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摘要：为判定母杜柴登井田工作面回采顶板导水裂缝带发育高度，运用采前、采后两个探查孔实测钻探数据及FLAC3D数值模拟软件对导水裂缝带高度进行综合分析，为确保安全生产，判定导水裂缝带发育高度最大为135m。
关键词：导水裂缝带;沙漠-半沙漠;数值模拟
引言
沙漠-半沙漠地区煤层采动对地表植被以及生态环境破坏问题长期以来备受关注。毛乌素沙地生态系统的脆弱性以及破坏后难以治理的区域生态系统伴随着煤炭资源开采的全过程，煤层回采导致的地面沉陷及开采扰动过程中产生的裂隙带对潜水含水层造成破坏，保护水资源、达到水煤共采，将开采对环境破坏降低到最低程度是煤炭生产建设过程中应解决的主要问题[1]。
煤层回采过程中，原岩应力平衡状态发生改变，顶板发生垮落、断裂等非连续变形以致失稳，导水裂缝带发育高度的精确探测对防水煤岩柱的留设以及为后期控制采煤沉陷所利用的覆岩离层注浆充填提供可靠的依据。针对导水裂缝带发育高度探查国内学者做了大量的应用研究。赵秋阳[2]等对近距离煤层导水裂缝带通过分级转换压力完成单水源胶囊胀封及探测充水一体化;栾元重[3]等运用多回路注水系统对基准孔、采后孔数据观测的方法确定导水裂缝带高度值;王洋[4]通过井下彩色电视系统及钻孔冲洗液漏失量综合成果获取采后不同时间段覆岩破坏裂缝发育高度;李洋[5]等采用瞬变电磁法通过改变倾角对巷道指向方向进行探测，建立工作面顶板视电阻率三维数据体对含水层裂缝进行研究;宋永[6]等利用屏蔽系数、实测场强数据得到隐伏导水裂缝带所在位置，通过正交电磁场分量计算分析裂缝发育情况。本文以母杜柴登井田为例，利用现场综合探查以及数值模拟方法对工作面顶面导水裂缝带发育高度进行研究，可以为煤矿安全开采提供有力保障。
1 研究区概况
母杜柴登井田具典型的风积沙漠～半沙漠地貌特征，地表被第四系风积沙所覆盖，属干旱温带高原沙漠气候，风多雨少。构造特征呈向北北西倾的单斜构造，倾角约1°-6°，局部有波状起伏，研究区以正断层为主。井田含煤地层为侏罗系中统延安组，含煤岩系由陆源碎屑岩组成的陆相沉积地层。井田内主要含水层为第四系全新统风积砂层松散潜水含水层、白垩系下统志丹群裂隙潜水-承压含水层、侏罗系中统直罗组及中下统延安裂隙承压含水层。
2 导水裂缝带高度综合探测
2.1 泥浆消耗量
探查设计采前基准孔TC1和采后导水裂隙带高度探测孔TC2，其中TC1孔见2-2煤、TC2孔未见煤层。采前孔TC1钻进过程中正常消耗，故主要对采后孔TC2消耗泥浆量进行分析（见图1）。
由图1可知，泥浆消耗量随钻进深度逐渐增大。钻至286.64～290.55m时，冲洗液漏失量为6.6m3/h，在堵漏后正常钻进;钻至415.19m，漏失量由0.12m3/h增大至1.44m3/h;孔深461.97～464.91m处全泵量漏失9.6m3/h，堵漏后接着钻进;至474m处开始全漏失，裂隙发育明显，之后加封堵材料钻进至536.7m处。
2.2 孔内水位
钻孔孔深264.78～271.13m、398.49～406.89m处水位出现下降;至473.79～477.12m时，水位由61m降至258.4m，孔深474m进行堵漏;孔深519.44～536.7m，水位由69.5m下降至146.9～160.3m，其中474m～536.7m进行堵漏钻进;孔深546.26～551m处水位由185.4m突然下降至389.4m。
2.3 岩芯完整性
孔深510m地层岩性为中粒砂岩，观察岩芯可知，岩芯次生裂隙较上部发育，RQD值下降明显。孔深549～551m处首次出现掉钻现象，至560.05～564.83m处再次出现掉钻，证明549m孔深处已进入导水裂缝带。
综上，根据岩芯完整度、孔内水位、泥浆消耗量出现急剧变化，以及钻进过程中掉钻等现象，判定导水裂缝带最大发育高度在510m左右。3-1煤层顶板埋深在645m，则导水裂缝带最大高度为135m。
3 FLAC3D數值模拟计算
基于母杜柴登地质资料及勘探成果，按照钻孔地层建立采场整体模型及地层模型（图2、3所示）。模型前后和左右边界施加水平约束，即X、Y方向均固定（水平位移为0）;Z方向为自由边界，即模型上边界为自由边界。采场位于该区域的中部，两端各留250m保安煤柱，单步开采50m，划分为20个开采步骤，计算前10个开采步骤，即开采推进距离500m。
