黃河流域陜北煤炭開采區(qū)厚砂巖對(duì)覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育的影響及采煤保水建議

王雙明，魏江波，宋世杰，王生全，孫 濤

(1.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開采地質(zhì)研究院，陜西 西安 710054)

受我國“缺油、少氣、相對(duì)富煤”能源資源稟賦的制約，煤炭資源在能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的主體地位短期內(nèi)難以發(fā)生改變，其作為我國基礎(chǔ)能源，是我國能源安全的戰(zhàn)略保障[1]。黃河流域是我國重要的生態(tài)屏障密集區(qū)，也是主要的能源富集區(qū)[2]。特別是黃河流域中游，分布著陜北、黃隴、神東、寧東、晉北和晉中6 個(gè)國家級(jí)大型煤炭基地，是我國目前主要的煤炭資源生產(chǎn)區(qū)和輸出地[3]。其中，陜北煤礦區(qū)因其煤炭儲(chǔ)量豐富、煤質(zhì)優(yōu)良、地質(zhì)構(gòu)造簡單和開采條件優(yōu)越而備受關(guān)注，在黃河中游煤炭生產(chǎn)區(qū)占有重要地位[4]。陜北煤炭開采區(qū)干旱缺水、生態(tài)環(huán)境脆弱、水土流失嚴(yán)重、抗擾動(dòng)能力差[5]，區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵是水資源保護(hù)，尤其是保護(hù)淺層地下水。然而，大規(guī)模的煤炭開發(fā)造成地面塌陷、地裂縫、地下水位下降和地表水干涸，進(jìn)一步加劇了水資源短缺[6]。因此，如何解決煤炭開采過程中水資源保護(hù)問題已成為陜北煤礦區(qū)乃至黃河中游生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的研究熱點(diǎn)。

煤炭資源開采所導(dǎo)致的覆巖采動(dòng)裂隙是破壞地下關(guān)鍵含水層和影響地表生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵因素[7]。覆巖采動(dòng)裂隙的發(fā)育規(guī)律及影響因素研究逐漸成為煤炭開采領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容，尤其導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度(簡稱導(dǎo)高)的預(yù)測(cè)，一直受國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。此前，國內(nèi)普遍采用《建筑、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(簡稱“三下”規(guī)程)中基于采高和覆巖強(qiáng)度兩參量的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)煤層采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，但大量開采實(shí)踐證明，它已不適用于黃河中游現(xiàn)代化煤炭基地超寬大采高礦區(qū)[8]。為此，許多學(xué)者逐漸從不同角度采用不同方法進(jìn)行覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律研究[9-11]。婁高中等[12]統(tǒng)計(jì)分析了采高、采深、工作面傾向長度、煤層傾角等因素對(duì)覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育高度的影響；趙兵朝等[13]研究提出覆巖采動(dòng)裂隙的發(fā)育規(guī)律不僅與覆巖巖性有關(guān)，也與開采參數(shù)存在較大的關(guān)系；許家林等[14-15]基于關(guān)鍵層理論分析了不同關(guān)鍵層位置對(duì)覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育高度的影響，并確定了關(guān)鍵層破斷裂隙貫通的臨界高度與采高的關(guān)系；曹祖寶等[16]采用數(shù)值模擬方法分析了不同概化覆巖組合結(jié)構(gòu)對(duì)覆巖采動(dòng)裂隙的影響；鞠金峰等[17]認(rèn)為淺埋煤層相比較深埋煤層，采動(dòng)裂隙發(fā)育高度的波動(dòng)程度更為明顯，且單純地采用“采高倍數(shù)”進(jìn)行導(dǎo)高預(yù)計(jì)是不合適的；王曉振等[18]認(rèn)為覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育高度同時(shí)受關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)和采高的影響，且在關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的控制作用下，采動(dòng)裂隙發(fā)育高度隨采高呈臺(tái)階式突變特征；李江華等[19]采用鉆孔實(shí)測(cè)方法對(duì)比分析了不同覆巖強(qiáng)度類型對(duì)采動(dòng)裂隙發(fā)育特征和規(guī)律的影響。

