高家堡礦井煤層頂板原生裂縫帶分布

馬 驥 藺成森 王青振

（1.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 713699；2.山東能源淄博礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 淄博 255000）

高家堡礦井位于鄂爾多斯盆地南緣黃隴煤田彬長(zhǎng)礦區(qū)西北部，東西長(zhǎng)為27.15 km，南北寬為13.73 km，占地面積約216 km2，主采煤層為侏羅系延安組4#煤層，平均煤厚約9.5 m，埋深大致在900～1000 m 之間。高家堡礦井于2015 年10 月投產(chǎn)，采用立井開(kāi)拓方式，綜采放頂煤回采工藝[1-5]。

高家堡礦井煤層頂板水害威脅嚴(yán)重，煤層頂板水害威脅與原生裂縫帶的分布及發(fā)育程度密切相關(guān)。工作面在回采過(guò)程中大量出水，涌水量高達(dá)7000 m3/h，大量的涌水致使采掘設(shè)備被淹損壞、工作面減產(chǎn)或停產(chǎn)，嚴(yán)重干擾礦井的安全生產(chǎn)。

1 研究背景

高家堡礦井煤層頂板直接含水層為侏羅系延安組含水層、直羅組含水層、白堊系洛河組下段含水層，富水性弱；間接含水層為白堊系洛河組中上段含水層，富水性強(qiáng)[1-3]。

一盤(pán)區(qū)101 工作面是高家堡礦井首采工作面，工作面范圍煤厚11～14 m，采用綜采放頂煤開(kāi)采工藝，利用產(chǎn)出煤炭資源量反算煤層采高3.5～7.5 m。

前人通過(guò)井下上仰鉆孔注水側(cè)漏法、數(shù)值模擬法、井-地聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)法，綜合探查給出的首采面煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為74～173 m，裂采比為20.19～23.07 倍。結(jié)合高家堡礦井地層分布特征前期研究成果，采前分析認(rèn)為該高度最高僅能波及或溝通至富水性弱的直接含水層白堊系洛河組下段含水層。工作面回采過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重突水水害威脅程度相對(duì)較低[1-2]。

一盤(pán)區(qū)101 首采工作面實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀：工作面回采過(guò)程中煤層頂板發(fā)生嚴(yán)重突水水害，涌水主要來(lái)自富水性強(qiáng)的間接含水層白堊系洛河組中上段含水層，瞬時(shí)流量大，涌水量最高可達(dá)7000 m3/h。說(shuō)明導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度已縱向向上延伸至距煤層頂面250～300 m 的地層范圍，遠(yuǎn)超過(guò)了前期綜合探查給出的74～173 m 范圍。

首采工作面煤層頂板含水層注漿改造堵水減水施工過(guò)程中漿液漏失信息、示蹤劑注入采空區(qū)裂縫連通性試驗(yàn)、錄井及巖芯描述、礦井生產(chǎn)情況證實(shí)：高家堡礦井煤層頂板原生裂縫發(fā)育，縱向上裂縫主要發(fā)育于侏羅系直羅組地層之上各段地層內(nèi)，尤其集中分布于白堊系洛河組中下段地層中。

原生裂縫帶不僅可以作為導(dǎo)水通道直接溝通含水層，還可以影響煤層采空冒落形成的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，導(dǎo)水裂隙帶與原生裂縫帶溝通，勢(shì)必增加導(dǎo)水通道縱向延伸長(zhǎng)度，直接溝通富水性強(qiáng)的間接含水層白堊系洛河組中上段含水層，導(dǎo)致工作面回采過(guò)程中大量出水，引發(fā)突水水害[1-4]。

2 原生裂縫帶預(yù)測(cè)流程

煤層頂板原生裂縫帶主要由區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下巖層破裂變形而產(chǎn)生的裂縫和斷層組成，原生裂縫具有成組分布或與斷層相互伴生分布的特點(diǎn)。

斷層解釋主要以三維地震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)地震剖面上的同相軸錯(cuò)斷、相位變化、地層產(chǎn)狀突變等現(xiàn)象來(lái)識(shí)別，同時(shí)利用一系列輔助手段來(lái)提高斷層解釋和組合的合理性，如地震傾角屬性、曲率、structure、相干、邊緣檢測(cè)屬性等[5]。