结合实际开采现状，首先对30201工作面进行回采并达到应力平衡状态，再对30202工作面进行分布回采，模拟结果如图4-图7所示。
根据回采不同步距的塑性破坏区域可以看出，随工作面沿走向方向推进，工作面上方同时发生拉伸和剪切破坏，整体呈现不明显的“马鞍”形。随开采不断推进，塑性破坏区向上发展，当工作面回采至250m时，破坏达120m，且随着推进距离变化不在向上贯通，因此，判断导水裂缝带最大发育高度为120m。
4 结论
（1）根据采前、采后探查孔实测数据，泥浆量在孔深474m开始全漏失，裂隙发育明显;在546.26～551m，水位下降较快，该段地层漏失明显;孔深549m处开始出现连续掉钻现象，说明此处已进入导水裂缝带。
（2）采用FLAC3D数值模拟对煤层回采过程塑性区变化情况观察可知，回采至250m处，导水裂缝带发育高度达最大120m，且随工作面继续向前推进导水裂缝带不再发生变化。综合分析钻探实测数据以及数值模拟结果，出于安全考虑，判定导水裂缝带发育高度最大为135m。
参考文献
[1]田凤云，李晓红.内蒙古毛乌素沙漠地区煤矿开采对生态环境的影响[J].煤炭工程，2010（11）：87-88.
[2]赵秋阳，樊振丽，张风达，于秋鸽.单水源分级多压式井下导高探测系统的研发与应用[J].煤炭工程，2021，53（06）：147-151.
[3]栾元重，于水，胡军伟，郭传超，史耀凡，岳光波.充填开采覆岩导水裂缝带高度发育规律研究[J].金属矿山，2021（06）：216-220.
[4]王洋.综采一次采全高覆岩导水裂缝带高度综合探测及其演化分析[J].能源与环保，2021，43（05）：132-137.
[5]李洋，王金平，魏启明.瞬变电磁法在井下工作面顶板导水裂缝探测中的应用[J].煤田地质与勘探，2018，46（S1）：66-71.
[6]宋永，覃觅觅.电磁精细探测法在隐伏型导水地质裂缝勘探中的应用[J].水利水电技术，2020，51（02）：184-191.
作者简介：陈宗念（1979年-），男，江苏沛县人，高级工程师，江苏煤炭地质勘探二队工程技术研究院院长，从事煤矿防治水、煤矿固废处理、地质勘查。
关键词：导水裂缝带;沙漠-半沙漠;数值模拟
引言
沙漠-半沙漠地区煤层采动对地表植被以及生态环境破坏问题长期以来备受关注。毛乌素沙地生态系统的脆弱性以及破坏后难以治理的区域生态系统伴随着煤炭资源开采的全过程，煤层回采导致的地面沉陷及开采扰动过程中产生的裂隙带对潜水含水层造成破坏，保护水资源、达到水煤共采，将开采对环境破坏降低到最低程度是煤炭生产建设过程中应解决的主要问题[1]。
煤层回采过程中，原岩应力平衡状态发生改变，顶板发生垮落、断裂等非连续变形以致失稳，导水裂缝带发育高度的精确探测对防水煤岩柱的留设以及为后期控制采煤沉陷所利用的覆岩离层注浆充填提供可靠的依据。针对导水裂缝带发育高度探查国内学者做了大量的应用研究。赵秋阳[2]等对近距离煤层导水裂缝带通过分级转换压力完成单水源胶囊胀封及探测充水一体化;栾元重[3]等运用多回路注水系统对基准孔、采后孔数据观测的方法确定导水裂缝带高度值;王洋[4]通过井下彩色电视系统及钻孔冲洗液漏失量综合成果获取采后不同时间段覆岩破坏裂缝发育高度;李洋[5]等采用瞬变电磁法通过改变倾角对巷道指向方向进行探测，建立工作面顶板视电阻率三维数据体对含水层裂缝进行研究;宋永[6]等利用屏蔽系数、实测场强数据得到隐伏导水裂缝带所在位置，通过正交电磁场分量计算分析裂缝发育情况。本文以母杜柴登井田为例，利用现场综合探查以及数值模拟方法对工作面顶面导水裂缝带发育高度进行研究，可以为煤矿安全开采提供有力保障。
1 研究区概况
母杜柴登井田具典型的风积沙漠～半沙漠地貌特征，地表被第四系风积沙所覆盖，属干旱温带高原沙漠气候，风多雨少。构造特征呈向北北西倾的单斜构造，倾角约1°-6°，局部有波状起伏，研究区以正断层为主。井田含煤地层为侏罗系中统延安组，含煤岩系由陆源碎屑岩组成的陆相沉积地层。井田内主要含水层为第四系全新统风积砂层松散潜水含水层、白垩系下统志丹群裂隙潜水-承压含水层、侏罗系中统直罗组及中下统延安裂隙承压含水层。
