采動(dòng)裂隙演化研究進(jìn)展及對(duì)含水層結(jié)構(gòu)影響淺析

胡博文，張冀魯，王振華，齊 浩

(河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心，河北 石家莊 050081)

煤炭資源作為我國(guó)主要的一次消費(fèi)能源，大規(guī)模的開(kāi)采必然會(huì)干擾地區(qū)的原始自然生態(tài)[1]，特別是對(duì)開(kāi)采區(qū)域內(nèi)的生態(tài)和水文環(huán)境產(chǎn)生極為明顯的不可逆影響，嚴(yán)重破壞地下水資源的賦存條件，使本來(lái)就已經(jīng)十分緊張的區(qū)域水資源供需矛盾變得更加尖銳[2]。煤層開(kāi)采會(huì)引起巖層的移動(dòng)與破斷，并在巖層中形成采動(dòng)裂隙，隨著開(kāi)采深度和規(guī)模的逐漸加大，煤層對(duì)于頂?shù)装甯?含)水層的采動(dòng)破壞日益加重，地層骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，地下水初始補(bǔ)徑排條件遭到破壞，地下水逐漸向開(kāi)采狀態(tài)下的地下水流動(dòng)狀態(tài)演變[3]。地下水流場(chǎng)的演變使得原疏干含水層及采礦擾動(dòng)空隙被重新填滿，水化學(xué)環(huán)境發(fā)生明顯變化，原始優(yōu)質(zhì)水源流經(jīng)采礦空隙變?yōu)楸晃廴镜牡V坑水[4-5]。采動(dòng)裂隙的發(fā)育演化過(guò)程對(duì)生態(tài)環(huán)境和周邊含水層結(jié)構(gòu)中的地下水資源的質(zhì)和量均產(chǎn)生重大影響。

當(dāng)煤層開(kāi)采頂?shù)装辶严堵?lián)通性較強(qiáng)形成空隙通道時(shí)，這些通道將會(huì)成為層間水主要儲(chǔ)存及釋放的路徑，在采面推進(jìn)過(guò)程中巖層裂隙里的壓力得到瞬間釋放，導(dǎo)致采面出現(xiàn)較大的采動(dòng)災(zāi)害事故，諸如駱駝山煤礦“3·1”透水事故，王家?guī)X煤礦“3·28”透水事故，祁東煤礦“四含”突水壓架事故[6]，紅柳煤礦大規(guī)模突(涌)水事故[7]，造成一系列嚴(yán)重后果，產(chǎn)成極大的人員和物質(zhì)經(jīng)濟(jì)上的損失。

綜上所述，煤層開(kāi)采引起的采動(dòng)裂隙的形成和演變對(duì)于煤炭開(kāi)采安全以及相鄰含水層地下水演化具有重要研究意義。為提高煤炭資源利用率、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、保護(hù)環(huán)境和人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展,本文以采動(dòng)裂隙切入點(diǎn)，對(duì)采動(dòng)裂隙的研究和演化過(guò)程進(jìn)行歸納和淺析。

1 采動(dòng)裂隙研究綜述

采動(dòng)裂隙按采動(dòng)裂隙的性質(zhì)可以分為：豎向破斷裂隙、巖層層間的離層裂隙和斷層面的活化[8]。貫通的豎向破斷裂隙是地下水與瓦斯穿層流向回采工作面與采空區(qū)的通道；離層裂隙是覆巖軟硬巖層間不同步下沉引起的，可以利用它減緩地表下沉；采動(dòng)斷層活化會(huì)加劇地表沉陷的危害，引發(fā)井下水與瓦斯突出事故[9]?？v觀國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)采動(dòng)裂隙在煤礦開(kāi)采中的一些應(yīng)用研究歷史，對(duì)于采動(dòng)裂隙的研究大致可分為三個(gè)階段。