原生裂縫帶的預(yù)測(cè)主要是通過(guò)三維地震數(shù)據(jù)，依據(jù)采掘工作面生產(chǎn)及水害治理情況，在精細(xì)構(gòu)造解釋的基礎(chǔ)上，優(yōu)選反映原生裂縫帶特征的地震屬性參數(shù)，采用人機(jī)交互的形式，運(yùn)用多屬性信息融合技術(shù)進(jìn)行原生裂縫帶預(yù)測(cè)。融合后的屬性?xún)H代表裂縫發(fā)育的相對(duì)程度，非絕對(duì)的量，無(wú)單位。原生裂縫帶預(yù)測(cè)流程如圖1。

圖1 原生裂縫帶預(yù)測(cè)流程

參與多屬性信息融合的主要參數(shù)包括：一是與反射面的幾何形態(tài)有關(guān)的屬性，如地震傾角屬性、最大曲率、頻譜能量分析等；二是檢測(cè)地震振幅不連續(xù)性的屬性，如不連續(xù)性檢測(cè)、螞蟻體追蹤等；三是在相干相似性、照明體等屬性分析的基礎(chǔ)上，提出基于地震各向異性表征所進(jìn)行的多屬性融合。

3 原生裂縫帶分布

3.1 分布模式

（1）裂縫分布模式

根據(jù)煤層頂板原生裂縫分布及溝通至富水性強(qiáng)的白堊系洛河組中上段含水層段的位置，將原生裂縫劃分成三種分布模式：上部溝通型（洛河組中-上段）、中部溝通型（洛河組中-下段）、下部溝通型（洛河組中段-煤層）。

下部溝通型溝通能力最強(qiáng)，形成水害威脅程度最為嚴(yán)重；中部溝通型形成水害威脅程度次之。圖2 為下部溝通型和中部溝通型原生裂縫分布模式。

圖2 裂縫分布模式（CR354）

（2）斷層分布模式

根據(jù)斷層在縱向上切割的地層/層位位置，將斷層劃分為四種分布模式：1 類(lèi)斷層切穿延安組煤層至洛河組上段，2 類(lèi)斷層切穿延安組煤層至洛河組中下段，3 類(lèi)斷層主要在洛河組內(nèi)部發(fā)育，4 類(lèi)斷層在煤層下部或洛河組中上段發(fā)育。其中，1 類(lèi)斷層溝通能力最強(qiáng)，形成水害威脅程度最為嚴(yán)重；2 類(lèi)至3 類(lèi)斷層形成水害威脅程度次之，如圖3。

圖3 斷層分布模式（IL294）

（3）原生裂縫帶分布模式

根據(jù)煤層頂板發(fā)育的斷層及裂縫的分布特征，將原生裂縫帶劃分成三種分布模式：裂縫型原生裂縫帶、斷層型原生裂縫帶、雙介質(zhì)型原生裂縫帶。其中，雙介質(zhì)型原生裂縫帶溝通能力強(qiáng)，造成的水害威脅程度最為嚴(yán)重；1 類(lèi)斷層型及下部溝通裂縫型原生裂縫帶形成水害威脅程度次之。圖4 展示了雙介質(zhì)型原生裂縫帶分布模式。

圖4 原生裂縫帶分布模式

3.2 原生裂縫帶分布規(guī)律

基于原生裂縫帶預(yù)測(cè)成果數(shù)據(jù)體，縱向上提取煤層頂至上覆250 m 巖層內(nèi)原生裂縫帶疊合特征，繪制了原生裂縫帶預(yù)測(cè)平面分布圖，預(yù)測(cè)可能發(fā)生突水水害威脅的潛在區(qū)域，如圖5。

圖5 原生裂縫帶預(yù)測(cè)平面圖

研究區(qū)東部工作面呈近北西西向展布的一盤(pán)區(qū)，其東部位于雙介質(zhì)型原生裂縫帶發(fā)育區(qū)。該區(qū)域1 類(lèi)斷層與裂縫發(fā)育且相互伴生疊置，處于發(fā)生突水水害威脅最為嚴(yán)重的潛在區(qū)域。

