司马煤矿薄基岩导裂带高度主控因素研究

王海波

(山西潞安集团 司马煤业有限公司，山西 长治 047105)



司马煤矿薄基岩导裂带高度主控因素研究

王海波

(山西潞安集团 司马煤业有限公司，山西 长治 047105)

我国薄基岩区分布广泛，司马煤矿一采区属于薄基岩区，3#煤层采动易导致煤层和第四系含水层联通而引发顶板水害，其顶板黏土层是导水裂隙带发育高度的主控因素。因此通过室内压汞实验、土工实验测试顶板黏土的渗透率和塑性指数，利用RFPA数值软件分析顶板导水裂隙带发育高度。研究结果表明：黏土层是顶板水害防治的双重保障，一方面，司马煤矿黏土层在弯曲下沉带存在低渗透率区域，可以有效防止第四系水进入工作面；另一方面，黏土层具有良好的重塑性和再生性，是顶板水害防治的天然屏障。

薄基岩；导水裂隙带；PFPA数值模拟；发育规律；黏土层；渗流特征；塑性

我国薄基岩、厚松散层地质条件的煤层储量非常丰富，例如神东矿区，是典型的薄基岩、厚松散层的煤层，储量达2 236亿t，占全国探明储量的1/3，还有潞安、永城、两淮和济宁等矿区也都存在这种特殊地质条件的煤层[1]. 此外，一些矿区为了充分挖掘矿井生产能力，延长服务年限，提高回采上限，缩小防水防砂煤柱，对原本属于表外储量的煤炭进行开采，使得煤层基岩变薄，地质条件成为薄基岩、厚松散层，例如安徽省的祁东煤矿等[2].

本文以潞安矿区司马煤矿一采区3#煤层薄基岩区顶板水害防治为研究对象，采取室内试验和数值模拟相结合的方法，分析顶板采动导水裂隙带发育高度，找出导水裂隙带高度的主控因素，研究其主控因素的控水作用。

1 矿井地质概况

潞安矿区司马煤矿位于山西省长治县境内，该矿井处于沁水煤田长治一采区的东部边缘地带，地形总趋势是南高北低，北部地势较为平坦，地面标高926.7～993.6 m. 井田面积29.494 km2，可采储量96.56 Mt，煤质为易选的瘦煤、贫瘦煤，是国内外市场紧缺的优质炼焦配煤和优质动力用煤。目前，主采煤层为上组煤3#煤层，矿井设计产量为1.8 Mt/a.

1.1 薄基岩区地质概况

司马井田东北部3#煤层顶板为薄基岩厚表土层地层，薄基岩厚度变化为30～80 m. 部分地区基岩厚度约30 m，最厚处达到40～80 m(如图1a所示)。薄基岩岩性主要由浅灰色-深灰色泥岩、砂质泥岩、灰白色砂岩组成。

图1 第四系和薄基岩等厚线图

司马井田东北部第四系广泛分布，第四系厚度变化不大，埋深基本在150～200 m，第四系厚度变化的总体趋势为一单斜构造，局部有小的隆起和凹陷(如图1b所示)。第四系主要由亚砂土、亚黏土、黏土、砂组成，底部含砾石层。

1.2 薄基岩区水文地质概况

司马煤矿一采区含水层由深到浅主要包括：奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层、石炭系太原组石灰岩岩溶裂隙含水层、二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层、二叠系石盒子组砂岩裂隙含水层、基岩风化带裂隙含水层和第四系冲洪积孔隙含水层。基岩风化带和第四系含水层位于3#煤层顶板，基岩风化带含水层岩性破碎，水位标高为857.85 m，单位涌水量为0.003 6 L/s·m，属于弱富水含水层。第四系含水层孔隙度大，接受补给条件好，单位涌水量为0.02～0.17 L/s·m，属于弱富水-中等富水含水层。

司马煤矿的主要隔水层包括：石炭系中上统底部隔水层组、二叠系砂岩含水层层间隔水层和第四系黏土隔水层。其中，第四系黏土隔水层位于3#煤层顶板，其整体垂向越流能力差，底部沙层含导水性能弱、垂向越流能力更差。

