北汭河下導(dǎo)水裂隙帶高度與防水煤柱厚度的計算研究

楊興春+王甲偉

摘 要：水體下開采煤層的防水安全性問題主要取決于導(dǎo)水裂隙帶高度的確定，通過變形分析法與經(jīng)驗公式法分別計算出導(dǎo)水裂隙帶高度，從而計算出防水煤柱厚度。計算結(jié)果為陳家溝煤礦3204工作面水體下安全開采提供了理論依據(jù)，也為同類地質(zhì)采礦條件下的覆巖導(dǎo)水裂縫帶計算和防水煤柱厚度計算提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變形分析法；經(jīng)驗公式法；導(dǎo)水裂隙帶高度；防水煤柱厚度

3204工作面位于陳家溝煤礦+1050m水平以下的三采區(qū)西翼第二區(qū)段，東端與三采區(qū)三條下山保護煤柱相鄰，西端與采區(qū)邊界保護煤柱相鄰。煤質(zhì)為煤5層，地面標高1519米至1590米，工作面標高977米至1011米，地面位置橫穿小陰溝，謝家溝，唐家洼，狼溝，狼溝嘴等地段，地面無民房及建筑物。本工作面屬于大型復(fù)合水體下開采，上覆巖層及地表水體，既有地表北河水體，也有上第三系甘肅群中下部含水層（Ngn），其主要分布在井田北部的北 河河谷之下，由灰白色、淺棕紅色砂礫巖組成。為了獲得導(dǎo)水裂隙帶高度及防水煤柱留設(shè)厚度，通過變形分析法和經(jīng)驗公式法理論計算，為3204工作面水體下安全開采提供可靠的理論及技術(shù)依據(jù)。

1 確定導(dǎo)水裂隙帶高度

由于煤層開采結(jié)束后導(dǎo)水裂隙帶的高度是開采尺寸、巖層巖性、地層力學(xué)結(jié)構(gòu)及特征煤層賦存條件等因素共同作用的結(jié)果，其中開采尺寸和上覆巖層的巖性是影響應(yīng)力傳遞、釋放和重新分布的決定性因素，所以從力學(xué)角度可計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度。又因為可獲得實際多個綜放工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度實測值，通過數(shù)學(xué)方法分析，利用經(jīng)驗公式也能計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度。

1.1 變形分析法確定導(dǎo)水裂隙帶高度

本次計算3204工作面導(dǎo)水裂隙帶高度以37勘探線的3703鉆孔資料為計算基礎(chǔ)，列出該計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（表1）。

1.1.1 覆巖載荷計算

用固支梁力學(xué)模型來分析水平拉伸變形，如圖1所示。

1.3 結(jié)果對比分析

導(dǎo)水裂隙帶計算結(jié)果表明：3204工作面按變形分析法計算導(dǎo)水裂隙帶最大高度為138.82m，按經(jīng)驗公式計算導(dǎo)水裂隙帶最大高度為139.65m，誤差率為0.5%，所得結(jié)果相差不大，都不會超過5#煤上部中侏羅統(tǒng)的厚度，即不會波及覆巖主要含水層。由于導(dǎo)水裂隙帶與含水層之間的覆巖中泥巖占了很大的比例，這部分巖體滲透性差，具有良好的隔水性和再生隔水性，減弱了主要含水層和煤系砂巖之間的水利聯(lián)系，從而可以確定3204工作面開采不會引起北河水直接潰入井下，威脅井下安全。

2 防水煤柱留設(shè)

根據(jù)規(guī)定，單向抗壓強度為10～20MPa的巖層劃分為軟弱巖層（表3），應(yīng)按軟弱覆巖類型預(yù)測煤層采后的導(dǎo)水裂縫帶高度，則 3204 工作面保護層的厚度選3A或者4A，由于工作面保護層內(nèi)均為隔水性良好的泥巖，則理論研究和實踐均表明保護層的選取厚度明顯偏大，根據(jù)保護層巖性、含隔水性綜合確定3204工作面保護層厚度取5倍采厚即57.5；根據(jù)陳家溝煤礦已經(jīng)完成的巨厚煤層綜放開采地表裂縫深度探測研究項目結(jié)論，采用80m作為開采引起地裂縫深度的最大值；根據(jù)變形分析法獲得最大導(dǎo)水裂隙帶高度為138.82m，經(jīng)驗公式法獲得最大導(dǎo)水裂隙帶高度為139.65m，取最大值139.65m。經(jīng)計算，陳家溝煤礦3204工作面防水安全煤巖柱高度Hsh為277.15m。

