掌握煤層采動破壞或裂隙發育巖體的自修復特征與規律，是開展高效、低成本礦區生態修復的前提。近日，國家能源投資集團李全生高工聯合中國礦業大學鞠金峰副研究員團隊，以神東補連塔煤礦和大柳塔煤礦為典型試驗區，開展了覆巖不同區域裂隙巖體自修復規律的工程探測與理論研究，揭示了采后覆巖導水裂隙長期自修復過程的演變規律。成果1月4日以《神東礦區采動裂隙巖體自修復特征研究》為題首發于《煤炭科學技術》，這也是《煤炭科學技術》紀念創刊50周年專輯的特約稿件之一。
補連塔煤礦和大柳塔煤礦位于神東礦區的中心地帶，其賦煤條件代表了神東大部分區域的地質特征。研究選取補連塔煤礦12401工作面為試驗區，該工作面曾于2007年7月開展探測，距本次探測已有15年；大柳塔煤礦選取52306工作面為試驗區，該工作面曾于2015年3月開展探測，距本次探測已有7.3年。
補連塔煤礦12401工作面采后 15年覆巖垮裂狀況的鉆探結果
大柳塔煤礦52306工作面探測鉆孔布置圖
兩礦試驗面的工程探測表明，裂隙巖體的自我修復呈現3方面特征：
第一，采動覆巖中發生自修復的區域呈現離散的非連續性分布。這種離散性在開采邊界或采空區煤柱區域附近對應覆巖中較易出現，且自修復時間越短，離散性越明顯。這在大柳塔煤礦和萬利一礦的案例中都得到了體現。萬利一礦42112工作面采后8a在距離開采邊界35m和25m處分別施工了T2-1和T2-2，開采邊界附近T2-2鉆孔探測得到的覆巖自修復區域分布的離散性更明顯。
大柳塔煤礦 52306 工作面采后 7.3年覆巖垮裂狀況的探測結果
第二，采動覆巖中已修復與未修復區域的交界位置一般對應于關鍵層或厚硬巖層位置，尤其是這類巖層底界面位置。補連塔煤礦試驗面D1、D2孔分別在孔深174.4m和179.1m出現未修復區的位置正好處于覆巖主關鍵層底界面附近。而對于大柳塔煤礦試驗面，無論是D1孔還是D2孔，已修復與未修復交界位置均處于關鍵層或厚硬砂巖位置。萬利一礦的探測案例也存在類似的現象。這種現象主要與關鍵層或厚硬巖層采動破斷產生的導水裂隙發育開度偏大有關，尤其在其底界面還易有顯著的離層裂隙發育，導致自修復難度相比其它區域裂隙偏高。
第三，裂隙巖體所處的層位越低，其發生自修復的難度越大，尤其在埋深較淺條件下。相關實測案例顯示，發生自修復的裂隙巖體一般處于導水裂隙帶的中上部區域，處于導水裂隙帶中下部及垮落帶巖體均未能實現有效自修復。這與中下部裂隙巖體堆積不規則、裂隙或自由空洞十分發育密切相關。從鉆孔電視的探測結果就能說明這一問題，在進入探測鉆孔中下段時，圍巖破壞程度明顯偏高，裂隙發育宏觀開度甚至超過厘米級別。
兩礦試驗面探測得到的覆巖自修復特征統計表
裂隙巖體自修復程度的影響因素大體可分為5大類：修復時間、巖層賦存、水文特征、開采參數、以及裂隙巖體所處覆巖的區域位置。
不同條件下采動覆巖自修復過程差異
修復時間主要影響采動覆巖在應力壓實作用下是否能實現穩沉，影響水-巖或水-氣-巖相互作用產生的溶解、溶蝕、以及離子交換生成衍生物的物理化學過程是否充分；顯然，修復時間越長，所達到的自修復效果越好。補連塔煤礦試驗面采后自修復時長約為大柳塔煤礦試驗面的2倍，因而獲得了相對更好的自修復效果。當然，當修復時間超過采空區覆巖穩沉的臨界時間后，應力壓實作用起到的自修復效果將開始衰減，由此導致自修復效果的增長速率可能放緩。