司马煤矿含隔水层示意图见图2. 3#煤层顶板基岩厚度仅为40～80 m，煤层厚度约为7 m，在采动影响下顶板导水裂隙带极有可能穿越顶板基岩而进入第四系。但基岩裂隙含水层为弱富水含水层，如果仅基岩裂隙含水层出水，可能会影响煤层的回采进度，而不会造成大型突水事故。然而，第四系含水层为中等富水含水层，若顶板导水裂隙带穿越黏土层联通第四系含水层，则很有可能导致矿井安全事故。因此，3#煤层的导水裂隙带发育高度和第四系含水层的阻隔水能力是司马煤矿一采区顶板水害防治的研究重点。

图2 含隔水层示意图

2 导水裂隙带发育规律研究

2.1 导水裂隙带经验公式

12个钻孔资料显示：一采区3#煤层顶板覆岩抗压强度44.41 MPa，根据《矿井水文地质规程》[3]规定的标准，近煤层的顶板岩层组合类型为坚硬型(40～80 MPa)，其冒落带厚度为：

其中：

H—导水裂隙带高度，m；

ΣM—煤层总厚度，司马煤矿一采区3#煤层厚度为7 m.

根据式(1)计算得到冒落带高度为28～35 m.

其导水裂隙带经验公式为：

根据式(1)和式(2)分别计算得到一采区3#煤层导水裂隙带发育高度为58.4～76.2 m和89.3 m.

司马煤矿一采区部分3#煤层基岩厚度仅为30～40 m，其顶部主要为黏土层，近煤层的顶板的岩层组合类型为极软弱型，其导水裂隙带高度计算公式为：

计算得到导水裂隙带高度仅为47.3 m. 因此，司马矿薄基岩区导水裂隙带发育高度在47.3～89.4 m. 但是，考虑到薄基岩区基岩厚度变化、岩层组合等条件的差异，不能仅通过经验公式得到合理的结果，因此，必须用数值模拟软件进行具体分析和计算。

2.2 导水裂隙带数值模拟

采用RFPA软件进行司马煤矿一采区3#煤层的导水裂隙带高度分析，根据综采工作面钻孔柱状图以及矿区岩石力学测试资料，整理得出的各煤系地层的力学参数见表1，并建立了与实际情况基本吻合的数值计算模型，见图3. 煤层埋深为233 m，煤层厚7 m，直接顶砂质泥岩为厚7 m的细粒砂岩。数值模型水平方向为400 m，垂直方向为270 m. 数值计算时此模型被划分为1 m×1 m的正方形网格，共400×270=108 000个。模拟煤层从左到右开挖，开挖长度为200 m，每个开挖步距为10 m，共20步。岩层与岩层之间设有强弱不等的层理。模型中岩层亮度越高，说明其弹性模量越大。

表1 数值模拟计算参数表

图3 导水裂隙带发育高度数值模拟力学模型图

RFPA数值模拟顶板导水裂隙带发育高度见图4. 由图4可知：随着3#煤采场的不断向前推进，顶板裂隙带不断向上发育。3#煤采场推进到50 m左右时，发生初次来压；推进到100 m时，顶板裂隙达到65 m；推进到150 m后，顶板裂隙高度最终达到85 m左右；此后，随着采场的推进，顶板裂隙高度变化趋于平缓。这是因为随3#煤层上部岩层跨落岩层的不断堆积，逐渐具有较强承载能力，因此司马煤矿一采区3#煤层的导水裂隙带发育高度为85 m，处于经验公式计算范围内。

图4 导水裂隙高度随工作面推进距离变化曲线图

2.3 薄基岩区划分

方新秋[4]等基于“上三带”理论给出了薄基岩的定义：当基岩厚度小于冒落带高度时，称为超薄基岩；当基岩厚度大于冒落带高度而小于裂隙带高度时，称为薄基岩。司马煤矿的一采区3#煤层基岩厚度钻孔统计数据见表2，大部分区域基岩厚度大于冒落带高度35 m，除补8钻孔外均小于导裂带高度。因此，可将司马煤矿一采区定义为薄基岩区。

表2 一采区3#煤顶板基岩厚度统计表

3 导水裂隙带主控因素研究

综上分析，司马煤矿一采区3#煤层大部分导裂带会进入第四系，黏土隔水层的隔水能力对于安全开采至关重要。因此，对司马煤矿第四系黏土取样并进行室内实验测试，分析黏土层的渗流和塑性特征，及正常综采过程中，导水裂隙带是否会穿越黏土层导通第四系含水层而引发突水事故。