3 結(jié)束語

以37勘探線的3703鉆孔資料為計算基礎(chǔ)，通過變形分析方法對陳家溝煤礦3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進行了理論計算，結(jié)果表明：陳家溝煤礦煤5層覆層中巖層序號為34的粗粒砂巖，能夠有效的起到阻隔導(dǎo)水裂隙帶向上進一步發(fā)展的作用，得出產(chǎn)生臨界值點的高度即為“兩帶”的頂點為138.82m；以科研數(shù)據(jù)實測，利用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)得出經(jīng)驗公式，通過經(jīng)驗公式法也對3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進行了理論計算，得出3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為139.65m。兩者所得結(jié)果相差不大，取最大值計算防水煤柱的厚度為277.15m，為華亭礦區(qū)水體下安全開采提供了理論依據(jù)，也為同類地質(zhì)采礦條件下的覆巖導(dǎo)水裂縫帶計算和防水煤柱厚度計算提供了參考依據(jù)。

參考文獻

[1]（蘇）格維爾茨曼，于振海，劉天泉，譯.水體下安全采煤[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1980

[2]范志勝.變形分析法在計算覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度的應(yīng)用[J].煤炭工程，2012，1：98～99.

[3]許延春，李俊成，劉世奇，等.綜放開采覆巖“兩帶”高度的計算公式及適用性分析[J].煤炭開采，2011，16（4）：4～7.

[4]余學(xué)義，周楊，楊子星，等.特厚煤層分層綜放開采導(dǎo)水裂隙帶高度觀測研究[C].煤炭開采新理論與新技術(shù)——中國煤炭學(xué)會開采專業(yè)委員會2010年學(xué)術(shù)年會論文集，2010：78～80.

[5]成樞，孫振鵬，朱魯，等.導(dǎo)水裂隙帶高度的探測研究[J].礦山測量，1999（4）.

[6]余學(xué)義.甘肅華亭陳家溝煤礦特厚煤層分層綜放開采覆巖冒裂帶高度觀測研究報告[R].西安：西安科技大學(xué)，2009.endprint

摘 要：水體下開采煤層的防水安全性問題主要取決于導(dǎo)水裂隙帶高度的確定，通過變形分析法與經(jīng)驗公式法分別計算出導(dǎo)水裂隙帶高度，從而計算出防水煤柱厚度。計算結(jié)果為陳家溝煤礦3204工作面水體下安全開采提供了理論依據(jù)，也為同類地質(zhì)采礦條件下的覆巖導(dǎo)水裂縫帶計算和防水煤柱厚度計算提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變形分析法；經(jīng)驗公式法；導(dǎo)水裂隙帶高度；防水煤柱厚度

3204工作面位于陳家溝煤礦+1050m水平以下的三采區(qū)西翼第二區(qū)段，東端與三采區(qū)三條下山保護煤柱相鄰，西端與采區(qū)邊界保護煤柱相鄰。煤質(zhì)為煤5層，地面標高1519米至1590米，工作面標高977米至1011米，地面位置橫穿小陰溝，謝家溝，唐家洼，狼溝，狼溝嘴等地段，地面無民房及建筑物。本工作面屬于大型復(fù)合水體下開采，上覆巖層及地表水體，既有地表北河水體，也有上第三系甘肅群中下部含水層（Ngn），其主要分布在井田北部的北 河河谷之下，由灰白色、淺棕紅色砂礫巖組成。為了獲得導(dǎo)水裂隙帶高度及防水煤柱留設(shè)厚度，通過變形分析法和經(jīng)驗公式法理論計算，為3204工作面水體下安全開采提供可靠的理論及技術(shù)依據(jù)。

1 確定導(dǎo)水裂隙帶高度

由于煤層開采結(jié)束后導(dǎo)水裂隙帶的高度是開采尺寸、巖層巖性、地層力學(xué)結(jié)構(gòu)及特征煤層賦存條件等因素共同作用的結(jié)果，其中開采尺寸和上覆巖層的巖性是影響應(yīng)力傳遞、釋放和重新分布的決定性因素，所以從力學(xué)角度可計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度。又因為可獲得實際多個綜放工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度實測值，通過數(shù)學(xué)方法分析，利用經(jīng)驗公式也能計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度。

1.1 變形分析法確定導(dǎo)水裂隙帶高度

本次計算3204工作面導(dǎo)水裂隙帶高度以37勘探線的3703鉆孔資料為計算基礎(chǔ)，列出該計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（表1）。

