贺亮亮，杨 磊，郭 云，王 飞，李贵娟

(1.陕西省一八六煤田地质有限公司，陕西 西安 710065；2.长安大学，陕西 西安 710061)

0 引言

煤层开采后，上覆地层受重力作用逐渐向下移动，自下而上形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，通常将冒落带和裂隙带合称为导水裂隙带[1-3]。黄陇煤田永陇矿区各矿煤层普遍较厚，多采用综放采煤工艺，全部垮落法管理顶板，对上覆地层结构破坏较大。当导水裂隙带发育进入上覆地层不同位置会引起不同的含水体水涌入矿井，对矿井安全生产威胁较大。因而对本区煤矿防治水工作来说具有现实研究意义的为导水裂隙带发育高度，其限制了工作面煤层采厚，对煤层回采率影响较大，是各矿所关心的关键水文地质参数。

通常导水裂隙带发育高度因煤层采厚、工作面采宽、煤层顶板管理方式和上覆地层岩性的不同而差异较大，针对导水裂隙带发育高度问题，国内学者已经开展了大量的研究工作，取得了一些具有影响力的研究成果[4-8]。但这些成果对永陇矿区麟北区覆岩条件下的矿井防治水工作指导性不强。为此，通过对永陇矿区郭家河煤矿1302工作面导水裂隙带发育高度的实际探查，结合离散元数值模拟软件对导水裂隙带发育演化过程的模拟以及野外施工中发现的相关细节，综合分析确定本区导水裂隙带发育高度，以期为国内相似条件下的煤矿水害防治工作提供参考。

1 研究区概况

郭家河煤矿位于陕西黄陇侏罗纪煤田永陇矿区麟游区北部，地层由老到新有三叠系中统铜川组(T2t)、侏罗系下统富县组(J1f)、侏罗系中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，白垩系下统宜君组(K1y)、洛河组(K1l)，新近系及第四系。主要含水层为白垩系洛河-宜君组砂砾岩孔隙-裂隙含水层和侏罗系直罗-延安组砂岩裂隙含水层。

本区延安组为含煤地层，含有可采煤层。郭家河煤矿主采3号煤层，1302工作面平均煤厚9.0 m，采用走向长壁综放采煤工艺，全部垮落法管理顶板。在近年来的生产过程中，矿井局部突水现象严重，涌水量较大，特别是在采动影响下，煤层顶板上覆地层中的离层积水体和洛河组含水层水易通过导水裂隙带涌突入回采工作面，对矿井安全生产威胁较大。

2 煤层顶板上覆地层特征

2.1 侏罗系地层岩性特征

本次将郭家河煤矿1302工作面3号煤顶板与白垩系底界之间地层按含(隔)水性能划分为泥岩类地层和砂岩类地层2类。其中泥岩类地层包括泥岩、砂质泥岩和粉砂岩，可视作相对隔水层；砂岩类地层包括细砂岩、中砂岩、粗砂岩和砾岩，可视为含水层。各地层岩性厚度占比详见表1。

表1 煤层上覆地层岩性分类统计

由表1可知，安定组地层中泥岩类地层厚度116.76 m，占比70.28%，可将其视为稳定隔水层。直罗组地层中砂岩类地层厚度22.72 m，占比57.19%，可将其视为弱含水层。延安组地层中泥岩类地层厚度7.69 m，占比71.54%，可将其视为相对隔水层。综合来看，1302工作面3号煤顶板至白垩系底界之间平均厚度216.61 m，为砂、泥岩互层状结构，泥岩类地层厚度占比65.31%，砂岩类地层厚度占比34.69%。

2.2 白垩系地层岩性特征

本区白垩系洛河组含水层为矿井主要充水含水层，平均厚度141.94 m，以中砂岩、砾岩为主，中砂岩厚度平均75.23 m，占53%；粗砂岩厚度平均49.68 m，占35%，各类岩性详细占比如图1所示。从垂向来看，洛河组含水层下段泥岩、泥质粉砂岩厚度和层数明显大于上段，虽未构成稳定隔水层，但也能够说明上段富水性强于下段。

图1 洛河组含水层岩性组合特征示意Fig.1 Lithologic combination characteristics of Luohe formation aquifer

