煤层开采后顶板岩层垮塌、断裂，形成导水裂隙带而导通上覆含水层，使得含水层水进入工作面采空区，造成矿井顶板涌水与含水层水位下降，威胁煤矿生产安全并引发矿区水环境的破坏[1]。煤层开采后顶板导水裂隙带的发育高度是顶板水害防治与评价矿区水环境影响的重要参数之一[2]。

彬长矿区是我国顶板水害较为严重的矿区之一，多数矿井的正常矿井涌水量可达1 200 m3/h以上。煤层开采后导水裂隙带发育高度较大，仅5～6 m的煤层采高，其导水裂隙带仍可波及到顶板120 m以上的白垩系洛河组砂岩含水层，造成含水层高强度充水现象；现场实测结果得出的最大裂采比可达40倍以上，在我国其他区域较为罕见。

国内外学者对导水裂隙带发育高度及形态进行了大量研究，主要体现在现场实测、室内模拟试验和经验计算公式分析等3个方面。其中，经验计算公式分析往往基于大量的现场实测与室内试验结果而综合得出；现场实测是以地面钻液漏失量、钻孔窥视、水位观测、钻孔测井、井下双端封堵注水等方法为主[3,4]，同时也采用微震监测[6]、直流电法[7]等多种测试手段；室内试验主要包含有限元/离散元数值模拟、相似材料物理模拟[8]等方法。

在大量导水裂隙带高度实测与综合研究的基础上，诸多研究者提出了可用于分层开采、综放开采和部分矿区的导高经验公式。刘天泉团队在总结大量导高实测成果的基础上，提出了导水裂隙带发育高度的经验计算公式，该公式被《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》采纳[9]；尹尚先[10]等收集国内大量矿井导水裂隙带实测统计数据，并根据覆岩性质将数据分为坚硬、中硬和软弱3大类，构建了基于煤层采高、埋深、倾角、工作面斜长等因素的综采导水裂隙带高度经验计算公式；许延春[11]等采用数理统计回归分析的方法，得出了综放开采工作面顶板中硬、软弱岩层条件下“两带”高度经验计算公式；滕永海[12]对潞安、兖州、淮南和唐平矿区综放开采导高实测成果进行分析，提出了不同顶板条件下的覆岩破坏经验公式。许延春和滕永海提出的公式均被《煤矿防治水手册》采纳，作为综放开采导高计算的推荐经验公式[13]。

但是，由于我国煤层赋存条件多样，顶板覆岩硬度、结构等各不相同，加之各矿区开采条件的差异性，仅以小样本得出的经验公式难以在各个矿区推广应用，采用现有公式计算得出的导水裂隙带高度无法合理解释彬长矿区多种充水形式共存的现象。因此，需要基于彬长矿区大量导水裂隙带高度实测结果，分析区域内煤层开采导水裂隙带发育规律，总结适用于彬长矿区的导高经验计算公式，为区域内水害防治提供指导。

1、研究区概况

彬长矿区位于黄陇煤田西部，行政区划位于陕西省咸阳市(图1)，区域含煤面积1 178.5 km2，资源储量达8.69 Gt，主要开采侏罗纪4煤，煤层采高一般为3～17 m。矿区属于沟间黄土侵蚀地貌，由黄土塬、黄土梁及河谷平川组成，黄土塬面较为平坦，周围有河沟切割，最大海拔高差达400 m以上。

1.1地质条件

矿区位于鄂尔多斯盆地渭北断隆区彬县—黄陵坳褶带[14]，区内多发育宽缓不连续的EW—NE向褶皱，无大型断裂构造。地层由老至新发育有：三叠系上统胡家村组(T3h)；侏罗系下统富县组(J1f)，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)、环河-华池组(K1hn+h)；新近系上新统保德组(N2)；第四系(Q)。

1.2水文地质条件

彬长矿区位于鄂尔多斯盆地泾河-马莲河二级地下水系统下游排泄区，以基岩层状孔隙裂隙承压水为主，第四系孔隙潜水次之[15]。主要含水层有：第四系潜水含水层组(Q)、白垩系洛河组中粗粒碎屑岩含水岩组(K1l)、侏罗系安定、直罗组砂岩裂隙含水岩组(J2a+J2z)、延安组含煤地层砂岩裂隙承压含水岩组。主要隔水层包含：新近系上新统黏土隔水层、白垩系环河-华池组泥岩隔水岩组、白垩系宜君组砾岩隔水层、侏罗系安定组、直罗组、延安组含(隔)水层组、侏罗系富县组相对隔水层、三叠系胡家村组隔水[16]。含隔水层结构及主要参数如图2所示。