1.1.1 覆巖載荷計算

用固支梁力學(xué)模型來分析水平拉伸變形，如圖1所示。

1.3 結(jié)果對比分析

導(dǎo)水裂隙帶計算結(jié)果表明：3204工作面按變形分析法計算導(dǎo)水裂隙帶最大高度為138.82m，按經(jīng)驗公式計算導(dǎo)水裂隙帶最大高度為139.65m，誤差率為0.5%，所得結(jié)果相差不大，都不會超過5#煤上部中侏羅統(tǒng)的厚度，即不會波及覆巖主要含水層。由于導(dǎo)水裂隙帶與含水層之間的覆巖中泥巖占了很大的比例，這部分巖體滲透性差，具有良好的隔水性和再生隔水性，減弱了主要含水層和煤系砂巖之間的水利聯(lián)系，從而可以確定3204工作面開采不會引起北河水直接潰入井下，威脅井下安全。

2 防水煤柱留設(shè)

根據(jù)規(guī)定，單向抗壓強度為10～20MPa的巖層劃分為軟弱巖層（表3），應(yīng)按軟弱覆巖類型預(yù)測煤層采后的導(dǎo)水裂縫帶高度，則 3204 工作面保護層的厚度選3A或者4A，由于工作面保護層內(nèi)均為隔水性良好的泥巖，則理論研究和實踐均表明保護層的選取厚度明顯偏大，根據(jù)保護層巖性、含隔水性綜合確定3204工作面保護層厚度取5倍采厚即57.5；根據(jù)陳家溝煤礦已經(jīng)完成的巨厚煤層綜放開采地表裂縫深度探測研究項目結(jié)論，采用80m作為開采引起地裂縫深度的最大值；根據(jù)變形分析法獲得最大導(dǎo)水裂隙帶高度為138.82m，經(jīng)驗公式法獲得最大導(dǎo)水裂隙帶高度為139.65m，取最大值139.65m。經(jīng)計算，陳家溝煤礦3204工作面防水安全煤巖柱高度Hsh為277.15m。

3 結(jié)束語

以37勘探線的3703鉆孔資料為計算基礎(chǔ)，通過變形分析方法對陳家溝煤礦3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進行了理論計算，結(jié)果表明：陳家溝煤礦煤5層覆層中巖層序號為34的粗粒砂巖，能夠有效的起到阻隔導(dǎo)水裂隙帶向上進一步發(fā)展的作用，得出產(chǎn)生臨界值點的高度即為“兩帶”的頂點為138.82m；以科研數(shù)據(jù)實測，利用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)得出經(jīng)驗公式，通過經(jīng)驗公式法也對3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進行了理論計算，得出3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為139.65m。兩者所得結(jié)果相差不大，取最大值計算防水煤柱的厚度為277.15m，為華亭礦區(qū)水體下安全開采提供了理論依據(jù)，也為同類地質(zhì)采礦條件下的覆巖導(dǎo)水裂縫帶計算和防水煤柱厚度計算提供了參考依據(jù)。

參考文獻

[1]（蘇）格維爾茨曼，于振海，劉天泉，譯.水體下安全采煤[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1980

[2]范志勝.變形分析法在計算覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度的應(yīng)用[J].煤炭工程，2012，1：98～99.

[3]許延春，李俊成，劉世奇，等.綜放開采覆巖“兩帶”高度的計算公式及適用性分析[J].煤炭開采，2011，16（4）：4～7.

[4]余學(xué)義，周楊，楊子星，等.特厚煤層分層綜放開采導(dǎo)水裂隙帶高度觀測研究[C].煤炭開采新理論與新技術(shù)——中國煤炭學(xué)會開采專業(yè)委員會2010年學(xué)術(shù)年會論文集，2010：78～80.

[5]成樞，孫振鵬，朱魯，等.導(dǎo)水裂隙帶高度的探測研究[J].礦山測量，1999（4）.

[6]余學(xué)義.甘肅華亭陳家溝煤礦特厚煤層分層綜放開采覆巖冒裂帶高度觀測研究報告[R].西安：西安科技大學(xué)，2009.endprint

摘 要：水體下開采煤層的防水安全性問題主要取決于導(dǎo)水裂隙帶高度的確定，通過變形分析法與經(jīng)驗公式法分別計算出導(dǎo)水裂隙帶高度，從而計算出防水煤柱厚度。計算結(jié)果為陳家溝煤礦3204工作面水體下安全開采提供了理論依據(jù)，也為同類地質(zhì)采礦條件下的覆巖導(dǎo)水裂縫帶計算和防水煤柱厚度計算提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變形分析法；經(jīng)驗公式法；導(dǎo)水裂隙帶高度；防水煤柱厚度