1)上世紀(jì)70年代以前，采動(dòng)裂隙的研究主要是從巖層移動(dòng)造成的地質(zhì)災(zāi)害出發(fā)，定性分析煤巖層的地質(zhì)環(huán)境條件，進(jìn)而運(yùn)用類比法對(duì)采動(dòng)裂隙的演化進(jìn)行初步估計(jì)。其特點(diǎn)是：(1)以煤巖層賦存條件為主要研究?jī)?nèi)容；(2)研究方法主要為分析和理論提出。Halbaum(1903)將采空區(qū)上方的巖層看做是懸臂梁,導(dǎo)出地表應(yīng)變與曲率成反比的結(jié)論；德國(guó)學(xué)者K．Stoke(1916)提出懸臂梁理論；Fckardt(1913)把巖層移動(dòng)過(guò)程視為各巖層逐漸彎曲的結(jié)論；1940年匈牙利學(xué)者韋格弗倫斯提出的相對(duì)(等效)隔水層的概念[10-12]；英國(guó)礦業(yè)局(1968)頒布了海下采煤條列，對(duì)覆巖的組成、厚度、煤層采厚以及采煤方法等都作了相應(yīng)的具體規(guī)定[13]。該階段煤炭資源開(kāi)采和研究提出大量理論和機(jī)理，奠定了采動(dòng)裂隙研究基礎(chǔ)，但研究處于基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)階段。

2)70年代至00年代，許多礦區(qū)在采動(dòng)裂隙觀測(cè)資料和試驗(yàn)性研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)出采動(dòng)裂隙發(fā)育對(duì)煤層采出厚度、采出冒高、突水等機(jī)理的研究，并以此來(lái)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。如劉天泉等(1981)對(duì)水平煤層、緩傾斜煤層開(kāi)采引起的覆巖破壞與地表移動(dòng)規(guī)律作了深入的研究，提出了導(dǎo)水裂隙帶的概念，減少了煤炭資源損失[14]；許家林等(1997)通過(guò)對(duì)巖層移動(dòng)過(guò)程中的覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育特征及其影響因素進(jìn)行了深入研究，提出了“覆巖離層分區(qū)隔離充填減沉法”和卸壓瓦斯抽放的“O”形圈理論[15]；錢鳴高院士(2003)提出砌體梁理論，認(rèn)為采場(chǎng)上覆巖層主要由各個(gè)堅(jiān)硬巖層構(gòu)成結(jié)構(gòu)，當(dāng)老頂隨著工作面推進(jìn)達(dá)到極限跨距時(shí)斷裂，會(huì)形成外表似梁實(shí)質(zhì)是拱的砌體梁或裂隙體梁三鉸拱式平衡結(jié)構(gòu)[16-17]；黃炳香等(2008)通過(guò)覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙分布特征的模擬實(shí)驗(yàn)提出了采動(dòng)裂隙貫通度的概念，并建立了采動(dòng)裂隙導(dǎo)水的貫通度結(jié)構(gòu)力學(xué)模型[18]。該階段對(duì)于采動(dòng)裂隙的演化開(kāi)展了大量試驗(yàn)和研究，由基礎(chǔ)認(rèn)知轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)理和內(nèi)因的探求過(guò)程，但對(duì)于采動(dòng)裂隙演化研究仍處于經(jīng)驗(yàn)積累階段。

3)00年代至今，專家學(xué)者對(duì)采動(dòng)裂隙的研究主要集中于采動(dòng)裂隙的演化規(guī)律定性的探測(cè)和定量的數(shù)值計(jì)算上。(1)采動(dòng)裂隙探測(cè)研究。目前應(yīng)用較廣泛的采動(dòng)裂隙發(fā)育高度測(cè)定方法有井下上仰鉆孔注水測(cè)漏法、鉆孔沖洗液法、微地震監(jiān)測(cè)等方法；(2)采動(dòng)裂隙演化模擬研究。王國(guó)艷(2012)[19]、王志國(guó)(2009)[20]利用分形幾何理論揭示了采動(dòng)巖體裂隙分維演化規(guī)律和巖層沉降的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律；張玉軍、白國(guó)良[21-23]等都對(duì)采動(dòng)裂隙演化模型進(jìn)行了相關(guān)分析研究，其中張玉軍等人對(duì)裂隙演化形態(tài)做了模擬研究；三是采動(dòng)裂隙演化規(guī)律的定量描述。尹尚先等(2013)通過(guò)收集國(guó)內(nèi)大量實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，充分考慮開(kāi)采厚度、開(kāi)采深度、煤層傾角、工作面斜長(zhǎng)的影響，進(jìn)行整合分析，優(yōu)選出綜采條件下較為精確的導(dǎo)水裂縫帶的高度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，可定量描述工程導(dǎo)水裂縫發(fā)育情況[24]；李春睿等(2010)通過(guò)室內(nèi)相似材料模擬實(shí)驗(yàn),提出了應(yīng)用“雙重分形”理論揭示了采場(chǎng)覆巖裂隙的萌生、擴(kuò)展、貫通的過(guò)程。該階段通過(guò)定性和定量的分析對(duì)于采動(dòng)裂隙的研究已逐漸趨于成熟，但對(duì)于導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的研究多以模型和探測(cè)手段為主，真正從導(dǎo)水裂隙帶形成機(jī)理角度的分析研究仍相對(duì)缺乏[25]。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界針對(duì)煤層采動(dòng)頂板導(dǎo)水裂隙發(fā)育機(jī)理，以及采動(dòng)裂隙演化對(duì)含水層結(jié)構(gòu)的影響已開(kāi)展一些研究，但研究工作仍不夠系統(tǒng)、不夠深入，研究成果仍難以滿足工程實(shí)際需求，煤層采動(dòng)裂隙演變研究仍是未來(lái)煤炭安全開(kāi)發(fā)利用的研究重點(diǎn)。

