 地质及水文地质条件

1.1 地质

1.1.1 地层

鲁新井田内揭露的地层由老至新有上侏罗统布拉根哈达组，下白垩统大磨拐河组(Kd1)，新近系五岔沟组(N2w)及第四系(Q)。各地层间均为不整合接触。其中第四系广泛分布，覆盖井田内大部分区域，仅丘陵顶局部出露侏罗系查干诺尔组(Jc)、道特诺尔组(Jd)和新近系五岔沟组(N2w)基岩。

1.1.2 构造

鲁新井田为一个封闭的聚煤盆地，盆地的基底为火山凝灰岩，盆地整体近似为北东-南西走向的不对称向斜，向斜西北翼较缓，倾角小于10°。盆地中部地层产状非常平缓，倾角小于5°，盆地东南边缘倾角稍大。煤系主要保留在下部，上部已部分遭受剥蚀，保留的层位不一致。由于含煤基底起伏不平，煤系发育厚度不均，变化较大；但总体上是盆地中间煤层层数多、厚度大，边缘层数少、厚度小。

1.2 水文地质条件

1.2.1 水文地质边界

鲁新煤矿所处的地区，无论从地形地貌上还是地质构造上，都是一个盆地，它是一个具有统一补给边界和径流、排泄条件的地下水系统。垂向上，盆地煤系基底火山凝灰岩为底部阻水边界，在盆地阻水边界范围内，大气降水入渗主要补给第四系含水层，地下水顺地势向盆地中部径流。顶部第四系含水层接收大气降水的补给。

平面上盆地西北部、北部和东南部由山丘组成的分水岭边界，在岩浆岩风化裂隙水分布区，一般地下水分水岭与地表分水岭基本一致，沿此分水岭，盆地外侧的水(地下水和地表水)不能流入盆地内，因此盆地西北部、北部和东南部边界可视为相对阻水边界；东北部的都兰山与阿勒敖包山之间有一南北约2km宽的第四系古河床(斯尔吉河)，边界附近已有稀疏钻孔揭露有新近系含水层存在，反映新近系含水层可能通过此地带向区外延伸；同样在矿井西南乌散道包格山与乌珠尔呼舒山之间存在一条东西宽约4.5km的第四系古河床(乌拉盖河)，边界附近已有稀疏钻孔揭露有新近系含水层存在，反映下伏新近系含水层也可通过此地带向区外延伸。第四系古河床地下水丰富，新近系砂砾岩含水丰富、透水性好，这两处可视为盆地与外界相通的透水边界。矿井西部边界地表因相对两侧较高，边界附近已有稀疏钻孔揭露没有探到新近系含水层存在，推测下伏新近系含水层提前尖灭，未延伸到区外，暂推测为阻水边界。

1.2.2 含水层发育特征

矿井11煤顶板自上而下发育第四系松散沙层含水层、新近系砂砾岩含水层、6煤顶板砂岩含水层、9煤顶板砂岩含水层、11煤顶板砂岩含水层(表1、图1) 。

表1 矿井主要含水层特征

由图1看出，新近系含水层不整合覆盖在煤系上，在井田中部深埋区，11煤顶板之上尚有煤系多个含水层覆盖，但随着煤层埋藏变浅抬升，遭受新近系剥蚀，11煤顶板含水层直接与新近系含水层接触。

图1 主要含水层与主采煤层关系示意Figure 1 Relationship between main aquifer and mainextracting coal seam schematic diagram

1.2.3 主要隔水层

新近系上部泥岩段隔水层为第四系含水层与新近系砂砾岩含水层之间的隔水层，该泥岩段厚度3.70～65.15m，平均厚40.40m。井田范围内大部分地区分布较稳定，厚度大于35m的区域约占井田面积94%；厚度小于35m的区域仅分布在井田东部边界中段处，约占井田面积6%。它基本上阻断了第四系、新近系含水层之间的水力联系。但在局部地段厚度较小，稳定性较差，隔水能力相对较弱。

2 11煤开采导水裂隙带发育高度预测

导水裂隙带是顶板含水层的主要导水通道，预测顶板充水危险性需要导水裂隙带高度，因为工作面还未回采，无法实测。本文采用关键层理论分析法、经验公司法及周围矿井实测数据综合分析，综合确定导水裂隙带高度。

