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马莲净1,2，赵宝峰3，徐会军4，曹海东3
(1.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054; 2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054; 3.中煤科工集团西安研究院有限公司 陕西 西安 710054; 4.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100011)
摘 要:为了研究在复杂条件下断层-离层耦合溃水的机理及制定相应的防治水措施，在分析了老虎台井田地质、水文地质和开采条件的基础上，结合水害事故，采用数值模拟和相似材料模拟两种方法，对特厚煤层分层综放开采工作面“两带”发育高度、断层和离层空间形成特征进行了定量化研究，工作面回采后的冒采比和裂采比分别为4.98～5.42和7.10～7.30;断层空间形态和大小主要受到断层落差和与工作面距离影响;离层空间主要形成于不同岩性接触面附近。基于工作面顶板断层和离层空间形成、充水和溃水过程分析，揭示了断层-离层耦合溃水机理:上分层工作面回采导致覆岩中产生断层和离层空间，在接受含水层的持续补给后形成断层和离层水体，下分层工作面回采产生的垮落带波及至水体后发生溃水事故，与以往断层水害和离层水害相比，具有以下特点:断层和离层同时作为水害事故的充水水源和导水通道;垮落带是导致水害发生的主要因素;水害的孕育和发生分别在不同的工作面。针对水害特点提出了相应的防治水方案，首先对研究区进行水害威胁程度分区，受水害威胁轻及较轻区域的煤炭资源可以正常回采，受水害威胁较重及重区域的煤炭资源必须采取以下措施方可回采:注浆充填已形成的断层和离层空间，疏放已形成的断层和离层水体，减少工作面回采对覆岩中断层和离层水体的扰动。根据典型工作面的安全回采，初步验证了溃水机理的正确性和防治水方案的可靠性，下一步将根据井上、下工程验证，补充和完善防治水措施。
关键词:特厚煤层;分层综放开采;数值模拟;相似材料模拟;溃水机理
中图分类号:TD745
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)02-0567-09
收稿日期:2018-05-02
修回日期:2018-08-24
责任编辑:韩晋平
基金项目:国家重点研发计划资助项目(2016YFC0501104);中煤科工集团西安研究院面上基金资助项目(2016XAYMS10)
作者简介:马莲净(1986—)，女，河北衡水人，工程师，博士研究生。Tel:029-87852623，E-mail:860909mlj@163.com
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马莲净，赵宝峰，徐会军，等.特厚煤层分层综放开采断层-离层耦合溃水机理[J].煤炭学报,2019,44(2):567-575.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0593
MA Lianjing,ZHAO Baofeng,XU Huijun,et al.Research on water inrush mechanism of fault coupling bed separation with fully-mechanized sublevel caving of ultra-thick coal seam[J].Journal of China Coal Society,2019,44(2):567-575.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0593
MA Lianjing1,2,ZHAO Baofeng3,XU Huijun4,CAO Haidong3
(1.School of Environmental Science and Engineering,Chang’an University,Xi’an 710054,China; 2.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effects in Arid Region(Chang’an University),Ministry of Education,Xi’an 710054,China; 3.Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp,Xi’an 710054,China; 4.China Energy Investment Corporation Limited,Beijing 100011,China)
Abstract:In order to research the water inrush mechanism of fault coupling bed separation under the complex condition and formulate corresponding water disaster control measures.Based on the analysis of geological,hydrogeological and mining condition in Laohutai coal mine,combined with water inrush accident,numerical simulation and similar material simulation were used to research “two zones” development rule of working face,the space formation characteristics of fault and bed separation with fully-mechanized sublevel caving of ultra-thick coal seam.The caving to mining ratio and fracturing to mining ratio are 4.98-5.42 and 7.10-7.30.The spatial form and size of faults are mainly affected by the fault throw and the distance from the working face.The bed separation space is mainly formed near the contact surface of different stratum.Based on the analysis of formation,water filling and water inrush process of fault and bed separation on the roof of working face,water inrush mechanism of fault coupling bed separation were find out:the mining of upper layer working face led to fault and bed separation space,then the space were filled with water from aquifer continuous replenishment,the water inrush was happened when the caving zone connected water body after lower working face mined.Compared with the previous water disaster caused by fault and bed separation,the water inrush of fault coupling bed separation has the following characteristics:the fault and bed separation are water filling source and channel of water disaster at the same time;The caving zone is the main cause of water disaster;The gestation and occurrence of water disaster are in different working face.For water damage characteristics,the corresponding project of water control was put forward.First of all,the research area is partition according to water disaster threat degree.Then,the coal resources not threatened by water disaster can be mining.The coal resources threatened by water disaster can be mining after the following measures:grouting and filling the space of fault and bed separation,drainage the water of fault and bed separation and reducing the disturbance from working face mining to the water of fault and bed separation.According to the safety mining of typical working face,the correctness of water inrush mechanism and the reliability of water disaster control scheme are preliminarily verified.In the next step,the water disaster control measures will be supplemented and improved according to the engineering verification on the ground and underground.