2 采動(dòng)裂隙探測(cè)方法淺述

煤層開(kāi)采引起采動(dòng)裂隙發(fā)育高度是構(gòu)成煤礦頂板突水透水的關(guān)鍵因素之一[26]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于確定煤層采動(dòng)裂隙發(fā)育高度常用探測(cè)方法主要有：鉆孔沖洗液法、鉆孔電視法、鉆孔深部基點(diǎn)法、井下上仰鉆孔注水測(cè)漏法、微地震監(jiān)測(cè)、微電阻率掃描等方法[27]。傳統(tǒng)方法是鉆孔沖洗液法，其原理是利用采后地面打到煤層中的鉆孔在各孔段沖洗液的消耗量，來(lái)近似確定導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育上界[28]，但在實(shí)際操作中，存在技術(shù)要求高，僅對(duì)中硬以上覆巖具有較好適應(yīng)性，成孔費(fèi)用過(guò)高工程周期長(zhǎng)等問(wèn)題，技術(shù)的應(yīng)用受到極大限制，難以進(jìn)行大范圍推廣。近些年井下上仰鉆孔注水測(cè)漏法、微地震監(jiān)測(cè)和微電阻率掃描法可以較好擺脫鉆孔開(kāi)鑿耗工耗時(shí)的限制，更便于應(yīng)用和推廣。

2.1 井下上仰鉆孔注水測(cè)漏法

井下上仰孔注水測(cè)漏法實(shí)質(zhì)是向工作面內(nèi)斜上方打小口徑仰斜鉆孔，鉆孔穿過(guò)預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂縫帶范圍，并超過(guò)預(yù)計(jì)頂界一定高度，采用鉆孔雙端封堵測(cè)漏裝置，向測(cè)試段注水并計(jì)算單位時(shí)間單位長(zhǎng)度地層的漏失水量，漏失量的大小反映了測(cè)試段巖石裂隙的發(fā)育程度，以此來(lái)綜合判定覆巖破壞規(guī)律和采動(dòng)裂隙發(fā)育高度[27]。

井下上仰孔注水測(cè)漏法工程速度快，時(shí)間短，費(fèi)用低，觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠，占地面積小，能避免地面施工占地及青苗補(bǔ)償?shù)嚷闊子谕茝V在采動(dòng)裂隙發(fā)育高度探測(cè)中廣泛應(yīng)用。

李文生、李文等(2012)采用井下仰鉆孔注水測(cè)漏法實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙高度，并結(jié)合FLAC3D軟件對(duì)巖移規(guī)律的數(shù)值模擬，成功探查了礦區(qū)工作面覆巖冒裂帶的高度[29]；李超峰、劉英峰等(2018)對(duì)井下仰孔探測(cè)裝置進(jìn)行改進(jìn)，消除安全隱患，提升了裝置的適用性，改進(jìn)后井下仰孔探測(cè)裝置可靠性更高，適用性廣，可更廣泛應(yīng)用于煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶高度探測(cè)[30]；種陽(yáng)、張杰等(2020)通過(guò)井下仰孔注水測(cè)漏法實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度，結(jié)合模擬方法得到煤層導(dǎo)水裂隙帶分布，并通過(guò)線性擬合建立該地區(qū)同類條件煤層導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)體系，具有推廣價(jià)值[31]。

