李振華 ，李松濤 ，杜 鋒 ，王文強(qiáng) ，李建偉 ，焦 陽(yáng) ，樊 旋

（1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 焦作 454003；2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 焦作 454003；3.河南理工大學(xué) 河南省礦井水害防控及水資源利用工程技術(shù)研究中心, 河南 焦作 454003；4.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010；5.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司, 山西 晉城 048006）

0 引 言

我國(guó)疆域遼闊，是巖溶地貌分布最為廣泛的國(guó)家，約占我國(guó)領(lǐng)土總面積的13.5%，其中以西南地區(qū)最為突出[1]。西南地區(qū)作為中國(guó)重要的煤炭生產(chǎn)基地，在巖溶發(fā)育礦區(qū)進(jìn)行地下煤炭開(kāi)采面臨諸多挑戰(zhàn)[2]。在巖溶礦區(qū)，煤炭開(kāi)采面臨著頂板巖溶水對(duì)礦井生產(chǎn)的威脅[3-4]。因此，研究巖溶礦區(qū)溶洞對(duì)裂隙發(fā)育的影響，是巖溶礦區(qū)安全開(kāi)采的重點(diǎn)。

相關(guān)學(xué)者已經(jīng)在煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙演化規(guī)律方面取得了一定的進(jìn)展[5-8]。在國(guó)內(nèi)，煤礦頂板水害防治領(lǐng)域，最廣泛應(yīng)用的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究成果是《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》[9]。劉天泉院士[10]基于采場(chǎng)巖層運(yùn)移及采動(dòng)裂隙分布規(guī)律，提出了“橫三區(qū)”、“豎三帶”和導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算方法。許家林等[11]提出了通過(guò)覆巖關(guān)鍵層位置來(lái)預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度的新方法；楊達(dá)明等[12]、李超峰等[13]、張國(guó)奇等[14]、張玉軍等[15]運(yùn)用井下鉆孔注水漏失量觀測(cè)、鉆孔窺視、微震監(jiān)測(cè)及瞬變電磁等方法實(shí)測(cè)工作面導(dǎo)水裂隙帶高度；張軍等[16]、劉躍俊等[17]、WANG 等[18]，基于相似模擬，利用分型理論，從物理模型觀測(cè)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律；部分學(xué)者也運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)覆巖裂隙發(fā)育高度進(jìn)行研究，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果接近[19-21]；當(dāng)前新背景下相關(guān)學(xué)者通過(guò)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度模型，對(duì)影響導(dǎo)水裂隙帶高度不同因素進(jìn)行訓(xùn)練，可以有效預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度[22-25]。

以上研究，多針對(duì)于在完整頂板情況下煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的研究，巖溶洞作為煤層頂板結(jié)構(gòu)中弱地質(zhì)體，其對(duì)導(dǎo)水裂隙的發(fā)育規(guī)律具有重要影響，目前缺少對(duì)溶洞賦存條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的研究。以新田煤礦煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙為例，基于礦井水文地質(zhì)特征，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、室內(nèi)模擬及理論分析等手段，研究溶洞下頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律。該研究對(duì)類(lèi)似地質(zhì)條件下的煤炭開(kāi)采防治水方面具有重要借鑒意義。