由此可見，相較于覆巖沉積關(guān)鍵特征的地質(zhì)因素，前人對(duì)于覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律的相關(guān)研究主要集中于工作面尺寸、采高和開采速度等采礦因素，而對(duì)地質(zhì)因素方面的研究較少[20-22]。然而，陜北煤炭開采區(qū)主采煤層上覆巖層結(jié)構(gòu)具有鮮明的特征，在沉積有序的巖層結(jié)構(gòu)中普遍存在厚砂巖。因此，筆者在分析研究區(qū)主采煤層上覆巖層基本地質(zhì)條件特征和厚砂巖發(fā)育特征及分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，以陜西榆神礦區(qū)曹家灘煤礦典型覆巖關(guān)鍵沉積特征為地質(zhì)原型，采用FLAC3D數(shù)值方法模擬分析厚砂巖厚度和位置分別對(duì)覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律的影響，以期為陜北煤礦區(qū)采動(dòng)減損和生態(tài)保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件特征及規(guī)律

根據(jù)《生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開發(fā)與生態(tài)水位保護(hù)》[23]研究可知，可控保水區(qū)作為陜北生態(tài)脆弱區(qū)保水采煤的典型代表(圖1)，保水開采關(guān)鍵科學(xué)問題突出，可較好地反映陜北生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開采賦存地質(zhì)環(huán)境狀況。因此，本文以可控保水開采區(qū)為區(qū)域研究對(duì)象，詳細(xì)闡述該區(qū)域主采煤層賦存地質(zhì)條件特征及空間展布規(guī)律。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部，覆蓋榆神和神府兩大礦區(qū)，由北部黃土丘陵和南部風(fēng)積沙地貌組成。區(qū)內(nèi)年降水量小于500 mm，屬于典型的荒漠-半荒漠生態(tài)系統(tǒng)。

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 Scope of study area

研究區(qū)地層由老至新依次為：侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)和安定組(J2a)、新近系保德組(N2b)、第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)、馬蘭組(Q3m)和地表風(fēng)積沙()[23]。區(qū)內(nèi)主要含煤地層為侏羅系延安組，含可采煤層3～7 層。目前區(qū)內(nèi)主采煤層為2-2煤層，埋深60～360 m，自東北向西南逐漸增大(圖2a)，厚度3.0～10.0 m，平均6.5 m，南北兩端厚度較大(圖2b)[24]；2-2煤層上覆基巖以粉砂巖和細(xì)砂巖為主，局部夾有中砂巖、粗砂巖和泥巖，基巖總厚度50～320 m，平均220 m，自西向東逐漸減小，松散層厚度50～150 m，平均80 m，巖土比基本處于1～5，自東向西逐漸增大(圖2c)；2-2煤層上覆基巖中砂巖層數(shù)5～25 層，自東向西逐漸增多(圖2d)，各砂巖層薄厚不一，平均12 m[23]。區(qū)內(nèi)關(guān)鍵含水層為上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組砂層孔隙潛水含水層，一般水位埋深小于3 m，其底部為富水性差的離石組黃土層和保德組紅土層，總厚度20～180 m，平均厚度100 m，是區(qū)內(nèi)主要的相對(duì)隔水層[25]。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)條件分布規(guī)律Fig.2 Distribution law of geological conditions in the study area

通過大量鉆孔數(shù)據(jù)顯示(表1)，研究區(qū)主采煤層上覆基巖中普遍存在一層特征典型的巖層，其厚度明顯大于其他巖層，巖性主要為砂巖(鉆孔數(shù)量占比52%)和粉砂巖(鉆孔數(shù)量占比48%)；厚度10～40 m，平均25 m，距離煤層平均76 m，主要屬于侏羅系直羅組地層，部分屬延安組地層；其中，厚度大于或等于30 m 的厚砂巖主要分布于西南部的曹家灘、金雞灘、榆樹灣和小保當(dāng)煤礦一帶，其距煤層距離主要為10～110 m，平均80 m。為此，結(jié)合厚砂巖在覆巖損傷過程中的關(guān)鍵特性，本文重點(diǎn)研究厚度大于等于30 m 厚砂巖的厚度和位置對(duì)覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律的影響。