Key words:ultra-thick coal seam;fully-mechanized sublevel caving;numerical simulation;similar material sim-ulation;water inrush mechanism
随着煤矿开采条件的日趋复杂，矿井机械化程度的提高和综放开采等开采方式的普及，煤层开采对围岩的扰动和破坏逐渐增大，由此引发的断层和离层水害事故也呈现出频发的趋势。老虎台矿是一个具有百年开采历史的矿井。2007-03-10，73003工作面发生顶板溃水，造成了重大人员伤亡事故。通过对井田水文地质条件的分析，其致灾因素为断层和离层带水，但是溃水特征又有别于常见的断层和离层溃水。
关于断层活化导水和致灾机理的研究较多，蒋金泉等[1]采用三维数值模拟，分析了工作面向逆断层推进过程中的煤层顶板运动、采动应力演化特征及断层活化规律;乔伟等[2]提出了综放开采下断层活化突水先后经历了孔隙流—裂隙流—管道流;朱斯陶等[3]利用理论分析、数值模拟和微震监测等方法，对特厚煤层开采断层活化规律进行研究;卜万奎等[4]通过建立岩石力学模型，推导了断层位置法向应力和剪应力的计算公式;赵善坤[5]运用声发射监测、采场覆岩位移和应力监测系统，研究了采动影响下断层活化前后的覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应特征;师本强等[6]推导出断层活化的临界倾角、临界开采深度和工作面的临界推进距离;姜耀东等[7]研究了断层接触面上法向应力、剪切应力的时空演化规律及断层上、下盘的运动规律。随着对离层水害认识的逐步深入，其产生位置、溃水机制和防治措施成为了研究的重点，乔伟等[8-9]分析了崔木煤矿多起离层水害事故后，总结了离层水形成的基本条件和位置，并制定了离层水防治方案;孙学阳等[10]采用数值模拟的方法分析了离层形成过程，总结了离层水害的周期性特征;李新凤等[11]对济宁三号煤矿3上煤顶板离层水形成条件及对生产的影响进行了研究;姜国成[12]分析了离层水形成层位，并通过水化学方法确定了工作面溃水水源;方刚等[13]研究了玉华煤矿1418工作面离层水的形成、发展、溃水过程及溃水机理;李小琴[14] 对坚硬覆岩下重复采动离层水形成、涌突机理进行了研究和探讨，并提出了离层水防治的关键技术;韩东亚等[15]通过数值模拟和相似材料模拟认为淮北海孜煤矿的顶板水害为次生离层水包破裂所致，并通过钻探等得到了证实。
以上研究对于断层和离层水害防治起到了重要的推进作用，但断层和离层共同作用下诱发水害事故的相关研究鲜有报道，同时复杂开采条件下多因素耦合溃水致灾机理等方面研究内容较少。为了保障老虎台矿的安全生产，需要通过对73003工作面溃水案例进行深入研究，揭示断层-离层耦合溃水机理，进而提出水害防治对策，避免类似水害事故的再次发生。
(1)井田地层。老虎台井田内钻孔揭露的地层由新至老分别为第三系、第四系、白垩系和太古鞍山群(表1)，矿井主采煤层为 “本层煤”，该煤层的最大厚度为130 m，最薄为8 m，平均厚度59.58 m，最大埋藏深度1 300 m。
(2)井田构造。老虎台井田为轴向近似东西的不对称向斜构造，北翼较陡，南翼较缓。由于受喜马拉雅造山运动的影响，在南北挤压应力的作用下煤田北部产生了F1逆断层(图1(a))，并与煤田走向以10°左右的夹角斜切向斜的北翼，把上盘的煤岩层冲到千米以上，后期被剥蚀。
(3)井田水文地质条件。老虎台井田由上至下分别有第四系冲积层、第三系泥灰岩和凝灰岩、白垩系砂砾岩4个含水层，根据以往抽水试验资料，第四系含水层为强富水，其余3个含水层均为弱～中等富水。井田内主要断层多为泥质碎屑物、方解石所充填，为闭合断层，经抽水试验验证，富水性较弱。
表1 老虎台井田地层
Table 1 Strata of Laohutai coal field