1 工程概況

新田礦井位于貴州高原西北部，黔西縣城北東部。該地處于黔西北高原過(guò)渡帶，屬高原巖溶丘陵地貌。礦區(qū)內(nèi)巖溶裂隙、溶洞平面上沿北西、北東向“X”節(jié)理追蹤發(fā)育，溶洞發(fā)育不均一。地表沿溝谷處落水洞發(fā)育。玉龍山段含水層巖溶發(fā)育段主要為中上部，中上段巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，溶洞、裂隙多，發(fā)育多層溶洞，呈現(xiàn)不同形態(tài)的串珠狀；下段巖溶發(fā)育差，巖石完整，節(jié)理裂隙、溶蝕不發(fā)育，含水性弱。沙堡灣段礦區(qū)未出露，巖性主要為淺灰、灰色薄層狀泥灰?guī)r為主，根據(jù)區(qū)域資料，該層具有含水性弱、透水性差的特點(diǎn)，為相對(duì)隔水層。長(zhǎng)興組礦區(qū)內(nèi)無(wú)出露，為深灰色中厚層狀含燧石灰?guī)r、灰?guī)r，下部有時(shí)夾泥質(zhì)灰?guī)r及泥質(zhì)粉砂巖，該組平均厚度35 m。溶蝕發(fā)育差，僅局部地段含極少量的溶蝕裂隙水，含水性總體較弱。頂板溶洞在地表?玉龍山段?長(zhǎng)興組等層位由上而下具有明顯的分帶現(xiàn)象。礦井巖溶發(fā)育特征見(jiàn)表1，礦井落水洞及巖溶通道分布如圖1 所示。該礦區(qū)共有兩層可采煤層（4 號(hào)、9 號(hào)煤），現(xiàn)主采4 號(hào)煤層。4 號(hào)煤層距離其頂板長(zhǎng)興組灰?guī)r和玉龍山段灰?guī)r底界面距離分別為30 m 和85 m。綜合柱狀如圖2 所示。

圖1 新田礦井落水洞與巖溶通道分布Fig.1 Distribution of sinkholes and karst channels in Xintian Mine

圖2 礦井綜合柱狀Fig.2 Comprehensive column of rock strata

表1 礦井巖溶發(fā)育特征Table 1 Characteristics of karst development in mines

礦井工作面實(shí)際回采中涌水量受大氣降水影響大，綜合分析5 a 內(nèi)該礦井涌水量與對(duì)應(yīng)地表大氣降雨量的關(guān)系，得到該礦井的涌水量與大氣降雨量成正相關(guān)，如圖3 所示。在大氣降雨后，礦井工作面涌水量伴隨大氣降雨出現(xiàn)滯后性增加，并且涌水量大小與大氣降雨量有直接關(guān)系。

圖3 工作面涌水量與大氣降水關(guān)系Fig.3 Relationship between water inflow and atmospheric precipitation at working face

2 無(wú)溶洞條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

根據(jù)國(guó)家煤炭工業(yè)局頒發(fā)的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)及壓煤開(kāi)采規(guī)范》中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算新田煤礦4 號(hào)煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。結(jié)合礦井綜合柱狀圖，新田煤礦4 號(hào)煤層上覆頂板巖層包含泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖4種巖性，符合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)及壓煤開(kāi)采規(guī)范》中中硬巖性（砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r）的判別。據(jù)此，確定4 號(hào)煤層頂板為中硬巖層，公式適用于單層采厚1～3 m 情況，因此選擇了中硬巖層頂板導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算公式為：

式中：Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度；ΣM為煤層開(kāi)采厚度。

4 號(hào)煤層采厚為3.0 m，通過(guò)代入經(jīng)驗(yàn)式（1）和（2）進(jìn)行計(jì)算，得到了不同的結(jié)果：使用式（1）計(jì)算得出導(dǎo)水裂隙帶高度為30.6～41.8 m，式（2）計(jì)算得出導(dǎo)水裂隙帶高度為44.6 m。

2.2 相似模擬試驗(yàn)

為更加直觀研究4 號(hào)煤開(kāi)采過(guò)程中導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，以1404 工作面采礦地質(zhì)條件為原型，開(kāi)展了覆巖無(wú)溶洞條件下相似模擬試驗(yàn)研究工作。1404 工作面采取綜采回采工藝，采用全部垮落法管理頂板。工作面布置如圖4 所示。