表1 厚砂巖發(fā)育特征Table 1 Development characteristics of the thick sandstones

2 模型構(gòu)建與試驗(yàn)過程

2.1 研究對(duì)象選擇

根據(jù)研究區(qū)鉆孔揭露的地層巖性特征及地質(zhì)條件分布規(guī)律，榆神礦區(qū)曹家灘煤礦主采煤層(2-2煤)埋深適宜，約350 m，地層結(jié)構(gòu)完整，煤層上覆巖土層結(jié)構(gòu)為研究區(qū)廣泛分布的“沙層-土層-風(fēng)化層-基巖層”基本結(jié)構(gòu)類型，具有代表性，占全區(qū)面積的65%[24]。同時(shí)，2-2煤層上覆基巖厚度50～320 m，平均220 m，其中存在厚度大于30 m 的厚砂巖，且基巖上部依次覆蓋平均厚度約90 m 的紅土層、20 m 的黃土層及20 m 的沙層，各地層巖性特征如圖3 所示。因此，本文選擇曹家灘煤礦為研究對(duì)象，采用有限差分法模擬分析厚砂巖厚度和距煤層間距分別對(duì)覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育特征及規(guī)律的影響。

圖3 曹家灘井田地層柱狀圖Fig.3 Stratigraphic histogram of Caojiatan Coal Mine

2.2 模型構(gòu)建

以曹家灘煤礦2-2煤層賦存條件為地質(zhì)原型，在滿足研究主要目的的基礎(chǔ)上，按照“抓住關(guān)鍵、保留特色、合理簡化和逼近原型”的原則[26]，將數(shù)值模型中覆巖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為“沙層-黃土層-紅土層-基巖層”。模型幾何尺寸設(shè)置為：長800 m，寬700 m，高376 m；2-2煤層厚6 m，埋深350 m；根據(jù)巖土比1.7，分別設(shè)置上覆基巖厚220 m、松散層厚130 m，其中，厚砂巖30 m，紅土層90 m，黃土層和沙層各20 m。

為方便建模和計(jì)算，建模過程中，將超薄巖層與相鄰特性一致的巖層進(jìn)行合并簡化，在既定埋深水平的數(shù)值模型基礎(chǔ)上，以厚砂巖厚度和距煤層間距為變量，構(gòu)建不同厚砂巖特征的數(shù)值模型。各模型左右兩側(cè)邊界沿x方向約束，前后兩側(cè)邊界沿y方向約束，底部設(shè)置為全約束邊界，頂部設(shè)置為自由邊界(圖4)。在設(shè)定模型邊界后，賦值表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)，其中厚砂巖設(shè)置為占比較多的中砂巖特征參數(shù)，之后設(shè)置重力加速度，運(yùn)行至初始平衡狀態(tài)，完成初始模型構(gòu)建。

圖4 曹家灘煤礦數(shù)值模型Fig.4 Numerical model of Caojiatan Coal Mine

表2 數(shù)值模型中巖土層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of rock and soil layers in the numerical model

2.3 試驗(yàn)方案與過程

為研究厚砂巖位置(距煤層間距L)和厚度(H)分別對(duì)覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育的影響，在以曹家灘煤礦2-2煤層賦存地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合覆巖結(jié)構(gòu)特征，分別構(gòu)建厚砂巖不同厚度和距煤層間距的多組數(shù)值模型。為保證煤層所受覆巖荷載及巖層整體結(jié)構(gòu)不變，各模擬結(jié)果具有可比性，僅改變厚砂巖的厚度和位置，且厚砂巖位置最大可能地處于相鄰巖層之間，因此設(shè)定計(jì)算方案見表3。

表3 不同特征的厚砂巖模型方案Table 3 Model scheme for the thick sandstones with different characteristics

在初始平衡模型基礎(chǔ)上進(jìn)行煤層開挖模擬，工作面沿x方向自左向右逐步推進(jìn)，切眼側(cè)及傾向兩側(cè)各預(yù)留寬200 m 煤柱，每步開挖煤層20 m，達(dá)充分采動(dòng)狀態(tài)停止開采。在工作面推進(jìn)過程中，獲取覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育高度，對(duì)比并判斷覆巖采動(dòng)裂隙是否貫穿厚砂巖，分析厚砂巖厚度和距煤層間距對(duì)采動(dòng)裂隙發(fā)育特征和規(guī)律的影響。