图1 68002,73003工作面及“3·10”溃水位置示意
Fig.1 Position of 68002,73003 working face and “3·10” water inrush site
老虎台矿采用特厚煤层水平分层走向长壁后退式、综合机械化放顶煤采煤法。73003综放工作面位于井田中部，开采厚度为40～60 m，工作面走向长度650 m，由东向西小面对接大面俯斜式开采，东部倾向长度80 m，走向长度300 m，西部倾向长度100 m，走向长度350 m(图1(b))，煤层顶板为油母页岩，底板为凝灰岩。73003工作面上方的68002工作面已于2001年底回采完毕。
73003工作面于2007-03-10回采至190 m(6250剖面附近)处发生顶板溃水事故(图1)，溃水持续约0.5 h，总溃水量3 000 m3，包括绿色页岩、油母页岩、煤炭淤泥及少量砂砾岩在内的冲积物5 000 m3;约30 t的大块绿色页岩从工作面上端头移动距离约260 m;冲毁机巷和煤门胶带3条，上隅角3个支架移动1.2 m。
根据对73003工作面溃水点、井下各水平涌水点和地表水取样化验，采用同位素、水化学特征、饱和指数SI和指纹图等方法综合分析，73003工作面溃水主要来自白垩系砂砾岩含水层。
73003工作面溃水具有以下几个特点:架后溃水、瞬时水量大、衰减速度快、溃水势能大、过水通道大、溃出物成分复杂等。根据对73003工作面溃水特征的分析，初步判断此次溃水的直接水源为一定规模空间内的蓄积水体，根据溃出物成分，导水通道为73003工作面回采产生的垮落带，本质为工作面顶板断层-离层耦合溃水。笔者选取距离水害事故发生最近的6250剖面作为研究对象，采用数值模拟和相似材料模拟实验两种方法定量分析、相互验证，总结了特厚煤层分层综放开采条件下覆岩破坏规律、断层和离层空间形成特征，进而揭示了断层-离层耦合溃水机理。
将发生水害事故附近的6250剖面作为数值模型主断面(图1(a))，模型模拟范围长2 000 m，高760 m，模型内的各岩层做分层处理，如图2所示。利用UDEC软件建立数值模型，采用不规则的三角形划分网格单元，模型块体的本构关系选用莫尔—库仑模型，节理的本构模型采取面接触的库仑滑移模型。
图2 老虎台矿6250剖面数值模拟模型
Fig.2 Numerical simulation model of profile 6250 in Laohutai Coal Mine
根据老虎台矿岩石力学性质实测数据设置模型所需参数(表2)。模型开采时，自上而下进行，先分5步开采图2中的白色区域，然后依次开采68002和73003工作面。
表2 老虎台矿煤、岩层物理力学参数
Table 2 Physical and mechanics parameters of coal and rock in Laohutai coal mine
图3 特厚煤层分层综放开采覆岩破坏
Fig.3 Overburden failure of fully-mechanized sublevel caving of ultra-thick coal seam
当68002工作面回采后(图3(a))，上覆岩层产生拉张破坏，塑性破坏区主要集中分布在上覆油母页岩中，F18和F1断层带之间绿色页岩局部发生破坏。采空区两端应力集中，呈现两端不对称的“马鞍状”状破坏区。73003工作面回采后(图3(b))，覆岩破坏进一步扩大，塑性破坏区高度进入绿色页岩，并且越过F18断层扩大至断层上盘。
利用数值模拟得到的塑形区分布范围和高度，确定垮落带和导水裂缝带的发育高度。68002工作面开采后，垮落带高度约210 m，导水裂缝带高度约299 m，其冒采比和裂采比分别为5.25和7.48;73003工作面开采后，垮落带高度增加至282 m，而导水裂缝带高度则增加至431 m，其冒采比和裂采比分别为4.70和7.18(表3)。