研究區(qū)中部工作面呈北東向展布的二盤(pán)區(qū)，北部位于雙重介質(zhì)型原生裂縫帶相對(duì)發(fā)育區(qū)，2 類(lèi)斷層較發(fā)育，處于發(fā)生突水水害威脅程度較高的潛在區(qū)域；西南部位于裂縫型原生裂縫帶相對(duì)發(fā)育區(qū)，處于發(fā)生突水水害威脅程度較低的區(qū)域；中部除204 工作面27-2 鉆孔附近原生裂縫較發(fā)育外，其他位置均位于原生裂縫帶發(fā)育程度較低區(qū)，處于發(fā)生突水水害威脅程度極低的區(qū)域。

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

將原生裂縫帶預(yù)測(cè)成果在二盤(pán)區(qū)生產(chǎn)及水害防治工程中進(jìn)行應(yīng)用。

以統(tǒng)計(jì)二盤(pán)區(qū)204 工作面開(kāi)采過(guò)程中涌水情況的測(cè)試結(jié)果為例，開(kāi)展對(duì)基于原生裂縫帶的研究成果提出的工作面回采發(fā)生突水水害威脅潛在區(qū)域的驗(yàn)證。圖6 展示了二盤(pán)區(qū)204 工作面掘進(jìn)前原生裂縫帶分布特征預(yù)測(cè)成果與工作面回采后跟蹤統(tǒng)計(jì)的排水量變化曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

二盤(pán)區(qū)204 工作面原生裂縫帶分布特征預(yù)測(cè)成果提示：工作面推進(jìn)至800～1200 m 區(qū)域，進(jìn)入雙重介質(zhì)型原生裂縫帶分布相對(duì)發(fā)育區(qū)，預(yù)測(cè)處于發(fā)生突水水害威脅程度較高的潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域；工作面推進(jìn)至1200 m 至停采線(xiàn)附近，進(jìn)入下部溝通裂縫型原生裂縫帶分布發(fā)育區(qū)，預(yù)測(cè)處于發(fā)生突水水害威脅程度次之的潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，如圖6。

圖6 原生裂縫帶預(yù)測(cè)剖面與排水量變化曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系

二盤(pán)區(qū)204 工作面回采后跟蹤統(tǒng)計(jì)的排水量曲線(xiàn)變化顯示：工作面回采至800 m 時(shí)，排水量由4000 m3/h 急增至5000 m3/h 以上；工作面回采至800～1200 m 區(qū)域時(shí)，礦井排水量超過(guò)6000 m3/h，甚至達(dá)到7000 m3/h，工作面回采進(jìn)入發(fā)生突水水害威脅最為嚴(yán)重的區(qū)域；工作面回采1200 m 至停采區(qū)域時(shí)，排水量雖然有所下降，但仍超過(guò)5500 m3/h，甚至達(dá)到6000 m3/h，工作面回采進(jìn)入發(fā)生突水水害威脅次之的區(qū)域。

204 工作面回采過(guò)程中排水量的變化驗(yàn)證了采前通過(guò)對(duì)原生裂縫帶預(yù)測(cè)明確指出潛在突水水害高發(fā)區(qū)域的結(jié)論，體現(xiàn)出利用三維地震資料開(kāi)展的原生裂縫帶預(yù)測(cè)成果在礦井生產(chǎn)及水害防治工程中的重要作用。

5 結(jié)論

高家堡礦井煤層頂板原生裂縫帶發(fā)育，煤層頂板原生裂縫帶的分布及發(fā)育程度是影響煤層頂板發(fā)生嚴(yán)重突水水害威脅的重要因素。

雙介質(zhì)型原生裂縫帶分布區(qū)是發(fā)生突水水害威脅程度最為嚴(yán)重的潛在區(qū)域；1 類(lèi)斷層型及下部溝通裂縫型原生裂縫帶分布區(qū)是發(fā)生突水水害威脅程度較高的潛在區(qū)域。