3.1 黏土层物理力学渗流特性分析

为了分析司马煤矿黏土层的渗透率变化规律，在黏土层不同埋深处取样进行压汞实验，试验测得司马煤矿黏土随埋深的变化规律，见图5. 由图5可知；在浅埋深70～80 m处和深埋125～150 m处渗透率较大，最大达到了10-8m2数量级，其隔水性能较弱；在埋深90～125 m处存在低渗透率区域，其隔水性能接近大孔隙岩石的隔水性能，可以看作相对隔水层，而埋深90～125 m区域处于采动导水裂隙带顶部的弯曲下沉带，受采动影响较小，可以有效防止第四系含水层水进入工作面，是煤层顶板的天然防水屏障。

图5 黏土层随埋深的变化规律图

3.2 黏土层的塑性指数分析

为了分析司马煤矿的黏土层塑性特征，从埋深60～155 m分别取样进行室内土工实验，测试黏土的液限和塑限分析其塑性指数：

其中：

Ip—黏土的塑性指数；

wL—黏土的塑限；

wp—黏土的液限。

司马煤矿黏土层的液限、塑限和塑性特征见图6. 由图6可知：司马煤矿的塑性指数Ip>10，而通常Ip>10代表土的颗粒较细，比表面积大，土的黏粒或亲水矿物(如蒙脱石)含量较高，土处在可塑状态的含水量变化范围就较大。即黏土层在外力作用下具有良好的重塑性和再生性，当顶部导水裂隙带进入黏土层后，由于黏土层具有良好的重塑性和再生性，在采动破坏后可以再次形成天然的隔水屏障，可确保司马煤矿一采区3#煤层的安全生产，是司马煤矿导水裂隙带发育高度的主控因素。

图6 塑限、液限和塑性指数随埋深的变化曲线图

4 结 论

通过室内试验、数值模拟等方法对司马煤矿一采区3#煤层开采过程中顶板水害防治进行研究，得到以下主要结论：

1) 司马煤矿一采区3#煤层开采顶板水害防治的关键是分析采动导水裂隙带高度是否能够穿越第四系黏土层而联通第四系含水层。

2) 数值模拟和经验公式计算结果显示，司马煤矿一采区3#煤层的导水裂隙带发育高度为85 m，大于一采区大部分地区的基岩厚度，为薄基岩区。

3) 顶板黏土层为顶板水害防治的主控因素，黏土层具有较低的渗透率，良好的重塑性和再生性是顶板水害防治的双重保障。

[1] 涂 敏，桂和荣，李明好，等.厚松散层及超薄覆岩厚煤层防水煤柱开采试验研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(20)：3494-3497.

[2] 杜 锋，白海波，黄汉富，等.薄基岩综放采场基本顶周期来压力学分析[J].中国矿业大学学报，2013,42(3):362-369.

[3] 宣以琼.薄基岩浅埋煤层覆岩破坏移动演化规律研究[J].岩土力学,2008,29(2):512-516.

[4] 方新秋,黄汉富,金 桃,等.厚表土薄基岩煤层开采覆岩运动规律[J].岩石力学与工程学报,2008,27(S1):2700-2706.

Research on Major Controlling Factors of Water Guiding Fracture Zone Height with Thin Bedrock in Sima Coal Mine

WANG Haibo

Thin bedrock exists in Sima coal mine just as in many other coal field all over the country, mining activities in No.3 coal seam are prone to connect the upper roof water in the Fourth aquifer which may cause Roof water hazard, the clay layer of its roof is the main controlling factor of the height in the water guiding fractured zone. The specification for penetration rate and plasticity of the clay inside roof were tested under the condition of indoor mercury engineering, by which the height of the water guiding fracture zone was analyzed with RFPA numerical software. The results show that the roof clay layer plays the roles of waterproof wall. One point, the roof clay layer in Sima coal mine has the property of low permeability in the bending zone, which can prevent the water in Fourth aquifer effectively from entering the working face. Another point, the roof clay layer has the property of Good remodeling and regeneration, consists of the natural waterproof wall.

Thin bedrock; Water guiding fracture zone; PFPA numerical simulation; Developmental law; Clay layer; Seepage characteristics; Plasticity

2017-03-13

王海波(1973—)，男，山西黎城人，2014年毕业于东北大学，助理工程师，主要从事煤炭生产技术管理工作

(E-mail)466457313@qq.com

TD325

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1672-0652(2017)04-0012-04