1.3矿井开采水害影响情况

彬长矿区现有生产矿井13对，基建矿井1对，主要开采侏罗纪4煤、4上煤，多采用长壁综放开采工艺，工作面长度主要集中在2个范围：下沟煤矿、蒋家河煤矿、亭南煤矿一盘区等为80～110 m；胡家河煤矿、孟村煤矿、文家坡煤矿等多为175～240 m。工作面开采过程中，由于煤层顶板侏罗系含水层富水性极弱，且矿化度较高，矿井高强度涌水基本均由白垩系洛河组含水层充水造成。由于开采参数(采高、工作面长度)的不同，造成位置相邻矿井的充水情况有较大差异。

(1)文家坡煤矿4煤开采涌水情况

文家坡煤矿4101工作面主采4煤，工作面长度为240 m，煤层平均采高为3.8 m。工作面范围内煤层顶板距离K1l含水层199～214 m，平均208 m。工作面开采过程中出现明显的涌水现象，水量呈先增长后衰减趋势。与此同时，工作面周边洛河组含水层水位明显下降(图3)。根据井下水化学测试结果，涌水水源以洛河组含水层水为主。由此表明，4101工作面洛河组含水层水是矿井涌水水源之一。

(2)亭南煤矿一盘区开采充水情况

亭南煤矿113工作面主采4煤，工作面长度为100 m，煤层平均采高为6.5 m。工作面范围内煤层顶板距离K1l含水层160～170 m。开采过程中基本无明显涌水现象，偶尔出水，水量仅为15 m3/h。

综上可知，彬长矿区导水裂隙带发育规律与我国西部部分矿区差异显著，以煤层开采影响含水层实际充水情况进行分析，文家坡煤矿采高3.8 m条件下裂隙带高度可达199 m以上；亭南煤矿一盘区采高6.5 m条件下导水裂隙带高度小于160 m。因此，需综合导水裂隙带高度实测结果、工作面涌水等实际情况，分析导水裂隙带发育规律，为科学评价区域内工作面水害影响提供参考。

2、导水裂隙带发育高度综合实测

2.1全过程综合实测方法

彬长矿区覆岩结构决定了采用地面钻孔进行裂隙带高度实测过程中，洛河组含水层大量涌水将造成部分探测方法在参数观测、图像收集过程中出现较大误差。同时，洛河组为孔隙-裂隙含水层，含水层中原生富水裂隙会对测试结果造成干扰。鉴于洛河组含水层涌水影响现状，结合多年实测经验，笔者提出了“采前背景条件探查、采中水位动态监测、采后综合测试”的煤层开采全过程导水裂隙带高度综合实测方法，具体流程如图4所示。

全过程导水裂隙带高度综合实测方法包含煤层采前、采中和采后多项岩层移动与裂隙带发育指标的动态监测。采前进行地层的背景钻孔冲洗液漏失量、原生裂隙发育和原始标志层位深度探查，并在洛河组含水层上段布设水文动态监测系统；采中动态监测洛河组含水层上段水位变化、井下涌水量变化，并进行采空区涌水水质变化测试；煤层开采2个月后进行开采扰动地层的钻孔冲洗液漏失量观测、钻孔施工过程中钻孔冲洗液高度下降幅度、标志性层位移动、采后覆岩裂隙发育情况探查。

综合实测方法与以往单一探查方法相比，克服了黄陇煤田导高实测过程中干扰因素多的问题，结果更为准确，主要优势有：①采前裂隙发育情况背景条件探查，避免了洛河组含水层原生裂隙对导水裂隙带高度实测的干扰；②采前记录主要标志层位(宜君组砾岩、直罗组七里镇砂岩等)，有利于对比煤层采后主要层位移动变化情况，分析不同地层中离层发育与覆岩移动；③采中动态监测是裂隙带发育影响洛河组含水层的直接验证，达到“探查-验证”一体化的目的；④采后多方法综合探查，最大程度缓解了洛河组含水层涌水造成孔壁淋水而引起的钻孔电视成像效果差、洛河组局部富水区造成钻液漏失量观测干扰等问题，相互验证使得探查精度更高。

2.2现场实测案例

以某煤矿401101工作面导水裂隙带高度实测为例。工作面走向长1 563 m，倾向长180 m，主采侏罗纪4煤，煤层平均厚度23.50 m，埋深539.2～651.9 m，采用分层综采放顶煤开采第一分层，采高10.0～13.6 m，全部垮落法管理顶板，地层及水文地质条件与彬长矿区区域条件一致。