2.1 导水裂隙带高度的理论分析

根据关键层理论，研究顶板导水裂隙带高度发育特征, 预测导水裂隙带发育高度[11], 选取研究区范围内的钻孔布置见图2。以钻孔揭露的地层进行关键层分析，覆岩力学参数见表2。

图2 工作面及钻孔布置示意Figure 2 Schematic diagram of working face and boreholes layout

表2 11煤层覆岩(土)层物理力学参数

2.1.1 判别覆岩中坚硬岩层的位置

首先假设第24层为坚硬岩石，考虑其自重大小为22.35kPa，根据组合梁原理，第24层、23层岩层对第24层岩层的载荷作用大小为44.21kPa。

q24=γ24h24=2.648×8.44=22.35kPa

(1)

(2)

式中：q1(x)|m为第m层岩层对第一层坚硬岩层形成载荷；Ei、hi、γi分别为对应i层岩层的弹性模量、厚度、容重(i=1,2,3,…,m)，单位分别为MPa、m、104N·m-3。

式(2)不满足刚度条件：

q1(x)|m+1

(3)

因此第24层为坚硬岩层。

接着考查第23层岩层，其自重荷载大小为

q23=γ23h23=2.712×0.54=1.46kPa

(4)

第23、22层岩层对第23层岩层的荷载作用大小为

(5)

以此类推，将表3的物理力学参数代入式子(6)，得

(6)

计算各岩层的载荷，依据关键层的刚度条件确定出覆岩中的坚硬岩层。

根据关键层的强度条件来判断各硬岩层的破断距。将上述得到的硬岩层当作固支梁力学模型，当固支梁两端所对应的最大拉应力σmax=σt时得到岩梁的破断距：

(7)

式中：hk为第k层硬岩层的厚度，m；σk为第k层硬岩层的抗拉强度，MPa；qk为第k层硬岩层承受的载荷，kN/m2。

经计算判断结果可知，第24、22、10、7、5层岩层为坚硬岩层，坚硬岩层判别结果见表3。

表3 11煤层顶板覆岩关键层分析

2.1.2 判别覆岩关键层的位置

按照两端固支梁分别计算第24、22、10、7、5层岩层的极限破断距。根据关键层判断方法，鲁新煤矿31101工作面11煤层上方覆岩共有关键层5层，1层主关键层，4层亚关键层，随着工作面的逐渐推进，关键层从下往上逐层破断。

2.1.3 导水裂隙带高度计算

1)11煤层开采判断关键层破断情况。根据关键层理论在判断导水裂隙带发育高度范围时可转变为分析关键层的破断情况。根据煤层开采过程中关键层最大挠度与下部最大自由空间可判断关键层破断情况，当关键层最大挠度小于关键层下部最大自由空间时，岩层发生破坏，导水裂隙带继续向上发育。根据公式(7)进行计算煤层开采过程中各关键层的破断情况。

(8)

式中：m为开采厚度，m；hx为下位第x层岩层厚度，m；kx为下位第x层岩层残余碎胀系数；fimax为第i层岩层最大挠度。

当关键层为固支梁时最大挠度为

(9)

式中：q为关键层所承受载荷，N/m2；L为岩梁受采动影响长度，m。

L=Dctgθ+Lk

(10)

式中：D为煤层到岩层距离，m;θ为采动影响角，取值75°，Lk为破断距,m。E为岩梁的弹性模量，Pa；I为岩梁的截面惯性矩，I=bh3/12，m4；b为岩梁宽度，m；h为岩梁厚度，m。

以11煤层采高4m为例，各个关键层采动影响长度如表4所示。

表4 关键层受采动影响长度

根据公式(8)计算可知，24亚关键层、22亚关键层均发生破断，如表5所示。

当关键层最大挠度小于关键层下部最大自由空间时，岩层发生破坏，导水裂隙带继续向上发育。根据表5可知，24亚关键层最大挠度1.83小于其下部最大自由空间高度3.41，22亚关键层最大挠度1.61小于其下部最大自由空间高度2.39，故导水裂隙进一步向上发育。10亚关键层最大挠度大于其下部最大自由空间高度，故导水裂隙未发育至此层。

