李全生团队揭示神东矿区采动裂隙岩体自修复特征及影响因素

　　掌握煤层采动破坏或裂隙发育岩体的自修复特征与规律，是开展高效、低成本矿区生态修复的前提。近日，国家能源投资集团李全生高工联合中国矿业大学鞠金峰副研究员团队，以神东补连塔煤矿和大柳塔煤矿为典型试验区，开展了覆岩不同区域裂隙岩体自修复规律的工程探测与理论研究，揭示了采后覆岩导水裂隙长期自修复过程的演变规律。成果1月4日以《神东矿区采动裂隙岩体自修复特征研究》为题首发于《煤炭科学技术》，这也是《煤炭科学技术》纪念创刊50周年专辑的特约稿件之一。

　　补连塔煤矿和大柳塔煤矿位于神东矿区的中心地带，其赋煤条件代表了神东大部分区域的地质特征。研究选取补连塔煤矿12401工作面为试验区，该工作面曾于2007年7月开展探测，距本次探测已有15年；大柳塔煤矿选取52306工作面为试验区，该工作面曾于2015年3月开展探测，距本次探测已有7.3年。

补连塔煤矿12401工作面采后 15年覆岩垮裂状况的钻探结果

大柳塔煤矿52306工作面探测钻孔布置图

　　两矿试验面的工程探测表明，裂隙岩体的自我修复呈现3方面特征：

　　第一，采动覆岩中发生自修复的区域呈现离散的非连续性分布。这种离散性在开采边界或采空区煤柱区域附近对应覆岩中较易出现，且自修复时间越短，离散性越明显。这在大柳塔煤矿和万利一矿的案例中都得到了体现。万利一矿42112工作面采后8a在距离开采边界35m和25m处分别施工了T2-1和T2-2，开采边界附近T2-2钻孔探测得到的覆岩自修复区域分布的离散性更明显。

大柳塔煤矿 52306 工作面采后 7.3年覆岩垮裂状况的探测结果

　　第二，采动覆岩中已修复与未修复区域的交界位置一般对应于关键层或厚硬岩层位置，尤其是这类岩层底界面位置。补连塔煤矿试验面D1、D2孔分别在孔深174.4m和179.1m出现未修复区的位置正好处于覆岩主关键层底界面附近。而对于大柳塔煤矿试验面，无论是D1孔还是D2孔，已修复与未修复交界位置均处于关键层或厚硬砂岩位置。万利一矿的探测案例也存在类似的现象。这种现象主要与关键层或厚硬岩层采动破断产生的导水裂隙发育开度偏大有关，尤其在其底界面还易有显著的离层裂隙发育，导致自修复难度相比其它区域裂隙偏高。

　　第三，裂隙岩体所处的层位越低，其发生自修复的难度越大，尤其在埋深较浅条件下。相关实测案例显示，发生自修复的裂隙岩体一般处于导水裂隙带的中上部区域，处于导水裂隙带中下部及垮落带岩体均未能实现有效自修复。这与中下部裂隙岩体堆积不规则、裂隙或自由空洞十分发育密切相关。从钻孔电视的探测结果就能说明这一问题，在进入探测钻孔中下段时，围岩破坏程度明显偏高，裂隙发育宏观开度甚至超过厘米级别。

两矿试验面探测得到的覆岩自修复特征统计表

　　裂隙岩体自修复程度的影响因素大体可分为5大类：修复时间、岩层赋存、水文特征、开采参数、以及裂隙岩体所处覆岩的区域位置。

不同条件下采动覆岩自修复过程差异

　　修复时间主要影响采动覆岩在应力压实作用下是否能实现稳沉，影响水-岩或水-气-岩相互作用产生的溶解、溶蚀、以及离子交换生成衍生物的物理化学过程是否充分；显然，修复时间越长，所达到的自修复效果越好。补连塔煤矿试验面采后自修复时长约为大柳塔煤矿试验面的2倍，因而获得了相对更好的自修复效果。当然，当修复时间超过采空区覆岩稳沉的临界时间后，应力压实作用起到的自修复效果将开始衰减，由此导致自修复效果的增长速率可能放缓。