(1)探查钻孔布设。兼顾地面条件、地质条件与“两带”高度探查工程需求，选择在401101工作面布设2个探查钻孔T5和T6，钻孔均位于401101工作面回风巷以内30 m，与开切眼距离分别为270 m和150 m，探查钻孔布设如图5所示。

(2)采前探查工程。工作面采煤前，在工作面施工T5,T6探查钻孔，采用钻孔冲洗液漏失量观测、钻孔彩色电视窥视的方法，探查洛河组地层中原生裂隙发育与展布情况。通过探查可知，在工作面采煤前，煤层顶板白垩系、侏罗系地层钻孔冲洗液漏失量变化较为平稳，整个施工过程中钻孔冲洗液消耗无明显突变，表明煤层覆岩地层在原始状态下较为完整。钻孔施工完毕后，采用钻孔彩色电视窥视也未发现明显的原生裂隙。

(3)采中水文动态监测。采前钻孔施工完毕并完成全部测试工作后，封闭钻孔不同层位并进行洛河组含水层水位动态监测。T5孔封闭钻孔下部，观测洛河组含水层中上段水位；T6孔套管封闭洛河组含水层上部，重点观测洛河组含水层下段水位(图6)。

工作面开采到距离钻孔约100 m时，增加水文动态监测系统的观测频率，观测水位变化和井下工作面涌水量变化情况，并及时采取水样进行测试从而分析涌水来源，T5,T6孔水位与工作面涌水量变化如图7所示

由图7可知，工作面开始涌水后，监测洛河组含水层下段的T6孔水位明显下降，累计下降深度达209.90 m。与此同时，井下涌水量突增，且涌水量和水位变化规律一致。这表明洛河组含水层地下水已是工作面涌水的组成部分，4煤采后顶板导水裂隙带高度达到189 m以上，已直接波及到洛河组含水层。

(4)采后探查工程。工作面开采过钻孔2个月后，在T5孔位置进行探查施工，重点观测冲洗液漏失量和钻孔内水位埋深变化(图8～9)。由图8～9可知，T5孔冲洗液在孔深424 m处出现明显漏失，钻孔水位也在孔深约424 m处出现水位突降，水位埋深由原先的50 m增大至300 m以上。

分别对T5,T6孔进行钻孔彩色电视窥视，结果表明T5孔在埋深418.9 m以下裂隙发育明显，规模较大；T6孔在埋深447.7 m以下区域开始出现明显的裂隙发育。

综合导水裂隙带发育高度全过程实测结果，将各项探查结果进行汇总，见表1。

2.3导水裂隙带高度实测结果汇总

基于煤层开采全过程的导水裂隙带高度综合实测，对彬长矿区多对矿井开展导水裂隙带发育高度实测工作，结合以往井下双端封堵压水测漏方法探查和地面采后钻液漏失量探测，主要实测结果[17]见表2。

由表2可知，不同批次的实测裂隙带高度绝对值有所差异，综合对比分析可以得出彬长矿区导水裂隙带发育规律的一些共性认识：①导水裂隙带高度与采高并非单一线性关系。不同实测和研究成果表明，随着采高的增大裂采比逐渐减小，不能用单一的裂采比进行导水裂隙带高度计算；②导水裂隙带高度与工作面长度有较大关系。如亭南煤矿106工作面长度为116 m，其导水裂隙带高度明显小于该矿的204,206和304工作面。

综上可知，由于同一区域内顶板覆岩结构较为类似，因此彬长矿区煤层开采导水裂隙带高度主要受工作面长度、煤层采高两方面因素综合影响[18]。

3、导水裂隙带高度经验计算公式

综合导水裂隙带发育高度实测结果，彬长矿区煤层开采导水裂隙带发育高度在不同工作面长度下呈现完全不同的变化规律：工作面长度100 m左右时，其导水裂隙带高度较小；工作面长度大于175 m时，其导水裂隙带高度较大，且和煤层采高呈非线性关系。根据相关规律，以现场实测结果为主，对导水裂隙带发育高度与采高之间的关系进行总结，得出不同开采参数时导水裂隙带高度的经验公式。

3.1导水裂隙带高度规律分析

根据彬长矿区主要工作面开采参数，以工作面长度为依据分为小尺寸工作面(工作面长度为80～151 m)和大尺寸工作面(工作面长度为175～240 m)2组，绘制采高与导水裂隙带高度关系散点图(图10)。