表5 关键层最大挠度、下部自由空间计算值

2)煤层开采判断导水裂隙带发育高度范围 。关键层破断，上覆部分岩层与之弯曲下沉是同步的，所以判断导水裂隙带发育高度范围的流程：从上至下，依次判断主关键层、亚关键层的破断情况，若主关键层发生破断，则导水裂隙带发育到主关键层之上某一位置，或者直接导通到地表。若主关键层未破断，再依次判断下覆亚关键层，直到确定出下覆破断的亚关键层，以此判断导水裂隙带发育的位置。

3)煤层开采预计导水裂隙带高度。前苏联学者格威尔茨曼通过大量实测得出全部垮落法开采时导水裂隙带顶部岩层极限曲率K与上行导水裂隙带发育高度hs的关系如式(11)，导水裂隙带顶部极限曲率与岩层上部载荷的关系如式(12)。

(11)

(12)

式中：wi为导水裂隙带顶部岩土层下沉值；δ为岩层移动角，(°)；φ为充分采动角，(°)；q为关键层所承受载荷，N/m2；l为岩梁受采动影响长度，m；E为岩梁的弹性模量，Pa；I为岩梁的截面惯性矩，I=bh3/12，m4；b为岩梁宽度，m；h为岩梁厚度，m。

根据计算可知，11煤层开采厚度为4m时，导水裂隙带高度约52.01m，导通了24号、22号砂质泥岩层，未能导通10号细砂岩层，裂采比为13.0。

2.2 导水裂隙带经验公式计算

鲁新煤矿先期开采11煤，11号煤层厚度0.6～32.05m，平均11.32m。设计采用综采分层开采工艺，采高4m。全部垮落法管理顶板。自然状态下煤层顶板抗压强度2.35～15.70MPa，平均8.55MPa，属软弱岩类。

根据文献[12]提供的经验公式，在煤层倾角0°～54°，岩石抗压强度<20MPa，岩石为半固结的泥岩、粉砂岩、砂砾岩等，顶板管理方法为全部垮落的情况下，开采煤层顶板导水裂缝带发育高度选用公式(13)：

(13)

式中：Hli为导水裂隙带(包括冒落带)最大高度，m；M为煤层累计厚度，取4m。

根据上述经验公式，导水裂隙带最大高度计算结果为：Hli=22.99m或Hli=25m。裂采比为5.75～6.25倍。

依据表6，在11煤采高4m条件下，选用顶板软弱岩类预测公式，计算最大导水裂隙带高度为50m，裂采比约12.5倍[13]。

表6 唐山煤科院导水导水裂隙带高度预测公式

2.3 区域实测导水裂隙带高度

鲁新煤矿位于内蒙古锡林郭勒盟，煤系属于白垩系。据对锡林郭勒盟矿井初步调查，目前共有生产矿井12处，属于央企、国有重点及国有地方8处，其中露天煤矿7处，仅多伦煤矿为井工开采。该矿设计生产能力1.2Mt/a，主采白垩系7号煤层，煤层平均厚度15.80m，采用分层综放开采。矿井在首采1703-1面进行了两带发育高度探查，该面走向长739m，倾斜宽130m，采高9.00～9.58m。经施工09-SD1及09-SD2两个探查孔，测得导水裂隙带发育高度为111～112m，计算裂采比为11.60～12.21倍。

通过以上计算看出，文献[12]经验公式所计算的相同采高情况下导水裂缝带发育高度与文献[13]提供的经验公式计算值存在较大差异，而区域内邻近矿井实测的导水裂隙带高度值与文献[13]经验公式计算结果及导水裂隙带理论计算结果较为一致。

本矿与多伦煤矿地质条件类似，按照文献[13]提供的经验公式，计算导水裂隙带高度与实测值较为一致，在矿井尚未取得实测导水裂隙带高度数据的前提下，综合分析认为，取裂采比12.5倍较为符合鲁新煤矿实际。

2.4 11煤顶板导裂带发育层位预测

本次11煤导裂带发育高度根据12.5倍裂采比计算，煤层控制采高为4m，小于4m厚度的煤层，采高按实际煤厚确定，最低采高取2.0m。按12.5倍的裂采比计算，导水裂隙带最大发育高度为50.0m，井田范围11煤导水裂隙带发育标高为+531.86～+788.33m，平均标高684.93m。根据以往勘探数据，结合本次施工钻孔统计了11煤距上覆各充水含水层的间距，预测了11煤回采时导裂带发育层位，绘制了11煤导水裂隙带发育层位分区图(图3)。