2.2 微地震監(jiān)測(cè)法

微震監(jiān)測(cè)是近年來(lái)應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)中的一種新技術(shù)，直接對(duì)破裂點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)反演計(jì)算和定位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)水通道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其原理是在井下及地面等布置檢波器接收采煤時(shí)覆巖破壞與變形產(chǎn)生或誘導(dǎo)的微小地震事件，并反演獲取微地震震源位置等參數(shù)，結(jié)合覆巖不同深度微震事件發(fā)生的位置、個(gè)數(shù)等信息研究煤層頂板“兩帶”發(fā)育高度[32]。

微地震是巖石材料變形、裂紋開(kāi)裂及擴(kuò)展過(guò)程中的伴生現(xiàn)象，微地震信號(hào)中包含有大量關(guān)于圍巖受力破壞以及地質(zhì)缺陷活化過(guò)程的實(shí)時(shí)信息，利用波形頻譜圖下的振幅、拐角頻率以及巖層性質(zhì)等可以對(duì)震源參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，據(jù)此可以得到巖石斷裂的時(shí)空信息和強(qiáng)度信息，進(jìn)而獲得巖石的微觀和宏觀破壞特征[27]。微震事件監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、立體監(jiān)測(cè)煤層采動(dòng)裂隙發(fā)育的重要技術(shù)方法，尤其在定位災(zāi)害性導(dǎo)水通道方面具備獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

鄧志剛、李國(guó)宏等(2012)應(yīng)用微震分析法對(duì)工作面導(dǎo)水裂縫帶高度進(jìn)行研究，根據(jù)微震事件分布規(guī)律確定了工作面導(dǎo)水裂縫帶高度[34]；叢森、程建遠(yuǎn)等(2017)基于井-地聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的監(jiān)測(cè)成果,分析了微震事件的空間分布特征和在垂直方向的數(shù)量特征，表明井-地聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)具有較高的定位精度[35];靳德武、段建華等(2021)結(jié)合微震監(jiān)測(cè)原理，提出基于微震能量密度及巖層破裂連通度反演導(dǎo)水通道的識(shí)別方法，為推動(dòng)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在底板水害防治中的應(yīng)用提供了一條新途徑[33]。

2.3 微電阻率掃描成像法

微電阻率掃描成像法原理是基于不同巖樣在充水條件下應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)屉娮杪实淖兓?，給出在采動(dòng)過(guò)程中煤層底板巖層產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙時(shí)的導(dǎo)電性變化規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)建立采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶動(dòng)態(tài)演化地電模型。利用三維電法正演軟件對(duì)此地電模型進(jìn)行正演數(shù)值模擬，得出煤層底板導(dǎo)水裂隙演化過(guò)程中的視電阻率響應(yīng)特征[36]。

李濤，馮海等(2016)為評(píng)價(jià)煤炭開(kāi)采度對(duì)含水層下伏采動(dòng)土層的影響，采用微電阻率掃描成像測(cè)井進(jìn)行探測(cè)，成功揭示了煤炭開(kāi)采導(dǎo)水裂隙在土層中的發(fā)育規(guī)律[37]；王蘇健，陳通等(2017)在分析張家峁煤礦土層基本特征的基礎(chǔ)上,成功采用微電阻率掃描成像測(cè)井技術(shù)對(duì)張家峁煤礦煤層采空區(qū)上覆土層中裂隙帶發(fā)育情況進(jìn)行了探測(cè)[38],探測(cè)效果良好。

3 采動(dòng)作用煤礦地下水演變淺析

采煤過(guò)程中，圍巖破壞使隔水層與含水層骨架發(fā)生變化，初始地下水補(bǔ)徑排條件被破壞，大量礦井水的疏排，導(dǎo)致地下水流場(chǎng)向采煤狀態(tài)下的地下水循環(huán)模式演變，當(dāng)采動(dòng)裂隙發(fā)育高度波及上覆含水層時(shí)可導(dǎo)通含水層,導(dǎo)致地下水位急劇降低,產(chǎn)生降落漏斗。采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度-含(隔)水層結(jié)構(gòu)破壞-地下水位下降-地下水流場(chǎng)變化等一系列礦井水文地質(zhì)過(guò)程和機(jī)理的研究對(duì)于礦區(qū)的開(kāi)采安全和可持續(xù)至關(guān)重要[39-40]，也是礦區(qū)安全開(kāi)采研究的熱點(diǎn)。