由图10可知，在同一采高条件下，工作面长度为80～151 m的小尺寸工作面导水裂隙带高度明显小于175～240 m的大尺寸工作面。因此，进一步将2种不同尺寸的工作面进行分组，分别研究导水裂隙带发育高度的经验计算公式。

3.2大尺寸工作面经验计算公式

彬长矿区现阶段多数矿井采用工作面长度为175～240 m的大尺寸工作面。根据前期数据分析可知，区域内导水裂隙带高度与采高为非线性关系，其裂采比随采高的增大而逐渐减小，即导水裂隙带高度-采高关系曲线的斜率逐渐减小，导水裂隙带高度随着采高的增加增长趋势逐渐减缓。采用对数函数[19]对导水裂隙带高度与采高的关系进行拟合，拟合度R2为0.503 6，如图11所示。

拟合曲线的拟合结果可以满足正常工程实践应用。

采高与导水裂隙带高度的关系式为

式中，Hli为导水裂隙带高度，m;M为煤层采高，m。

进一步对拟合公式的范围与误差进行分析，采用边界线拟合法分析拟合公式的上误差和下误差，边界线及边界拟合公式分析结果如图12所示。

由表3可知，拟合公式的误差在采高较小时相对较大，在采高3 m时，最大误差达73.9 m，约是采高的24.6倍。随着采高的增大误差值逐渐减小，且误差与采高的比值逐渐变小；在采高5.6 m时，最大误差可控制在10倍采高范围之内。采高较小时，误差可能是由覆岩结构差异、开采方式等多因素引起。根据边界误差分析与取值测试结果可得出经验公式的适用条件为

①适用于工作面长度为175～210 m，工作面长度大于210 m时参考使用；

②适用于煤层采高为5.6～18 m，采高3～5.5 m时参考使用；

③适用于综放开采工作面，大采高综采工作面可参考使用。

由于彬长矿区多数区域煤层开采高度为5.6～18 m，因此本文得出的经验公式可适用于彬长矿区多数矿井大尺寸工作面生产过程中导水裂隙带发育高度的确定。

3.3小尺寸工作面经验计算公式

彬长矿区部分矿井仍采用工作面长度为80～150 m的小尺寸工作面，鉴于规律的一致性，同样采用对数函数的非线性关系进行拟合分析，拟合过程及相关趋势线形态如图13所示。根据拟合曲线计算出拟合度R2为0.458 3，基本满足正常工程实践应用。

采高与导水裂隙带高度的关系式为

同样采用边界线拟合法分析拟合公式的上误差和下误差，边界线及边界拟合公式分析结果如图14所示。

由此可知，导水裂隙带高度上边界计算公式为

由表4可知，拟合公式的误差在采高较小时相对较大，在采高为3 m时，最大误差达53.6 m，是采高的17.9倍。随着采高的增大误差值逐渐减小，且误差与采高的比值逐渐变小，在采高为4.1 m时，最大误差可控制在10倍采高范围之内。根据边界误差分析与取值测试结果可得出经验公式的试用条件：

①适用于工作面长度为80～120 m，工作面长度大于120 m时参考使用；

②适用于煤层采高为4.1～10 m，采高3～4 m时参考使用；

③适用于综放开采工作面，大采高综放开采工作面可参考使用。

彬长矿区现阶段小尺寸工作面主要集中于下沟煤矿、蒋家河煤矿和亭南煤矿的一盘区，多数可适用本文提出的经验公式。

4、应用实例

亭南煤矿401工作面是矿井四盘区的首采工作面，工作面长度为200 m，主采延安组4煤，采用综放开采工艺，采高为6 m左右，顶板以中硬岩层为主。工作面地质和水文地质条件与矿区条件一致，主要充水水源为煤层顶板白垩系洛河组含水层，煤层与洛河组含水层间距为140～160 m。

4.1导水裂隙带高度计算对比

分别采用《煤矿防治水手册》推荐的综放开采导水裂隙带高度计算经验公式和本文研究得出的经验公式，评价洛河组含水层是否为工作面充水水源。

《煤矿防治水手册》公式为

由表5可知，采用《煤矿防治水手册》推荐的经验公式，结果显示401工作面开采过程中导水裂隙带不会波及到洛河组含水层，其不作为矿井的直接充水水源。而采用本文的经验公式，结果显示洛河组含水层将成为工作面的充水水源。