2.3 地质与水文地质条件的表现

综上，永陇矿区郭家河煤矿1302工作面地质与水文地质条件主要表现为：①主采延安组煤层巨厚，平均煤厚9.0 m；②主要含水层为白垩系洛河组砂岩含水层，富水性中等但厚度较大，一般141.94 m，静态储水量大；③安定组地层厚度166.13 m，其中泥岩类地层厚度116.76 m，占比70.28%，可视为本区稳定的隔水层。正是这种特殊的地质与水文地质特征，决定了在本区综放开采条件下，导水裂隙带发育高度一般较大，局部已发育进入白垩系含水层，具有不同于其他地区的特殊规律。

3 导水裂隙带发育高度探查

3.1 探查方法

本区导水裂隙带发育高度探查常用冲洗液漏失量观测法和孔内电视窥视法。冲洗液漏失量观测法是通过对钻机施工中冲洗液消耗量的观测，间接判断导水裂隙发育的最高位置；孔内电视窥视法是通过钻孔窥视系统，将带有摄像头的探头放入孔内对孔壁情况进行直观查看分析，用以确定地层岩性、岩石结构和钻孔内裂隙发育等情况[9-13]。

3.2 实际探查中发现的问题

3.2.1 冲洗液漏失量观测法

由于冲洗液漏失量观测法是一种间接判断导水裂隙带发育位置的方法，在观测结果分析时需首先排除对结果有影响的细节，才能得到真实导水裂隙带高度数据。在野外钻机施工过程中，冲洗液本身会在孔壁上形成薄而致密的泥皮，能够防止孔壁坍塌、涌水和浆液漏失，但会对导水裂隙带发育高度的间接判断造成影响。因此，在对漏失量的统计中需剔除这部分影响，结合钻机钻进中的异常现象，综合判断导水裂隙带高度的顶点。此外，钻机钻进过程中有正常的冲洗液消耗量，在漏失量统计过程中也需将这部分数据除去。钻机钻进时冲洗液循环还存在一种“假中断”现象，会对导水裂隙带发育高度的判断产生误导。结合采后覆岩破坏理论，在导水裂隙带发育高度之上一定距离发育有离层，当钻进至此处时冲洗液会大量进入离层空间，造成冲洗液循环中断。易被误认为此处是导水裂隙带发育高度的最高点，这在之后的漏失量总体分析过程中需注意甄别。

3.2.2 孔内电视窥视法

受观测条件限制，窥视在钻孔内无水或清水时效果较好，能够通过摄像头清晰看到孔内状况。但在实际观测时，常因孔内地下水流出阻挡摄像头使得观测效果变差，或是因为钻孔变形导致摄像头无法下入孔底。因此，孔内电视窥视法通常要配合其它观测方法使用。在识别导水裂隙带发育顶点的问题上，由于本区安定组地层中上部、宜君组地层内部、洛河组含水层下部易形成“空腔型”离层，而“空腔型”离层上下位岩层沉降距离相对较大，易造成离层上位岩层内也发育部分裂隙。但此裂隙并不通过“空腔型”离层之下的导水裂隙带与采空区连通，因而不能将此裂隙看作导水裂隙带发育的最高点，在观测结果分析时还应注意区分。

3.3 实际探查结果分析

3.3.1 冲洗液漏失量观测法

在1302工作面采后“两带”观测孔的施工过程中对钻孔冲洗液消耗量进行了观测，发现洛河组地层内211.79～216.78 m，299.8～300.56 m，341.86～343.28 m，353.34～357.3 m处冲洗液全部漏失，宜君组地层内361.85～365.77 m，372.77～373.79 m处冲洗液全部漏失，进行简易堵漏后尚能继续钻进。自396.17 m向下，冲洗液全部漏失且无法进行堵漏，只能采取顶漏钻进施工至目的层位。

3.3.2 孔内电视窥视法

“两带”观测孔施工至目的层位后，随即便进行了孔内电视窥视，清晰地观测了孔内情况。在孔深358 m、362 m、366 m和376 m处发现了较明显的横向裂隙，未见明显竖向裂隙，386 m开始至387 m有明显垮落现象。