3 結(jié)果分析

本次通過工作面走向中間剖面塑性區(qū)分布情況分析覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育特征。以和實(shí)際地質(zhì)條件基本一致的M3 模型為例，充分采動(dòng)時(shí)，覆巖采動(dòng)裂隙觸及厚砂巖并發(fā)育至其內(nèi)部，形態(tài)呈“馬鞍形”特征，采空區(qū)兩端呈剪切破壞，中部呈拉張破壞，采動(dòng)裂隙最大發(fā)育高度約125 m，裂采比為20.8，該結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果非常相近(表4)，驗(yàn)證了模型的可靠性。

表4 實(shí)測(cè)覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育高度Table 4 Measured development height of mining fissures in overburden

3.1 覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育過程

通過覆巖塑性區(qū)發(fā)育情況分析覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育特征和規(guī)律(圖5)。在厚砂巖厚度H=30 m，距煤層L=30 m 條件下，當(dāng)工作面推進(jìn)至80 m 時(shí)，切眼側(cè)正上方覆巖采動(dòng)裂隙優(yōu)先向上發(fā)育并觸及厚砂巖；隨著工作面的推進(jìn)，受厚砂巖的短期阻擋作用，覆巖采動(dòng)裂隙沿厚砂巖底部以橫向擴(kuò)展發(fā)育為主，表現(xiàn)為“矩形”發(fā)育形態(tài)；當(dāng)工作面推進(jìn)至140 m 時(shí)，距切眼內(nèi)側(cè)20 m正上方采動(dòng)裂隙逐漸向上發(fā)育至厚砂巖內(nèi)部，直至工作面推進(jìn)至200 m 時(shí)，切眼側(cè)正上方采動(dòng)裂隙向上發(fā)育并貫穿厚砂巖，工作面?zhèn)壬戏讲蓜?dòng)裂隙發(fā)育至厚砂巖內(nèi)部，而工作面中部采動(dòng)裂隙仍未發(fā)育至厚砂巖內(nèi)部，覆巖采動(dòng)裂隙整體表現(xiàn)為切眼側(cè)發(fā)育高于其他位置的“L 形”發(fā)育特征，此時(shí)，地表亦產(chǎn)生采動(dòng)地裂縫。之后，工作面推進(jìn)過程中，采動(dòng)裂隙橫向擴(kuò)展的同時(shí)，垂向不斷向上發(fā)育，并逐漸發(fā)育為“馬鞍形”特征，且馬鞍形態(tài)亦逐漸增大。最終，工作面推進(jìn)至420 m 時(shí)，達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)，覆巖采動(dòng)裂隙形態(tài)仍為“馬鞍形”，最大發(fā)育高度為150 m，采空區(qū)兩端外側(cè)15°地表和采空區(qū)中部地表均發(fā)育大量地裂縫(圖5a)。因此，全采動(dòng)過程中，覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育形態(tài)表現(xiàn)為“矩形-L形-馬鞍形”動(dòng)態(tài)變化過程。分析可知，在煤層開采過程中，巖層移動(dòng)變形的不充分性，致使覆巖采動(dòng)裂隙的發(fā)育過程產(chǎn)生階段性特征。因此，受厚砂巖的影響，采動(dòng)裂隙在發(fā)育觸及厚砂巖前期及貫穿厚砂巖階段，分別表現(xiàn)出不同的采動(dòng)裂隙發(fā)育形態(tài)特征。隨著厚砂巖厚度的增大，覆巖采動(dòng)裂隙最終均貫穿厚砂巖，且采動(dòng)裂隙各階段發(fā)育形態(tài)及演化過程基本一致，同時(shí)，分別達(dá)充分采動(dòng)狀態(tài)和采動(dòng)裂隙貫穿厚砂巖時(shí)的工作面推進(jìn)距離均逐漸增大。