4.2工作面开采验证

401工作面开采过程中，正常涌水量达355 m3/h左右。通过井下涌水的水质测试结果表明，井下涌水矿化度为6 716 mg/L，远小于侏罗系含水层矿化度背景值(10 000 mg/L以上)，同时工作面周边洛河组含水层水文孔水位明显下降，表明洛河组含水层直接参与到工作面涌水，其导水裂隙带高度已经波及到洛河组含水层。

根据工作面涌水情况与水质、水位资料综合分析，本文得出的导水裂隙带高度经验公式可以更好地计算彬长矿区煤层顶板导水裂隙带高度，其计算精度高于《煤矿防治水手册》的推荐公式。

5、结论

(1)针对彬长矿区导水裂隙带高度实测受巨厚洛河组砂岩含水层干扰严重的问题，提出了“采前背景条件探查、采中水位动态监测、采后综合测试”的煤层开采全过程导水裂隙带高度综合实测方法，该方法具有抗干扰能力强、综合岩层移动观测等优点，更适用于该区域水文地质条件下的导高实测。

(2)基于彬长矿区大量导水裂隙带高度实测结果，分析得出导水裂隙带发育高度在不同工作面长度下差异明显，导水裂隙带与采高呈非线性增长规律。工作面长度为175～240 m时，计算导水裂隙带高度的经验公式为Hli=80.82 8ln M+34.477；工作面长度为80～151 m时，公式为Hli=61.4 5ln M-16.259。

(3)进一步分析了工作面长度、煤层采高2种适用条件的经验公式，通过对区域内新开采工作面导水裂隙带高度和充水因素的综合分析，得出本文提出的计算导水裂隙带高度的经验公式可以较好地指导工作面充水因素的分析，对彬长矿区及黄陇煤田矿井开采具有较好的指导意义。

参考文献:

[1]董书宁,姬亚东,王皓,等.鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害防控技术与应用[J]煤炭学报, 2020.45(7):2367-2375.

[2]胡小娟,李文平,曹丁涛,等.综采导水裂隐带多因素影响指标研究与高度预计[J]煤炭学报, 2012.37(4).613-620.

[3]程香港,乔伟,李路,等煤层覆岩采动裂隙应力-渗流耦合模型及涌水量预测[J]煤炭学报, 2020,45(8)-2890-2900 .

[4]刘英锋,王世东,王晓董.深埋特厚煤层综放开采覆岩导水裂缝带发育特征[J].煤炭学报, 2014.39(10):1970-1976

[5]李超峰,刘英锋,李抗抗.导水裂隙带高度井下仰孔探测装置改进及应用[J]煤炭科学技术, 2018.46(5): 166-172.

[6]侯恩科,范继超,谢晓深,等基于微震监测的深埋煤层顶板导水裂隙带发育特征[J].煤田地质与勘探, 2020,48(5):89-96.

[7]付宝杰,高明中,涂敏,等组合硬岩层顶板破断规律及导水裂隙带电法探测[J].水文地质工程地质, 2015.42(2): 140-144.

[8]杨达明,郭文兵,赵高博,等厚松散层软弱覆岩下综放开采导水裂隙带发育高度[J].煤炭学报, 2019.411);3308-3316

[9]国家煤炭工业局建筑物､水体､铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社, 2000. .

[10]尹尚先,徐斌,徐慧,等.综采条件下煤层顶板导水裂缝带高度计算研究[J]煤炭科学技术, 2013,41(9):138-142

[11]许延春,李俊成,刘世奇,等综放开采覆岩两带高度的计算公式及适用性分析[J].煤矿开采, 2011.16(2):4-11

[12]滕永海.综放开采导水裂缝带的发育特征与最大高度计算[J].煤炭科学技术, 2011,39()-118-120.

[13]武强,赵苏启,董书宁,等 煤矿防治水手册[M].北京:煤炭工业出版社, 2013.

[14]李彦,等陕甘宁盆地侏罗纪优质煤资源分类与评价[M].北京:地质出版社, 2008.

[15]侯光才鄂尔多斯白垩系盆地地下水系统及其水循环模式研究[D].长春:吉林大学, 2008.

[16]郭小铭,董书宁.深埋煤层开采顶板基岩含水层渗流规律及保水技术[J]煤炭学报, 2019.44(3):804-811

文章来源:郭小铭,刘英锋,谷占兴.彬长矿区煤层开采导水裂隙带高度探测及计算[J].采矿与岩层控制工程学报,2023,5(05):91-100.