表 3 68002和73003工作面“两带”发育高度
Table 3 Heights of “two zones” of 68002 and 73003 working face
为了分析68002工作面开采对断层的扰动，在F18,F16-1和F1断层上、下盘分别布设监测点，监测68002工作面回采后各断层上、下盘的位移情况。断层上的监测点布置原则是:自煤层顶板向上每间隔100 m设置一组监测点，至断层顶部;当断层延伸范围有限时，适当调整监测点的间距;断层上、下盘的监测点位于同一水平面上，断层带上的监测点布置如图4所示。
图4 断层面监测点布置示意
Fig.4 Monitoring points of fault planes
当68002工作面回采后，F18断层上、下盘下沉值之差最大值为0.85 m，F16-1断层上、下盘下沉值之差最大值为0.04 m，F1断层上、下盘下沉值之差最大值为0.09 m(图5)，并且随着与煤层顶板距离增大，断层上、下盘的间距表现出先增大后减小的特点。
图5 68002工作面回采后断层空间形成特征
Fig.5 Formation characteristic of fault space after 68002 working face mining
68002工作面回采后，F18断层周边形成的离层空间主要位于距离煤层顶板200～250 m，F16-1和F1断层之间的离层空间主要位于250～300 m(图6)，这两个位置恰好是油母页岩和绿色页岩的接触面，由于这两种地层的岩性和物理力学性质存在较大差异，在工作面回采扰动下，容易形成离层空间。F18断层周边地层受68002工作面采动影响较大，形成了覆岩中规模较大的离层空间。
图6 68002工作面回采后离层空间形成特征
Fig.6 Formation characteristic of bed separation space after 68002 working face mining
根据井田地层结构特点，以河沙为骨料，以石膏为胶结物，以滑石粉为填料，用不同配比模拟地层中的软弱、中硬和坚硬岩层。用白云母片模拟各岩层之间的层理面。根据相似比以及模拟煤岩层的物理力学参数，结合相似材料试件测试成果，选择相似材料的配比见表4。相似材料模拟实验所用装置长3.0 m，高1.5 m，宽0.2 m。由于实验设备高度有限，绿色页岩之上的地层采用荷载形式实现。
表 4 相似材料模拟配比
Table 4 Similar material simulation ratio
相似材料模拟实验模拟地层总厚度约为760 m，其中煤层上覆岩最大厚度650 m，根据相似条件，模型的尺寸及开采厚度见表5和图7。
表5 模型尺寸及开采厚度
Table 5 Model size and mining thickness
图7 相似材料模型
Fig.7 Similar material model
图8为测点布置示意，实际模拟时自煤层顶板上方10 cm处开始布设4排观测点，每排各测点顺着岩层倾向，第1排布设在距离煤层顶板10 cm处，第2排布设在第1排上方20 cm处，第3排布置在油母页岩和绿色页岩岩层分界线处，第4排观测点布置在第3排上方20 cm处，在断层处加密测点。
图8 相似材料模拟实验装架
Fig.8 Similar material simulation experiment frame
相似材料模型左边留有10 cm的煤柱，开挖分5大步完成，第1步至第3步模拟68002工作面之前的倾斜煤层开采区域，每步采厚12.5 cm(即50 m);第4步模拟开采68002工作面，开采厚度10 cm(即40 m)，开采长度25 cm(即100 m);第5步模拟开采73003工作面，开采厚度15 cm(即60 m)，开采长度20 cm(即80 m)。