　　岩层赋存因素主要包括埋深、覆岩关键层或厚硬岩层特征(数量、位置、厚度、力学强度等)、岩层岩性等几方面。其中，埋深直接影响裂隙岩体受压实的载荷大小，埋深越大，覆岩受压效果越好(尤其是采区中部)，裂隙岩体自修复难度相应降低。当然，埋深变大也会使得采空区覆岩整体稳沉的临界时间加长，一定程度制约自修复进程，但神东矿区多数浅埋煤层开采条件，因而这种制约作用表现并不突出。覆岩关键层或厚硬岩层赋存特征主要影响开采边界附近覆岩对应关键层或厚硬岩层位置附近裂隙的自修复；这类岩层的厚度越小、破断距与下部相邻岩层差异越小，越有利于裂隙的自修复。而对于岩层岩性，松散性或泥质类岩层赋存越多，对应覆岩整体越软，裂隙岩体越易在应力压实作用下发生蠕变而压密裂隙；补连塔煤矿12401试验面覆岩浅部大量赋存的砾石层即为其裂隙自修复创造了良好条件。同时，泥质类岩石中富含亲水矿物的遇水膨胀作用也会进一步提高裂隙修复效果。

　　水文特征主要涉及采后覆岩导水裂隙沟通地下水的赋存情况及其水质特征。地下水的水质特征直接影响水-岩或水-气-岩相互作用引起的自修复效果。根据相关研究，偏碱性地下水有利于泥质类裂隙岩层的自修复，而偏酸性地下水则有利于砂岩类裂隙岩层的自修复。神东矿区地下水多属于偏碱性条件，因而有利于泥质类裂隙岩层的自修复。另一方面，若采后导水裂隙沟通多层含水层，则这些含水层的赋水是否存在相互能发生化学沉淀反应的离子成分，也是影响自修复效果的重要方面。当这些不同层位、不同水质的地下水在导水裂隙中交汇混流时，产生的化学沉淀将有助于促进裂隙的修复进程，实现良好修复效果。

　　开采参数因素主要是煤层采高的影响，这不仅关系到导水裂带最终的发育范围，也影响到裂隙发育后的宏观开度或其导水性，这种影响主要体现在开采边界附近覆岩中(该区域导水裂隙处于张开状态，而采区中部裂隙趋于闭合)，对采区中部覆岩影响并不明显。显然，煤层采高越大，对应开采边界附近覆岩导水裂隙的宏观开度也相应提高，由此提高裂隙自修复的难度。

　　裂隙岩体所处覆岩的区域位置主要影响采后导水裂隙和自由空隙的原始发育状态。处于开采边界或遗留煤柱附近对应覆岩，裂隙显著发育，宏观开度大、空隙分布多；而处于采区中部的压实区，裂隙相对闭合。相当于在这2种不同的区域，裂隙岩体要实现自修复的初始条件显著不同，前者初始条件明显偏差，造成其后期实现自修复的难度高、效果偏低。大柳塔煤矿试验面虽然历经的修复时间偏短，但在D1孔对应的工作面中部区，其覆岩仍获得了自修复率接近50%的良好效果，且与补连塔煤矿试验面在修复时长是其2倍条件下的效果接近，进一步说明了中部压实区优越的自修复条件。

　　研究最后指出，神东矿区煤层赋存多、开采规模大，已有采空区裂隙岩体的自修复不仅受接续煤层开采活化的影响，还会受到邻近采区或矿井开采活动的干扰，因而实现自修复的难度整体偏高；如何基于大量实测样本形成神东矿区裂隙岩体自修复临界条件的判别方法是后期需进一步研究的重要课题。

　　这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目的资金支持。

引用格式：李全生,鞠金峰,许家林,等.神东矿区采动裂隙岩体自修复特征研究[J/OL].煤炭科学技术:1-12[2023-01-05].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2402.TD.20230103.1720.003.html

拓展阅读：

《煤炭科学技术》专题集