圖4 1404 工作面布置Fig.4 Mine working face layout

1）試驗(yàn)方案。由于煤層埋深大，故將模型建立至玉龍山段含水層底部，對(duì)于上部未模擬到巖層采用液壓缸進(jìn)行等效施加。試驗(yàn)采用的幾何相似比LC=1∶100，容重相似比Cγ= 1∶1.5。設(shè)計(jì)模型煤厚3.0 cm，傾角為3°。試驗(yàn)采用的材料中以精細(xì)干河沙作為骨料，同時(shí)以碳酸鈣、石膏、硼砂以不同的比例混合模擬相對(duì)應(yīng)的巖性，不同巖層之間鋪撒云母片進(jìn)行分層。根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，在2 500 mm×1 300 mm×200 mm（長(zhǎng)×高×寬）規(guī)格的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。各巖層相似材料配比見(jiàn)表2。

表2 相似模擬試驗(yàn)配比Table 2 Comparison of similar simulation tests

完成模型建立后，在模型背面布置3 條位移測(cè)線，相鄰測(cè)點(diǎn)之間相距10 cm。其中，1 號(hào)位移測(cè)線布置在長(zhǎng)興組灰?guī)r的底部，2 號(hào)位移測(cè)線布置在長(zhǎng)興組灰?guī)r的頂部，3 號(hào)位移測(cè)線布置在夜郎組，模型如圖5 所示，位移測(cè)點(diǎn)布置如圖6 所示。

圖5 相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.5 Similar simulation test model

圖6 模型位移測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 Layout of model and displacement measurement points

2）模擬結(jié)果分析。根據(jù)圖7a，工作面推進(jìn)至150 m 時(shí)，導(dǎo)水裂隙發(fā)育至長(zhǎng)興組灰?guī)r含水層中部，工作面后方采空區(qū)及開(kāi)切眼處以縱向裂隙為主，為主要涌水通道。開(kāi)切眼處的主要導(dǎo)水通道角度為60°，工作面后方的2 個(gè)主要導(dǎo)水通道角度分別為56°和59°，此時(shí)導(dǎo)水裂隙發(fā)育最大高度為45 m。

圖7 4 號(hào)煤層頂板導(dǎo)水裂隙演化特征Fig.7 Evolution characteristics of No.4 coal seam roof

根據(jù)圖7b，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)至190 m，頂板垮落破斷，采動(dòng)裂隙并未繼續(xù)向上發(fā)展。此時(shí)工作面已充分采動(dòng)，導(dǎo)水裂隙發(fā)育最大高度為45 m，裂采比為15。采空區(qū)中部裂隙逐漸壓實(shí)閉合，主要涌水通道為開(kāi)切眼及工作面處縱向裂隙，溝通長(zhǎng)興組灰?guī)r含水層，對(duì)工作面生產(chǎn)造成威脅。

工作回采后，上覆巖層移動(dòng)變形特征如圖8 所示。由圖可知，測(cè)線1 位于長(zhǎng)興組灰?guī)r含水層的底界面，在采動(dòng)影響下，上覆巖層垮落破斷，下沉變形較大。測(cè)線2 位于長(zhǎng)興組灰?guī)r的頂部，位于彎曲下沉帶，受采動(dòng)影響較小，僅發(fā)生彎曲下沉。模型頂部3 號(hào)測(cè)線變化較小，由于巖層垮落碎脹，頂板巖層沒(méi)有可供下沉空間。

圖8 頂板下沉位移曲線Fig.8 Roof sinking displacement curve

2.3 鉆孔分段注（放）水探測(cè)

1）觀測(cè)方案設(shè)計(jì)。為進(jìn)一步驗(yàn)證1404 工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，采用井下鉆孔分段注（放）水，以觀測(cè)鉆孔漏失量方法來(lái)觀測(cè)1404 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度。選擇1404 工作面底抽巷作為鉆場(chǎng)位置，設(shè)計(jì)3 個(gè)測(cè)試鉆孔。其中1 號(hào)和2 號(hào)為采動(dòng)后裂隙發(fā)育鉆孔，3 號(hào)鉆孔為與1404 相鄰且未受影響的1406 工作面原始裂隙鉆孔（對(duì)比鉆孔）。鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3，鉆孔設(shè)計(jì)如圖9 所示。