根据相似材料模拟实验成果，68002工作面开采后，垮落带高度约228 m，导水裂缝带高度约289 m，其冒采比和裂采比分别为5.70和7.23;73003工作面开采后，垮落带高度增加至308 m，而导水裂缝带高度则增加至418 m，其冒采比和裂采比分别为5.13和6.97(表6)。
表6 68002和73003工作面“两带”发育高度
Table 6 Heights of “two zones” of 68002 and 73003 working face
68002工作面回采后F18断层顺着断层延伸方向发育有长度224 m，宽度32 cm的裂缝。F1断层顺着延伸方向发育有长度164 m，宽度8 cm的裂缝(图9)。
图9 68002工作面开采后断层及离层空间
Fig.9 Fault and bed separation space after 68002 working face mining
68002工作面回采后覆岩中产生两个离层，1号离层距煤层顶板236 m，长度136 m，2号离层距煤层顶板238 m，长度72 m。1号离层发育位置位于绿色页岩和油母页岩的接触面附近(图9)。
以往老虎台矿针对覆岩破坏规律方面开展的研究工作较多，采用的方法包括数值模拟、微震探测和冲洗液消耗观测法等，具体成果见表7。以往数值模拟研究的是覆岩破坏高度，没有区分垮落带和导水裂缝带;微震探测的83002工作面采高仅有11.6 m，与68002和73003工作面采高差异较大;冲洗液消耗观测法是最直观的探测方法，其结果通常可以代表实际情况。
根据本次数值模拟和相似材料模拟研究成果，冒采比约为4.98～5.42，裂采比约为7.10～7.30，和冲洗液消耗观测法所获取的裂采比接近，说明本次所得到工作面重复采动覆岩破坏规律科学合理，可以作为分析73003工作面水害形成机理的依据。与同忻等矿区特厚煤层顶板坚硬覆岩“两带”发育高度相比，老虎台矿本层煤顶板软弱覆岩的冒采比和裂采比相对较小[16]。
表7 重复采动下工作面 “两带”发育高度探查成果
Table 7 Heights of “two zones” under working face repeat mining
68002工作面回采前，其顶板覆岩和断层受扰动较小(图10(a));68002工作面回采后，F18,F16-1和F1断层由于上、下盘的沉降程度不同形成各自的断层空间。68002工作面覆岩中油母页岩和绿色页岩的岩性差异较大，受到工作面采动的影响，其接触面产生了规模较大的离层空间。横-纵交错的断层和离层空间形成过程彼此独立，成为了良好的导水通道和储水空间(图10(b))。
图10 工作面顶板断层-离层形成、充水及溃水过程示意
Fig.10 Formation,water filling and water inrush process of fault-bed separation on working face roof
F1断层上盘的白垩系砂砾岩含水层对F1断层空间进行持续水量补给，导致F1断层活化为含(导)水断层，由于离层空间已经将3条断层空间沟通，F1断层中的水体沿着离层空间进入F18和F16-1断层空间，并对覆岩中的离层进行充水(图10(c))。白垩系砂砾岩含水层富水性较弱，断层和离层空间的充水也是一个缓慢的过程。综上所述，68002工作面回采时，并未发生水害，而是为下部的73003工作面创造了溃水的条件。
73003工作面回采前，其覆岩中的离层空间以及F18,F16-1和F1断层空间已经蓄积了一定规模的水体(图10(c))，由于73003工作面采放高度最大达到了60 m左右，并在局部可能更高，其形成的垮落带沟通至断层或离层水体，这些水体便以近似管道流的形式迅速溃入工作面(图10(d))，并且73003工作面埋深较大，断层和离层水体位置较高、距离工作面较远，因此，具有高承压和高势能等特点，从而具备将大块绿色页岩携带至工作面的条件。