在厚砂巖厚度H=30 m，距煤層L=70 m 條件下，當(dāng)工作面推進(jìn)至160 m 時(shí)，切眼正上方采動(dòng)裂隙明顯高于工作面上方，且優(yōu)先發(fā)育并觸及厚砂巖，采動(dòng)裂隙整體形態(tài)表現(xiàn)為“L 形”特征；之后，隨著工作面推進(jìn)，受厚砂巖的阻擋作用，采動(dòng)裂隙以橫向擴(kuò)展發(fā)育為主；當(dāng)工作面推進(jìn)至240 m 時(shí)，切眼內(nèi)側(cè)水平30～80 m 正上方覆巖采動(dòng)裂隙逐漸向厚砂巖內(nèi)部發(fā)育，且采動(dòng)裂隙整體表現(xiàn)為“倒梯形”發(fā)育形態(tài)，同時(shí)，工作面兩端外側(cè)地表也產(chǎn)生采動(dòng)裂縫；當(dāng)工作面推進(jìn)至300 m 時(shí)，采動(dòng)裂隙優(yōu)先在切眼內(nèi)側(cè)向上發(fā)育并貫穿厚砂巖，并于其上橫向擴(kuò)展裂隙導(dǎo)通，之后隨工作面的持續(xù)推進(jìn)，直至最終的充分采動(dòng)狀態(tài)，逐漸貫穿工作面?zhèn)群笊戏胶裆皫r，且采動(dòng)裂隙形態(tài)逐漸變化為“馬鞍形”特征，且馬鞍形態(tài)逐漸增大，采動(dòng)裂隙最大發(fā)育高度為150 m，同時(shí)，采空區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)地表和采空區(qū)兩端外側(cè)地表均發(fā)育大量采動(dòng)地表裂縫(圖5b)。因此，受厚砂巖和采動(dòng)裂隙階段性發(fā)育的影響，在全采動(dòng)過程中，覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育形態(tài)表現(xiàn)為“L 形-倒梯形-馬鞍形”動(dòng)態(tài)變化過程。隨著厚砂巖厚度的增大，覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育形態(tài)變化過程基本一致，且采動(dòng)裂隙貫穿厚砂巖時(shí)的工作面推進(jìn)距離逐漸增大。然而，當(dāng)厚砂巖厚度增大至60 m時(shí)，充分采動(dòng)時(shí)采動(dòng)裂隙未能貫穿厚砂巖(圖5e)。

圖5 覆巖破壞塑性區(qū)發(fā)育情況Fig.5 Development situation of destructive plastic zone of overburden

在厚砂巖厚度H＞30 m，距煤層L=115 m 條件下，當(dāng)工作面推進(jìn)至280 m 時(shí)，覆巖采動(dòng)裂隙觸及厚砂巖，且形態(tài)表現(xiàn)為“馬鞍形”特征，同時(shí)，地表逐漸發(fā)育采動(dòng)地裂縫；之后隨著工作面的推進(jìn)，受厚砂巖的阻擋作用，采動(dòng)裂隙以橫向擴(kuò)展發(fā)育為主；當(dāng)推進(jìn)至340 m 時(shí)，切眼內(nèi)側(cè)水平80～90 m 正上方，采動(dòng)裂隙發(fā)育至厚砂巖的內(nèi)部，同時(shí)，采動(dòng)地裂縫不斷向下發(fā)育并增多；直至最終充分采動(dòng)狀態(tài)，采動(dòng)裂隙均未能貫穿厚砂巖，形態(tài)基本未發(fā)生顯著變化，采動(dòng)裂隙最大發(fā)育高度約125 m(圖5c)。因此，全采動(dòng)過程中，覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育形態(tài)始終表現(xiàn)為“馬鞍形”特征，且隨厚砂巖厚度的增大，采動(dòng)裂隙發(fā)育形態(tài)變化特征基本一致。對(duì)于厚砂巖厚度H＞30 m，距煤層L=165 m 條件下，工作面開采過程中，覆巖采動(dòng)裂隙全程表現(xiàn)為“馬鞍形”發(fā)育形態(tài)，且充分采動(dòng)狀態(tài)時(shí)，采動(dòng)裂隙未能觸及厚砂巖(圖5d)，同時(shí)，厚砂巖厚度對(duì)采動(dòng)裂隙發(fā)育特征無顯著影響。