图3 11煤开采导水裂隙发育层位示意图Figure 3 Schematic diagram of coal No.11 extractionwater conducted fissure zone development horizon

由图3可见，井田中部11煤开采后导水裂隙带发育层位仅在11煤层顶板之上、9煤底板以下范围(绿色部分)，由中部向南部、北部及西部，导水裂隙带发育依次进入9煤顶板之上至6煤底板以下层位、6煤顶板以上层位及新近系。

3 11煤顶板充水危险性分区评价

11煤采动条件下顶板充水含水层涉及11煤顶板含水层、9煤顶板含水层，6煤顶板含水层及新近系含水层，其中9煤顶板含水层及11煤顶板含水层富水性弱，6煤顶板含水层及新近系含水层富水性中等，变化较大，是决定11煤开采充水危险性的主要因素之一。将11煤采后预计的导水裂隙带发育层位与顶板含水层单位涌水量等值线图相叠加，将全井田顶板含水层充水危险性按相对大小划分为5个区(图4)。

图4 11煤顶板含水层充水危险性分区预测Figure 4 Coal No.11 roof aquifer water filling hazardzonal prediction

1)充水危险性极弱区。位于井田中部，11煤顶板导裂带发育高度位于11煤顶板之上，9煤以下，主要受11煤顶板弱—极弱富水含水层的充水，最大单位涌水量0.088 46 L/(s·m)，最小单位涌水量0.000 935 L/(s·m)，危险性很小。

2)充水危险性弱区。位于井田中部，11煤顶板导裂带发育高度在9煤顶板以上，6煤及其底板以下，主要受11煤顶板及9煤顶板弱-极弱富水含水层的充水，最大单位涌水量0.088 46 L/s·m，最小单位涌水量0.000 82 L/(s·m)，危险性小。

3)充水危险性中等区。位于井田北、西、南较边部，11煤顶板导裂带发育在6煤顶板以上，主要受6煤顶板中等富水含水层的充水，含水层富水性中等，单位涌水量为0.1～0.5 L/(s·m)，危险性较大。

4)充水危险性较强区。位于井田东北及西南边界处，11煤顶板导裂带发育高度进入了新近系含水层，除了受6煤顶板中等富水含水层的充水，主要受新近系含水层的充水，新近系含水层单位涌水量小于0.5 L/(s·m)，富水性中等偏弱，危险性较高。

5)充水危险性强区。位于井田北、西、南11煤露头线附近，11煤顶板导裂带发育进入了新近系含水层，除了受6煤顶板中等富水含水层的充水，主要受新近系含水层的充水，新近系含水层单位涌水量大于0.5 L/(s·m)，富水性中等偏强，充水危险性高。

4 结论

1)鲁新煤矿煤层顶板相变或顶板胶结情况发生变化导致含水层岩性平面上的不均一性；另外由于沉积盆地基底的影响，新近系或第四系与煤系的不整合接触，纵向上煤层回采后导水裂隙带范围内的发育多层含水层，含水层由下至上胶结性逐渐变差、力学强度变弱、富水性变强。

2)裂隙带揭露上部含水层，可能导致突水。由于含水层富水性及力学强度差异，充水危险性不同。

3)通过煤层采后顶板破坏的关键层理论分析、经验公式验证，并结合周围矿区导水裂隙带实测资料综合分析， 11煤采厚4m情况下，导水裂隙带发育高度约为采厚的12.5倍。

4)井田中部位于向斜核部，11煤开采后导水裂隙带发育层位仅在11煤层顶板之上、9煤底板以下范围，由中部向南部、北部及西部盆地边缘，导水裂隙带发育依次进入9煤顶板之上至6煤底板以下层位、6煤顶板以上层位及新近系地层。

5)根据导水裂隙带揭露含水层及富水性的差异，井田内11煤顶板含水层充水危险性共分为五个等级区，分别为充水危险性极弱区，充水危险性较弱区，充水危险性中等区，充水危险性较强区及充水危险性强区