圖9 鉆孔布置剖面圖Fig.9 Borehole layout profile

表3 鉆孔施工參數(shù)Table 3 Drilling parameters

2）觀測(cè)結(jié)果分析。在1404 底抽巷利用ZDY8000LPS 型礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)對(duì)3 個(gè)探測(cè)鉆孔進(jìn)行施工。其中，1 號(hào)測(cè)試鉆孔終孔深度為86 m，2 號(hào)鉆孔終孔深度為84 m，3 號(hào)鉆孔終孔深度為90 m。雙端堵水器漏失量測(cè)試試驗(yàn)準(zhǔn)備測(cè)試前，測(cè)試人員先對(duì)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。鉆孔施工完成后，工作人員起鉆，配合試驗(yàn)人員進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試過(guò)程如圖10 所示。1 號(hào)鉆孔觀測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)反復(fù)塌孔，導(dǎo)致測(cè)試過(guò)程難以進(jìn)行，因此不再進(jìn)行1 號(hào)鉆孔的測(cè)試。隨后對(duì)2 號(hào)、3 號(hào)孔進(jìn)行了觀測(cè)，鉆機(jī)送進(jìn)雙端堵水器探頭孔深約30 m 時(shí)進(jìn)行初次測(cè)試，之后每隔2 m 進(jìn)行一次測(cè)試，并記錄數(shù)據(jù)。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試Fig.10 Field test drawings

2 號(hào)鉆孔觀測(cè)終孔深度為78 m，3 號(hào)鉆孔觀測(cè)終孔深度為76 m 。統(tǒng)計(jì)各鉆孔觀測(cè)記錄的注水漏失量數(shù)據(jù)，結(jié)合附近鉆孔柱狀圖，對(duì)比分析兩鉆孔分段注水漏失量變化規(guī)律，鉆孔漏失量如圖11 所示。根據(jù)圖11 中3 號(hào)孔鉆孔分段注水量漏失圖，在工作面頂板未破壞情況下，測(cè)試段鉆孔水漏失變化量平均為4.7 L/min，在測(cè)試深度內(nèi)漏失量在3.1～5.1 L/min波動(dòng)，不同測(cè)試段之間漏失量差別不大。根據(jù)圖11中 2 號(hào)試驗(yàn)鉆孔水漏失量測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在孔深68～78 m，注水漏失量為3.5～5.0 L/min，與對(duì)比鉆孔注水漏失量吻合，表明此區(qū)段巖層裂隙不發(fā)育；而在孔深36～68 m，注水漏失量明顯增大，顯著高于對(duì)比鉆孔注水漏失量，漏失量達(dá)到19.2～22.3 L/min，說(shuō)明此段裂隙發(fā)育明顯。因此，2 號(hào)試驗(yàn)鉆孔確定的頂板導(dǎo)水裂隙帶頂界面位于孔深68 m 處，所對(duì)應(yīng)的巖層為長(zhǎng)興組灰?guī)r，距煤層頂板垂高為43.1 m。

圖11 測(cè)試鉆孔漏失量Fig.11 Distribution of water Leakage in Borehole

由1404 鄰近1402 工作面ZK1 鉆孔揭露，玉龍山段灰?guī)r含水層下巖溶不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)大的溶洞、裂隙，局部有溶孔及溶蝕裂隙發(fā)育，巖溶發(fā)育較差。現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為43.1 m,表明該處巖溶發(fā)育差。

3 溶洞條件下超高裂隙發(fā)育規(guī)律

由于巖溶發(fā)育具有不均一性，且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)空間位置具有隨機(jī)性和相對(duì)單一性，因此采用室內(nèi)相似模擬的方案進(jìn)一步研究溶洞賦存條件下導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律。