结合工作面顶板断层-离层空间形成、充水和溃水过程分析，其溃水机理为:特厚煤层分层开采过程中，受到上分层综放工作面开采的扰动，覆岩中岩性不同的岩层之间出现离层，同时含(导)水性较差的断层由于上、下盘沉降程度不同出现断层空间，从而“活化”导水，断层-离层空间在接受含水层的补给后，形成断层和离层水体，当下分层综放工作面开采形成的垮落带沟通至断层和离层水体后，发生溃水。
通过对老虎台矿73003工作面断层-离层耦合溃水机理的分析，并结合矿井地质和水文地质条件分析，其溃水水源、通道和特征与常规断层水害和离层水害相比有以下3个特点:
(1)断层、离层作为水源和通道的复合特性。受到特厚煤层分层综放开采的扰动，断层和工作面覆岩中产生空间，断层空间接受白垩系含水层的补给，成为充水水源，同时作为导水通道向离层空间进行水量补给;而离层在接受断层水补给后成为充水水源，同时又向周边断层空间进行水量补给，成为导水通道。
(2)垮落带在工作面溃水中的特殊属性。以往顶板水害防治关注的导水通道为垮落带和导水裂缝带，而对于油母页岩和绿色页岩等软弱覆岩，遇水容易崩解泥化，形成的导水裂缝带高度较坚硬覆岩有所减小，并且在高地应力和遇水的条件下易闭合，故73003工作面溃水的通道为垮落带，从溃出物中存在大块绿色页岩可以得到验证。
(3)溃水的滞后性。断层-离层溃水具有显著的滞后性，主要表现在上分层工作面开采并不会发生水害，但是形成的断层和离层水体为下分层工作面回采埋下了水害隐患，当下分层工作面回采波及至断层和离层水体时，即发生溃水事故。
在查明了断层-离层耦合溃水机理后，可以采取有针对性的防治水方案，杜绝水害事故的发生。
根据断层-离层溃水机理，将研究区煤层按受水害威胁程度进行分区:Ⅰ区受水害威胁程度轻:覆岩未产生或产生小规模断层和离层空间;Ⅱ区受水害威胁程度较轻:覆岩中产生较大规模断层和离层空间，但未充水;Ⅲ区受水害威胁程度较重:覆岩中形成小规模断层和离层水体，且下分层工作面的垮落带能够波及至水体;Ⅳ区受水害威胁程度重:覆岩中形成大规模断层和离层水体，且位于下分层工作面的垮落带范围内。通过对典型剖面Ⅰ区和Ⅱ区煤层的安全回采，初步证明了分区的可靠性(图11)。
图11 水害威胁程度分区及验证(7200剖面)
Fig.11 Partition of threat level of water disaster and verification(7200 profile)
对于Ⅲ区和Ⅳ区内的工作面在回采前，必须开展断层-离层水害防治工作，包括以下3个方面:
(1)上分层工作面回采完毕后，对刚形成且尚未充水的断层和离层空间进行注浆充填，避免断层和离层水体形成;
(2)从地面或井下施工断层和离层水体探放钻孔，在下分层工作面回采前，对发育规模较大的断层和离层水体进行疏放;
(3)减少工作面放顶高度或采用充填开采等方法开采下分层工作面，以减少对覆岩的再次破坏，避免沟通至已形成的断层和离层水体。
(1)模拟特厚煤层分层综放开采软弱覆岩条件下冒采比约为4.98～5.42，裂采比约为7.10～7.30，相对于坚硬覆岩条件下“两带”发育高度较低。
(2)断层在综放工作面采动影响下，由于上、下盘沉降幅度的差异，形成了断层空间，距离回采工作面较近、落差较大的断层形成的空间较大。
(3)在上分层工作面回采扰动下，不同岩性软、硬岩层间易形成离层空间，其中能够接受水源补给且位于下分层工作面垮落带范围内的为致灾离层，是离层水害防治的重点对象。
(4)断层-离层耦合溃水主要是由于特厚煤层上分层工作面回采导致断层和离层空间的形成，接受断层上盘含水层补给后形成断层和离层水体，当下分层工作面回采时产生的垮落带沟通至水体后形成水害事故。
(5)对于断层-离层耦合溃水，可以采取将断层和离层水体进行超前疏放，减少放顶高度或采用充填法开采等技术来减少对覆岩的扰动。
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