2 导水裂缝带高度综合探测
2.1 泥浆消耗量
探查设计采前基准孔TC1和采后导水裂隙带高度探测孔TC2，其中TC1孔见2-2煤、TC2孔未见煤层。采前孔TC1钻进过程中正常消耗，故主要对采后孔TC2消耗泥浆量进行分析（见图1）。
由图1可知，泥浆消耗量随钻进深度逐渐增大。钻至286.64～290.55m时，冲洗液漏失量为6.6m3/h，在堵漏后正常钻进;钻至415.19m，漏失量由0.12m3/h增大至1.44m3/h;孔深461.97～464.91m处全泵量漏失9.6m3/h，堵漏后接着钻进;至474m处开始全漏失，裂隙发育明显，之后加封堵材料钻进至536.7m处。
2.2 孔内水位
钻孔孔深264.78～271.13m、398.49～406.89m处水位出现下降;至473.79～477.12m时，水位由61m降至258.4m，孔深474m进行堵漏;孔深519.44～536.7m，水位由69.5m下降至146.9～160.3m，其中474m～536.7m进行堵漏钻进;孔深546.26～551m处水位由185.4m突然下降至389.4m。
2.3 岩芯完整性
孔深510m地层岩性为中粒砂岩，观察岩芯可知，岩芯次生裂隙较上部发育，RQD值下降明显。孔深549～551m处首次出现掉钻现象，至560.05～564.83m处再次出现掉钻，证明549m孔深处已进入导水裂缝带。
综上，根据岩芯完整度、孔内水位、泥浆消耗量出现急剧变化，以及钻进过程中掉钻等现象，判定导水裂缝带最大发育高度在510m左右。3-1煤层顶板埋深在645m，则导水裂缝带最大高度为135m。
3 FLAC3D數值模拟计算
基于母杜柴登地质资料及勘探成果，按照钻孔地层建立采场整体模型及地层模型（图2、3所示）。模型前后和左右边界施加水平约束，即X、Y方向均固定（水平位移为0）;Z方向为自由边界，即模型上边界为自由边界。采场位于该区域的中部，两端各留250m保安煤柱，单步开采50m，划分为20个开采步骤，计算前10个开采步骤，即开采推进距离500m。
结合实际开采现状，首先对30201工作面进行回采并达到应力平衡状态，再对30202工作面进行分布回采，模拟结果如图4-图7所示。
根据回采不同步距的塑性破坏区域可以看出，随工作面沿走向方向推进，工作面上方同时发生拉伸和剪切破坏，整体呈现不明显的“马鞍”形。随开采不断推进，塑性破坏区向上发展，当工作面回采至250m时，破坏达120m，且随着推进距离变化不在向上贯通，因此，判断导水裂缝带最大发育高度为120m。
4 结论
（1）根据采前、采后探查孔实测数据，泥浆量在孔深474m开始全漏失，裂隙发育明显;在546.26～551m，水位下降较快，该段地层漏失明显;孔深549m处开始出现连续掉钻现象，说明此处已进入导水裂缝带。
（2）采用FLAC3D数值模拟对煤层回采过程塑性区变化情况观察可知，回采至250m处，导水裂缝带发育高度达最大120m，且随工作面继续向前推进导水裂缝带不再发生变化。综合分析钻探实测数据以及数值模拟结果，出于安全考虑，判定导水裂缝带发育高度最大为135m。
参考文献
[1]田凤云，李晓红.内蒙古毛乌素沙漠地区煤矿开采对生态环境的影响[J].煤炭工程，2010（11）：87-88.
[2]赵秋阳，樊振丽，张风达，于秋鸽.单水源分级多压式井下导高探测系统的研发与应用[J].煤炭工程，2021，53（06）：147-151.
[3]栾元重，于水，胡军伟，郭传超，史耀凡，岳光波.充填开采覆岩导水裂缝带高度发育规律研究[J].金属矿山，2021（06）：216-220.
[4]王洋.综采一次采全高覆岩导水裂缝带高度综合探测及其演化分析[J].能源与环保，2021，43（05）：132-137.
[5]李洋，王金平，魏启明.瞬变电磁法在井下工作面顶板导水裂缝探测中的应用[J].煤田地质与勘探，2018，46（S1）：66-71.
[6]宋永，覃觅觅.电磁精细探测法在隐伏型导水地质裂缝勘探中的应用[J].水利水电技术，2020，51（02）：184-191.
作者简介：陈宗念（1979年-），男，江苏沛县人，高级工程师，江苏煤炭地质勘探二队工程技术研究院院长，从事煤矿防治水、煤矿固废处理、地质勘查。