近年來(lái)，由于礦區(qū)安全問(wèn)題的頻發(fā)，覆巖下地下水流場(chǎng)的變化作為主導(dǎo)因素之一，受到專家學(xué)者的關(guān)注，基于公式計(jì)算，理論分析和數(shù)值模擬等多種方法，開(kāi)展采動(dòng)條件下采動(dòng)裂隙發(fā)育特征和地下水演變特征的研究。

陳社明，王威等(2015)在查明地區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，利用Visual Modflow軟件構(gòu)建地下水水流模型，進(jìn)行礦山開(kāi)采過(guò)程中不同含水層水位變化特征的預(yù)報(bào)，結(jié)果表明，礦山開(kāi)采過(guò)程中臨近含水層水位均出現(xiàn)明顯下降[41]。

代鋒剛，張發(fā)旺等(2017)以山西潞安礦區(qū)為研究對(duì)象，結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬對(duì)群礦開(kāi)采條件下含水層結(jié)構(gòu)變異對(duì)區(qū)域地下水循環(huán)機(jī)制影響開(kāi)展深入研究，揭示群礦采煤驅(qū)動(dòng)下地下水循環(huán)演變特征和地下水資源再分布規(guī)律。

柳寧，趙曉光等(2019)通過(guò)公式估算法、瞬變電磁法和GMS地下水?dāng)?shù)值模擬法，對(duì)榆神府地區(qū)煤炭開(kāi)采不同開(kāi)采階段下，覆層含水性和地下水流場(chǎng)的演變進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)煤炭開(kāi)采會(huì)引起地下水水位下降，覆巖含水性降低，引起含水滲漏，最終改變?cè)嫉叵滤鲌?chǎng)，形成地下水降落漏斗。

張耀文，張莉麗等(2021)以梨園河煤礦為例，在分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合采動(dòng)裂隙對(duì)含水層結(jié)構(gòu)的破壞程度，采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)煤礦多年開(kāi)采下，不同含水層地下水流場(chǎng)動(dòng)態(tài)特征，碎屑巖類裂隙含水層相比松散巖類孔隙含水層受礦井排水影響，地下水位大幅降低，地下水流場(chǎng)變化更為明顯。

礦區(qū)煤層的采動(dòng)會(huì)對(duì)臨近含(隔)水層得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而引起地下水流場(chǎng)的變化，對(duì)礦區(qū)開(kāi)采安全產(chǎn)生威脅，煤層采動(dòng)下含水層結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，仍將會(huì)是煤炭開(kāi)采中的水災(zāi)害防治，水資源合理開(kāi)發(fā)和高效利用的關(guān)鍵研究環(huán)節(jié)。

4 未來(lái)研究趨勢(shì)

針對(duì)新的采動(dòng)裂隙演化對(duì)含水層結(jié)構(gòu)的影響和出現(xiàn)的新問(wèn)題,認(rèn)為采動(dòng)裂隙演化新的研究思路和方向還應(yīng)包括以下幾方面:

(1)由于對(duì)巖層內(nèi)部移動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程難以清楚地了解，因而難以掌握巖層采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律，所以在動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律方面還有待進(jìn)一步研究。

(2)從可持續(xù)發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟(jì)及綠色開(kāi)采的戰(zhàn)略高度來(lái)認(rèn)識(shí),未來(lái)的水資源將成為緊缺資源，應(yīng)盡早研究和實(shí)施保水采煤戰(zhàn)略、水資源合理開(kāi)發(fā)和高效利用、煤炭開(kāi)采中的水災(zāi)害防治等多重內(nèi)容。

(3)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源也越來(lái)越成為很關(guān)鍵的制約因素，所以礦床開(kāi)采后水資源的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律也需要投入更多的研究，其中包括采動(dòng)裂隙影響下的水的動(dòng)態(tài)變化情況、水資源量的變化情況等。

(4)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的確定對(duì)于保證礦區(qū)的安全生產(chǎn)和地下水開(kāi)發(fā)利用具有重要意義，現(xiàn)今對(duì)于導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的探究以模型和公式的預(yù)測(cè)和多方法裂隙探測(cè)為主，結(jié)果直接應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，但真正從導(dǎo)水裂隙帶形成機(jī)理的角度的進(jìn)行研究，以及形成演化機(jī)理框架的構(gòu)建，系統(tǒng)的梳理歸納仍相對(duì)貧乏。因此，從機(jī)理角度研究采動(dòng)裂隙影響下的導(dǎo)水裂隙高度的預(yù)計(jì)新方法具有十分重要的理論與實(shí)用價(jià)值。