綜上所述，不同地質(zhì)條件下的覆巖采動(dòng)裂隙最終形態(tài)普遍表現(xiàn)為“馬鞍形”發(fā)育特征，同時(shí)，采動(dòng)裂隙發(fā)育高度由大到小明顯表現(xiàn)為：切眼側(cè)、工作面?zhèn)?、中間部。一般情況下，厚砂巖距煤層L＞95 m 時(shí)，對(duì)采動(dòng)裂隙具有顯著的長期阻擋作用，可視為覆巖保護(hù)層。當(dāng)厚砂巖厚度增大至60 m，距煤層間距L＞60 m 時(shí)，厚砂巖對(duì)采動(dòng)裂隙發(fā)育亦可產(chǎn)生顯著的阻擋作用。

3.2 覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育高度

在煤層開采過程中，采動(dòng)裂隙發(fā)育高度隨工作面推進(jìn)距離的變化規(guī)律如圖6 所示。

圖6 厚砂巖不同參數(shù)條件下覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育高度變化曲線Fig.6 Development height variation curve of mining fissures in overburden under different conditions

由圖6a 可知，隨著工作面的推進(jìn)，采動(dòng)裂隙不斷增大。在厚砂巖厚H=30 m，距煤層L=30 m 條件下，工作面推進(jìn)前80 m 階段，采動(dòng)裂隙發(fā)育高度隨工作面推進(jìn)距離呈近線性增長特征，采動(dòng)裂隙垂向增長率(即工作面單位推進(jìn)距離內(nèi)覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育高度)為0.5，之后，工作面推進(jìn)至80～120 m 階段，采動(dòng)裂隙觸及厚砂巖，并以橫向擴(kuò)展發(fā)育為主，裂隙增長率為0，推進(jìn)至120～240 m 階段，裂隙增長率約0.75，之后采動(dòng)裂隙觸及上層強(qiáng)度較大的中砂巖，造成裂隙增長率減小至0；在煤層開采至280 m 后，隨著采動(dòng)裂隙的不斷向上發(fā)育，覆巖擾動(dòng)逐漸減小，裂隙增長率小于初始開采階段，約為0.36。在厚砂巖厚H=30 m，距煤層間距L≥70 m 條件下，煤層開采前160 m 階段，采動(dòng)裂隙增長率約0.5；開采160～200 m 階段，采動(dòng)裂隙增長率變?yōu)?；之后，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，采動(dòng)裂隙發(fā)育高度逐漸增大，裂隙增長率約0.4。在煤層開采100～200 m 階段時(shí)，厚砂巖距煤層L=30 m 條件時(shí)對(duì)應(yīng)的采動(dòng)裂隙發(fā)育高度明顯低于其他相同厚度不同位置條件所對(duì)應(yīng)的采動(dòng)裂隙發(fā)育高度(圖6a)。隨著厚砂巖厚度的增加，曲線變化特征基本一致。因此，結(jié)合曲線及裂隙增長率變化特征，可以得到覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育高度隨工作面的推進(jìn)距離呈臺(tái)階式增長特征，且在采動(dòng)裂隙發(fā)育至強(qiáng)度較大的中砂巖和厚砂巖底部時(shí)，采動(dòng)裂隙發(fā)育高度曲線出現(xiàn)臺(tái)階狀特征，該結(jié)果與文獻(xiàn)[18]結(jié)果基本一致。

由圖6b 可知，在厚砂巖距煤層L=30 m 條件下，當(dāng)工作面推進(jìn)至180～400 m 階段時(shí)，覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育高度隨著厚砂巖厚度的增大而明顯降低，隨工作面推進(jìn)距離的增大表現(xiàn)出“S”形增長特征，且“S”形特征逐漸滯后，同時(shí)，該階段采動(dòng)裂隙增長率先增大后減小，且增大階段為采動(dòng)裂隙貫穿厚砂巖；其他開采階段，采動(dòng)裂隙發(fā)育高度曲線變化特征基本一致。隨厚砂巖距煤層間距的增大，覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育高度曲線受厚砂巖厚度的影響逐漸減小。