1）試驗(yàn)方案。以1404 工作面采礦地質(zhì)條件為原型，開(kāi)展了相似模擬試驗(yàn)研究工作。根據(jù)礦井地質(zhì)勘探資料顯示，長(zhǎng)興組賦存一些較小溶洞，玉龍山段上中段內(nèi)部賦存大量串珠狀巖溶洞和巖溶裂隙，溶洞尺寸在1～35 m，但溶洞賦存情況難以探明，且呈現(xiàn)不同形態(tài)的串珠。根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料推測(cè)，在溶洞溝通采動(dòng)裂隙情況下，有以下3 種情況可使地表水涌入工作面：①大氣降水經(jīng)過(guò)落水洞，由水平狀串珠溶洞經(jīng)涌水裂隙通道涌入工作面；②玉龍山段賦存豎直串珠溶洞，其自身裂隙較高，貫通地表水與采空區(qū)；③玉龍山段與長(zhǎng)興組溶洞天然溝通，形成天然的涌水通道。試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒘碎L(zhǎng)興組規(guī)則及不規(guī)則溶洞，并在玉龍山段建立不同形態(tài)的串珠狀溶洞，包括水平長(zhǎng)度不同的2 個(gè)串珠狀溶洞、傾斜方向不同的2 個(gè)豎直溶洞，以及垮玉龍山段與長(zhǎng)興組不規(guī)則串珠溶洞。

為提高試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦寐?，這些設(shè)計(jì)均在同一試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭羞M(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，按照溶洞尺寸搭建?～35 m 不同直徑溶洞，同時(shí)為體現(xiàn)更大尺寸溶洞的差異變化，在模型中布置1 組直徑更大溶洞。不同溶洞間通過(guò)貫通通道，對(duì)溶洞進(jìn)行連接，模擬不同形態(tài)串珠狀溶洞。同時(shí)為避免傾斜串珠狀溶洞自身發(fā)育高度對(duì)水平串珠狀溶洞的影響，將水平串珠狀溶洞布置于工作面開(kāi)切眼上方，傾斜串珠狀溶洞布置于工作面中部及后方。

試驗(yàn)采用的幾何相似比LC=1∶150，容重相似比Cγ=1∶1.5。根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，在4 000 mm×2 000 mm×300 mm（長(zhǎng)×高×寬）規(guī)格的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，各巖層相似材料配比見(jiàn)表4。

表4 相似模擬試驗(yàn)配比Table 4 Comparison of similar simulation tests

模型兩側(cè)邊界留設(shè)40 cm 保護(hù)煤柱，用于消除模型的邊界效應(yīng)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D12 所示。模型的開(kāi)挖方向?yàn)閺淖笾劣?，根?jù)覆巖運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況每次開(kāi)挖5 cm，每次開(kāi)挖間隔為2 h。

圖12 相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.12 Similar simulation test model

2）模擬結(jié)果分析。工作面推進(jìn)至100 m 時(shí)，覆巖周期性垮落，垮落至長(zhǎng)興組灰?guī)r中部，未出現(xiàn)大的采動(dòng)裂隙。長(zhǎng)興組中形態(tài)規(guī)則的小溶洞坍塌，對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育影響甚微，玉龍山段不規(guī)則溶洞穩(wěn)定，未產(chǎn)生擴(kuò)展裂隙，如圖13 所示。此時(shí)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為45 m。

圖13 工作面開(kāi)挖100 m 覆巖裂隙發(fā)育Fig.13 Development of overlying rock fractures after excavation of 100 m on the working face

工作面推進(jìn)至180 m 時(shí)，工作面已推過(guò)玉龍山段水平狀串珠溶洞。工作面上覆巖層垮落至長(zhǎng)興組頂界面，長(zhǎng)興組頂界面上覆巖層彎曲變形，無(wú)明顯裂隙。水平狀串珠①號(hào)溶洞在采動(dòng)影響下發(fā)生失穩(wěn)變形，上部覆巖產(chǎn)生離層裂隙，兩側(cè)邊界縱向裂隙具有向下擴(kuò)展趨勢(shì)。此時(shí)，采動(dòng)裂隙和溶洞失穩(wěn)變形產(chǎn)生的裂隙之間溝通聯(lián)系較弱，如圖14 所示。