3.3.3 对比分析

综合上述2种实际探查结果，结合1302工作面“两带”观测孔岩芯编录资料，洛河组地层底部在356.8 m处，宜君组地层底部在386.32 m处。分析认为洛河组、宜君组地层内6处冲洗液全部漏失的位置为离层空间，由于孔内电视窥视只观测到了横向裂隙，未见竖向裂隙，可认为这些位置处在弯曲沉降带内，是由地层的不均匀沉降引起，且导水裂隙带最大高度未发育至此位置，应在该段地层以下。386～387 m处岩性为泥岩，此处的垮落是由泥岩泥化引起。396.17 m以下冲洗液全部漏失且无法堵漏，可认为此位置为导水裂隙带发育的最大高度。“两带”观测孔煤层底板距孔口615 m，可知郭家河煤矿1302工作面导水裂隙带发育最大高度为209.83 m，已经进入安定组地层上部，约为采厚的23.31倍。

4 数值模拟及验证

4.1 导水裂隙带发育高度数值模拟

4.1.1 覆岩地层概化厚度

在1302工作面“两带”钻孔施工过程中对不同岩性岩样分别采取了物理力学试验样，并及时对样品进行了物理力学性质测试。由于煤层顶板上覆地层整体为砂泥岩互层组合结构，故采用数理统计方法将测试结果按岩性进行了统计分析，采用统计值作为离散元软件模拟的基础值，基本能够反映地层分层分段力学特性，覆岩地层概化厚度见表2。

表2 覆岩地层概化厚度统计

4.1.2 模拟结果及分析

采用离散元软件对1302工作面煤层开挖期间的导水裂隙带发育演化过程进行了模拟，主要模拟结果如图2所示。由图2可知，在工作面回采至距切眼120 m左右时，宜君组地层、安定组地层上部开始发育离层，导水裂隙带已经发育至安定组地层下部；在工作面回采至140～160 m左右时宜君组和安定组地层内的离层空间规模逐渐扩大，此时安定组地层下部的导水裂隙继续向上延伸但并未进入上部离层空间；在工作面回采至180 m左右时，已有少量导水裂隙导通安定组上部离层，存在离层积水下泄进入回采工作面的风险，但这部分导水裂隙的发育规模和张开程度均较小，在工作面继续推进引起的周期来压及泥岩遇水软化的作用下又能够快速闭合。若将安定组地层上部离层空间内的裂隙视作导水裂隙带发育的最高点，则导水裂隙带发育高度为217.35 m，约为采厚的24.15倍；若将安定组地层上部离层空间的底部视作导水裂隙带发育的最高点，则导水裂隙带发育高度为178.2 m，约为采厚的19.8倍。

图2 导水裂隙带发育演化过程模拟结果Fig.2 Development and evolution of water conducting fracture zone

4.2 实测结果与模拟结果对比研究

从导水裂隙带发育数值模拟过程可以看出，覆岩采后导水裂隙会从煤层顶板开始逐渐向上发育，但在安定组地层上部离层形成的过程中，离层内部及上部地层也会先发育部分裂隙。初始情况下这2部分导水裂隙并未连通，但当煤层采厚较大且采空区范围扩大到一定程度，或是离层空间积水量增加到下位岩层不足以支撑其自重而“压断”下位岩层时，安定组地层下部裂隙会发育进入上部离层空间并与上部裂隙相连，使得导水裂隙贯通为一个整体。在安定组上部离层积水未参与工作面涌突水的情况下可以认为，野外实测得到的导水裂隙带发育最高点实际为安定组或是宜君组离层上部的裂隙最高点，而实际导水裂隙带发育的最高点仍在离层空间以下一定距离。由于1302工作面回采过程中的涌水量基本为生产用水量，并未发生大规模涌突水，因此可以确定导水裂隙带发育高度在安定组中上部离层空间以下。

综合导水裂隙带高度实测与模拟结果，认为应将本区导水裂隙带发育最高点定为安定组地层上部的离层空间底，即导水裂隙带发育高度178.2 m，约为采厚的19.8倍。

5 结论

(1)洛河组含水层为郭家河矿区矿井主要含水层，其下段泥岩、泥质粉砂岩的厚度和层数均大于上段，具有明显的垂向非均质特征，有必要进一步开展洛河组精细化探查研究，以确定含水层的垂向富水性。

(2)本区常用导水裂隙带高度探查方法具有较大的局限性，在实际探查过程中需结合钻机施工中的异常情况仔细分析，以得到真实的导水裂隙带发育高度。

(3)发现了安定组上部离层空间以上也易发育导水裂隙，但此部分裂隙通常只与离层空间相通而并不与采空区连通，这在本区导水裂隙带高度确定时需引起注意。