通過模擬獲取不同厚砂巖特征下的覆巖采動(dòng)裂隙最大發(fā)育高度，分析其分別與厚砂巖厚度和距煤層間距之間的關(guān)系(圖7)。

圖7 厚砂巖位置與厚度對(duì)覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育高度的影響Fig.7 Influence of position and thickness of thick sandstone on development height of mining fissures in overburden

由圖7a 可知，覆巖采動(dòng)裂隙最大發(fā)育高度隨厚砂巖距煤層間距的變化特征基本一致，均表現(xiàn)為隨距離的增大，裂隙最大發(fā)育高度先減小后增大。一般情況下，厚砂巖距煤層L＜115 m 時(shí)，采動(dòng)裂隙隨厚砂巖層位的升高而近線性減小，由155 m 逐漸減小至130 m，說明在采動(dòng)裂隙可觸及厚砂巖狀態(tài)下，厚砂巖越高，其阻擋作用越強(qiáng)；厚砂巖距煤層L≥115 m 時(shí)，采動(dòng)裂隙隨厚砂巖層位的升高逐漸由130 m 增大至155 m。然而，厚砂巖厚H=60 m 且距煤層L=70 m 時(shí)，其對(duì)應(yīng)采動(dòng)裂隙最大發(fā)育高度(120 m)明顯小于同層位其他厚度條件下對(duì)應(yīng)的裂隙發(fā)育高度(145 m)，采動(dòng)裂隙未能貫穿厚砂巖，說明距煤層70 m 的厚砂巖增厚至60 m時(shí)，具有顯著的阻擋作用。

結(jié)合圖7b 可知，一般情況下，厚砂巖厚度對(duì)采動(dòng)裂隙最終發(fā)育高度無顯著影響。然而，當(dāng)厚砂巖距煤層L=70 m，厚度H＞60 m 時(shí)，覆巖采動(dòng)裂隙最大發(fā)育高度隨厚度增加而減小。分析可知，當(dāng)厚砂巖厚度H＜60 m，距煤層L≤95 m 時(shí)，覆巖采動(dòng)裂隙最終均會(huì)貫穿具有阻擋作用的厚砂巖，并向上發(fā)育至最高處，而距煤層L＞95 m 時(shí)，采動(dòng)裂隙與厚砂巖的空間關(guān)系隨厚砂巖層位的升高由觸及未貫通厚砂巖狀態(tài)逐漸變化為未觸及厚砂巖的狀態(tài)，且采動(dòng)裂隙最終發(fā)育高度隨之增高，最大約160 m。同時(shí)，厚砂巖距煤層間距L=70 m 且厚度H=60 m 時(shí)，具有較強(qiáng)的阻擋作用，致使采動(dòng)裂隙發(fā)育高度減小至120 m。因此，采動(dòng)裂隙最大發(fā)育高度隨厚砂巖層位的升高呈先減小后增大特征，隨厚砂巖厚度逐漸大于60 m 時(shí)明顯降低，厚砂巖產(chǎn)生顯著阻擋作用。

綜上可知，在煤層采高6 m 及上述地質(zhì)條件下，當(dāng)厚砂巖厚度H≥30 m，距煤層間距L＞95 m，或H≥60 m，L＞60 m 時(shí)，可有效阻擋采動(dòng)裂隙向上發(fā)育貫穿厚砂巖，防止采動(dòng)裂隙發(fā)育并導(dǎo)通上覆潛水含水層。

4 “采煤保水”建議

陜北煤炭開采區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，采煤強(qiáng)度大，要破解煤炭資源開采與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)煤炭綠色開發(fā)，必須遵循“采動(dòng)減損、采煤保水”的原則。在煤層開采過程中，以實(shí)際地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，以生態(tài)水位保護(hù)為核心，以阻止采動(dòng)裂隙發(fā)育為目標(biāo)，以控制巖層損害為手段，促進(jìn)煤炭開采與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。本文結(jié)合厚砂巖對(duì)覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律的影響(圖8)，提出以下采煤保水和采動(dòng)減損建議。