圖14 工作面開(kāi)挖180 m 覆巖裂隙發(fā)育Fig.14 Development of overlying rock fractures after excavation of 180 m on the working face

工作面推進(jìn)至290 m 時(shí)，在采動(dòng)影響下，采動(dòng)上行裂隙和水平狀串珠①號(hào)溶洞失穩(wěn)產(chǎn)生的下行裂隙貫通。同時(shí)水平狀串珠②號(hào)溶洞垮落失穩(wěn)導(dǎo)致其上部巖層垮落變形，在兩側(cè)產(chǎn)生縱向裂隙。豎直狀串珠③號(hào)溶洞下部拉伸破壞產(chǎn)生裂隙，上部受擠壓破壞產(chǎn)生上行裂隙。采空區(qū)兩側(cè)形成與玉龍山灰?guī)r導(dǎo)通的破裂面，采空區(qū)右側(cè)導(dǎo)水裂隙從③號(hào)溶洞底部進(jìn)入頂部穿出形成貫穿破裂面，如圖15 所示。

圖15 工作面開(kāi)挖290 m 覆巖裂隙發(fā)育Fig.15 Development of overlying rock fractures after excavation of 290 m on the working face

當(dāng)工作面推進(jìn)至350 m 時(shí)，模型中部豎直串珠狀④號(hào)溶洞頂部受擠壓破環(huán)，頂部有灰?guī)r垮落，溶洞底部受張拉而產(chǎn)生張開(kāi)裂隙，導(dǎo)致玉龍山灰?guī)r頂部與工作面導(dǎo)通，形成貫穿型的涌水通道。豎直串珠狀④號(hào)溶洞底部向③號(hào)溶洞方向產(chǎn)生擴(kuò)展裂隙。采空區(qū)中部破碎巖石的不斷壓實(shí)，破斷巖層進(jìn)一步回轉(zhuǎn)下沉，采空區(qū)后方的導(dǎo)通裂隙受擠壓逐漸閉合，如圖16 所示。

圖16 工作面開(kāi)挖350 m 覆巖裂隙發(fā)育Fig.16 Development of overlying rock fractures after excavation of 350 m on the working face

當(dāng)工作面推進(jìn)至480 m 時(shí)，豎直串珠狀溶洞④底部受拉伸破壞，溶洞上行裂隙進(jìn)一步發(fā)育并與③號(hào)溶洞貫通。上覆巖層以⑤號(hào)溶洞的中部為的支點(diǎn)，在此處形成應(yīng)力集中，⑤號(hào)溶洞在應(yīng)力集中和采動(dòng)附加力共同作用下發(fā)生失穩(wěn)。⑤號(hào)豎向溶洞失穩(wěn)變形，導(dǎo)致其上方巖層呈整體下沉趨勢(shì)，并產(chǎn)生上行裂隙，溝通至模型頂部形成貫通涌水通道。溶洞中下部極易產(chǎn)生下行裂隙，并導(dǎo)向長(zhǎng)興組灰?guī)r溶洞，致使裂隙溝通工作面，如圖17 所示。此時(shí)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到173.1 m，裂采比為57.7。

圖17 工作面開(kāi)挖480 m 覆巖裂隙發(fā)育Fig.17 Development of overlying rock fractures after excavation of 480 m on the working face

模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)興組溶洞對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育影響甚微，玉龍山段不同形態(tài)的溶洞對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的影響顯著，導(dǎo)水裂隙發(fā)育異常，其高度可達(dá)173.1 m，裂采比高達(dá)57.7，與玉龍山段灰?guī)r強(qiáng)含水層溝通。溶洞下頂板導(dǎo)水裂隙由采動(dòng)上行裂隙和溶洞失穩(wěn)下行裂隙兩部分構(gòu)成，采動(dòng)影響下，溶洞在集中應(yīng)力和采動(dòng)附加應(yīng)力的共同作用下發(fā)生失穩(wěn)，并容易形成下行裂隙，與采動(dòng)上行裂隙溝通，最終形成黔西南礦區(qū)特殊的超高導(dǎo)水裂隙。