巖層賦存因素主要包括埋深、覆巖關鍵層或厚硬巖層特征(數量、位置、厚度、力學強度等)、巖層巖性等幾方面。其中，埋深直接影響裂隙巖體受壓實的載荷大小，埋深越大，覆巖受壓效果越好(尤其是采區中部)，裂隙巖體自修復難度相應降低。當然，埋深變大也會使得采空區覆巖整體穩沉的臨界時間加長，一定程度制約自修復進程，但神東礦區多數淺埋煤層開采條件，因而這種制約作用表現并不突出。覆巖關鍵層或厚硬巖層賦存特征主要影響開采邊界附近覆巖對應關鍵層或厚硬巖層位置附近裂隙的自修復；這類巖層的厚度越小、破斷距與下部相鄰巖層差異越小，越有利于裂隙的自修復。而對于巖層巖性，松散性或泥質類巖層賦存越多，對應覆巖整體越軟，裂隙巖體越易在應力壓實作用下發生蠕變而壓密裂隙；補連塔煤礦12401試驗面覆巖淺部大量賦存的礫石層即為其裂隙自修復創造了良好條件。同時，泥質類巖石中富含親水礦物的遇水膨脹作用也會進一步提高裂隙修復效果。
水文特征主要涉及采后覆巖導水裂隙溝通地下水的賦存情況及其水質特征。地下水的水質特征直接影響水-巖或水-氣-巖相互作用引起的自修復效果。根據相關研究，偏堿性地下水有利于泥質類裂隙巖層的自修復，而偏酸性地下水則有利于砂巖類裂隙巖層的自修復。神東礦區地下水多屬于偏堿性條件，因而有利于泥質類裂隙巖層的自修復。另一方面，若采后導水裂隙溝通多層含水層，則這些含水層的賦水是否存在相互能發生化學沉淀反應的離子成分，也是影響自修復效果的重要方面。當這些不同層位、不同水質的地下水在導水裂隙中交匯混流時，產生的化學沉淀將有助于促進裂隙的修復進程，實現良好修復效果。
開采參數因素主要是煤層采高的影響，這不僅關系到導水裂帶最終的發育范圍，也影響到裂隙發育后的宏觀開度或其導水性，這種影響主要體現在開采邊界附近覆巖中(該區域導水裂隙處于張開狀態，而采區中部裂隙趨于閉合)，對采區中部覆巖影響并不明顯。顯然，煤層采高越大，對應開采邊界附近覆巖導水裂隙的宏觀開度也相應提高，由此提高裂隙自修復的難度。
裂隙巖體所處覆巖的區域位置主要影響采后導水裂隙和自由空隙的原始發育狀態。處于開采邊界或遺留煤柱附近對應覆巖，裂隙顯著發育，宏觀開度大、空隙分布多；而處于采區中部的壓實區，裂隙相對閉合。相當于在這2種不同的區域，裂隙巖體要實現自修復的初始條件顯著不同，前者初始條件明顯偏差，造成其后期實現自修復的難度高、效果偏低。大柳塔煤礦試驗面雖然歷經的修復時間偏短，但在D1孔對應的工作面中部區，其覆巖仍獲得了自修復率接近50%的良好效果，且與補連塔煤礦試驗面在修復時長是其2倍條件下的效果接近，進一步說明了中部壓實區優越的自修復條件。
研究最后指出，神東礦區煤層賦存多、開采規模大，已有采空區裂隙巖體的自修復不僅受接續煤層開采活化的影響，還會受到鄰近采區或礦井開采活動的干擾，因而實現自修復的難度整體偏高；如何基于大量實測樣本形成神東礦區裂隙巖體自修復臨界條件的判別方法是后期需進一步研究的重要課題。
這項研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目的資金支持。
引用格式：李全生,鞠金峰,許家林,等.神東礦區采動裂隙巖體自修復特征研究[J/OL].煤炭科學技術:1-12[2023-01-05].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2402.TD.20230103.1720.003.html
拓展閱讀：