圖8 厚砂巖位置與導(dǎo)水裂隙帶的關(guān)系Fig.8 Schematic diagram of the relationship between the location of thick sandstone and the water diversion fracture zone

(1) 針對(duì)厚砂巖離煤層的距離L≤95 m 條件下，覆巖采動(dòng)裂隙優(yōu)先貫穿切眼側(cè)厚砂巖，形成“L 形”裂隙分布特征，以及采動(dòng)裂隙發(fā)育高度在貫穿厚砂巖階段的“S”形變化特征?？稍诿簩娱_采至覆巖采動(dòng)裂隙沿切眼側(cè)觸及厚砂巖時(shí)，即采動(dòng)裂隙“L 形”發(fā)育特征階段前期，對(duì)切眼側(cè)采動(dòng)裂隙區(qū)域及厚砂巖底部進(jìn)行階段性注漿，封堵裂隙的同時(shí)加強(qiáng)巖體強(qiáng)度，減小采動(dòng)裂隙增長率，降低采動(dòng)裂隙發(fā)育高度。此外，結(jié)合采動(dòng)裂隙完全貫穿厚砂巖時(shí)工作面位置，進(jìn)行采空區(qū)局部填充，控制覆巖損害，減小采動(dòng)裂隙的發(fā)育高度，防止采動(dòng)裂隙發(fā)育并導(dǎo)通上覆潛水含水層，實(shí)現(xiàn)采煤過程中“邊采邊治、邊采邊護(hù)”的減損和保水模式。

(2) 對(duì)于厚砂巖距煤層距離95 m＜L＜155 m 條件下，雖然厚砂巖在一定程度上可有效阻擋采動(dòng)裂隙向上發(fā)育，使得采動(dòng)裂隙觸及但不完全貫穿厚砂巖。然而，采高大于6 m 條件下采動(dòng)裂隙有貫穿厚砂巖并導(dǎo)通上覆潛水含水層的可能。因此，該條件下可采用厚砂巖底部離層空間注漿的方法，減小厚砂巖的可下沉空間，降低厚砂巖的變形程度，進(jìn)而控制厚砂巖的損害，實(shí)現(xiàn)覆巖及地表有效減沉，防止長期累計(jì)變形及高強(qiáng)度開采引起的厚砂巖和潛水含水層損害。

(3) 對(duì)于厚砂巖距煤層距離L≥155 m 條件下，覆巖裂隙發(fā)育全程表現(xiàn)為“馬鞍形”特征，且未觸及厚砂巖，然而，大采高等高強(qiáng)度開采條件下采動(dòng)裂隙有貫穿厚砂巖并導(dǎo)通潛水含水層的可能。因此，該條件下可采用厚煤層分層開采或充填開采的方法，減弱煤層開采對(duì)覆巖的擾動(dòng)作用和減小覆巖下沉量，進(jìn)而控制覆巖及地表的損害，防止高強(qiáng)度開采引起的厚砂巖和潛水含水層損害，實(shí)現(xiàn)覆巖及地表有效減沉和含水層保護(hù)。

5 結(jié)論

a.研究區(qū)內(nèi)主采煤層埋深自西南向東北逐漸減小，上覆基巖厚度自西向東逐漸減小，巖土比自東向西逐漸增大，基巖內(nèi)厚砂巖主要分布于西南部。

b.隨著厚砂巖層位的不斷升高，覆巖采動(dòng)裂隙的動(dòng)態(tài)演化過程由“矩形-L 形-馬鞍形”逐漸變化為“L 形-倒梯形-馬鞍形”過程，最終變化為全程“馬鞍形”的演化過程。

c.覆巖采動(dòng)裂隙最大發(fā)育高度隨厚砂巖層位的升高呈先減小后增大特征。適當(dāng)?shù)暮裆皫r厚度和層位的組合條件，可有效阻擋采動(dòng)裂隙向上發(fā)育貫穿厚砂巖。

d.在煤層開采過程中，可充分考慮厚砂巖發(fā)育特征對(duì)覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育過程的影響，進(jìn)行精確防控采動(dòng)裂隙發(fā)育和覆巖變形破斷，實(shí)現(xiàn)“邊采邊減”和“邊采邊?！钡木G色開采方法。