4 溶洞條件下超高裂隙發(fā)育機(jī)理

溶洞賦存條件下頂板導(dǎo)水裂隙在采動(dòng)影響下，采動(dòng)上行裂隙和溶洞失穩(wěn)產(chǎn)生的下行裂隙溝通，最終導(dǎo)致超高導(dǎo)水裂隙通道的形成。結(jié)合礦井現(xiàn)有微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)溶洞下導(dǎo)水裂隙發(fā)育進(jìn)行微震分析。以1404 鄰近1402 工作面為監(jiān)測(cè)對(duì)象，微震事件剖面圖如圖18 所示，結(jié)果顯示微震事件在1402 工作面前方煤層頂板往上逐漸減少，但發(fā)生事件的能量越往上越大。工作面共發(fā)生4 次比較大的震動(dòng)，能量均大于100 J，其位置從下向上依次為：長(zhǎng)興組灰?guī)r底部、玉龍山灰?guī)r中部和上部?jī)商?。根?jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析得出：在采動(dòng)影響下，玉龍山灰?guī)r溶洞失穩(wěn)，涌水通道發(fā)育至玉龍山灰?guī)r，并與玉龍山灰?guī)r溶洞導(dǎo)通。

圖18 1402 工作面微震事件剖面圖Fig.18 Microseismic event profile of working face No.1402

煤層頂板含水層主要由玉龍山灰?guī)r和長(zhǎng)興組灰?guī)r組成，補(bǔ)給水源主要是大氣降雨。在巖溶礦區(qū)，大氣降雨多通過(guò)落水洞和巖溶裂隙進(jìn)入地下巖溶含水層內(nèi)，這成為巖溶礦區(qū)煤炭開(kāi)采的潛在威脅。隨著工作面的不斷推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙逐漸向上發(fā)育，對(duì)頂板巖溶洞的開(kāi)采擾動(dòng)影響也逐漸增強(qiáng)，溶洞周?chē)膸r溶裂隙逐漸向外擴(kuò)張。當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離時(shí)，采動(dòng)上行裂隙與溶洞下行裂隙溝通，導(dǎo)水裂隙帶超高發(fā)育，形成巖溶洞和采空區(qū)之間的導(dǎo)水通道。同時(shí)由于開(kāi)采擾動(dòng)影響，巖溶洞之間也會(huì)產(chǎn)生相互導(dǎo)通的裂隙，形成水力聯(lián)系。因此，形成了地表水?巖溶洞?采空區(qū)之間的導(dǎo)水通道，如圖19 所示。

圖19 巖溶地區(qū)涌突水機(jī)理示意Fig.19 Schematic of water inrush mechanism in karst areas

5 結(jié) 論

1）研究區(qū)地表沿溝谷處落水洞發(fā)育，玉龍山段強(qiáng)含水層中上部溶洞發(fā)育，且呈現(xiàn)不同形態(tài)的串珠狀，長(zhǎng)興組僅局部賦存直徑較小的溶洞。

2）采動(dòng)覆巖中溶洞對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育有著重要的影響，無(wú)溶洞條件下，導(dǎo)水裂隙正常發(fā)育，實(shí)測(cè)最大發(fā)育高度43.1 m，發(fā)育至長(zhǎng)興組中部；溶洞條件下，不同串珠狀溶洞均對(duì)導(dǎo)水裂隙帶有超高發(fā)育的作用，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育異常，其高度可達(dá)173.1 m，與玉龍山段灰?guī)r強(qiáng)含水層溝通。

3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，對(duì)溶洞下導(dǎo)水裂隙超高發(fā)育機(jī)理進(jìn)行了解釋。在采動(dòng)影響下，由采動(dòng)上行裂隙和溶洞失穩(wěn)產(chǎn)生的下行裂隙溝通，最終形成黔西南礦區(qū)特殊的超高導(dǎo)水裂隙通道，并形成了地表水?巖溶洞?采空區(qū)之間水力聯(lián)系的通道。