3204工作面位于陳家溝煤礦+1050m水平以下的三采區(qū)西翼第二區(qū)段，東端與三采區(qū)三條下山保護煤柱相鄰，西端與采區(qū)邊界保護煤柱相鄰。煤質(zhì)為煤5層，地面標高1519米至1590米，工作面標高977米至1011米，地面位置橫穿小陰溝，謝家溝，唐家洼，狼溝，狼溝嘴等地段，地面無民房及建筑物。本工作面屬于大型復(fù)合水體下開采，上覆巖層及地表水體，既有地表北河水體，也有上第三系甘肅群中下部含水層（Ngn），其主要分布在井田北部的北 河河谷之下，由灰白色、淺棕紅色砂礫巖組成。為了獲得導(dǎo)水裂隙帶高度及防水煤柱留設(shè)厚度，通過變形分析法和經(jīng)驗公式法理論計算，為3204工作面水體下安全開采提供可靠的理論及技術(shù)依據(jù)。

1 確定導(dǎo)水裂隙帶高度

由于煤層開采結(jié)束后導(dǎo)水裂隙帶的高度是開采尺寸、巖層巖性、地層力學(xué)結(jié)構(gòu)及特征煤層賦存條件等因素共同作用的結(jié)果，其中開采尺寸和上覆巖層的巖性是影響應(yīng)力傳遞、釋放和重新分布的決定性因素，所以從力學(xué)角度可計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度。又因為可獲得實際多個綜放工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度實測值，通過數(shù)學(xué)方法分析，利用經(jīng)驗公式也能計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度。

1.1 變形分析法確定導(dǎo)水裂隙帶高度

本次計算3204工作面導(dǎo)水裂隙帶高度以37勘探線的3703鉆孔資料為計算基礎(chǔ)，列出該計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（表1）。

1.1.1 覆巖載荷計算

用固支梁力學(xué)模型來分析水平拉伸變形，如圖1所示。

1.3 結(jié)果對比分析

導(dǎo)水裂隙帶計算結(jié)果表明：3204工作面按變形分析法計算導(dǎo)水裂隙帶最大高度為138.82m，按經(jīng)驗公式計算導(dǎo)水裂隙帶最大高度為139.65m，誤差率為0.5%，所得結(jié)果相差不大，都不會超過5#煤上部中侏羅統(tǒng)的厚度，即不會波及覆巖主要含水層。由于導(dǎo)水裂隙帶與含水層之間的覆巖中泥巖占了很大的比例，這部分巖體滲透性差，具有良好的隔水性和再生隔水性，減弱了主要含水層和煤系砂巖之間的水利聯(lián)系，從而可以確定3204工作面開采不會引起北河水直接潰入井下，威脅井下安全。

2 防水煤柱留設(shè)

根據(jù)規(guī)定，單向抗壓強度為10～20MPa的巖層劃分為軟弱巖層（表3），應(yīng)按軟弱覆巖類型預(yù)測煤層采后的導(dǎo)水裂縫帶高度，則 3204 工作面保護層的厚度選3A或者4A，由于工作面保護層內(nèi)均為隔水性良好的泥巖，則理論研究和實踐均表明保護層的選取厚度明顯偏大，根據(jù)保護層巖性、含隔水性綜合確定3204工作面保護層厚度取5倍采厚即57.5；根據(jù)陳家溝煤礦已經(jīng)完成的巨厚煤層綜放開采地表裂縫深度探測研究項目結(jié)論，采用80m作為開采引起地裂縫深度的最大值；根據(jù)變形分析法獲得最大導(dǎo)水裂隙帶高度為138.82m，經(jīng)驗公式法獲得最大導(dǎo)水裂隙帶高度為139.65m，取最大值139.65m。經(jīng)計算，陳家溝煤礦3204工作面防水安全煤巖柱高度Hsh為277.15m。

3 結(jié)束語

以37勘探線的3703鉆孔資料為計算基礎(chǔ)，通過變形分析方法對陳家溝煤礦3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進行了理論計算，結(jié)果表明：陳家溝煤礦煤5層覆層中巖層序號為34的粗粒砂巖，能夠有效的起到阻隔導(dǎo)水裂隙帶向上進一步發(fā)展的作用，得出產(chǎn)生臨界值點的高度即為“兩帶”的頂點為138.82m；以科研數(shù)據(jù)實測，利用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)得出經(jīng)驗公式，通過經(jīng)驗公式法也對3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進行了理論計算，得出3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為139.65m。兩者所得結(jié)果相差不大，取最大值計算防水煤柱的厚度為277.15m，為華亭礦區(qū)水體下安全開采提供了理論依據(jù)，也為同類地質(zhì)采礦條件下的覆巖導(dǎo)水裂縫帶計算和防水煤柱厚度計算提供了參考依據(jù)。

參考文獻

[1]（蘇）格維爾茨曼，于振海，劉天泉，譯.水體下安全采煤[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1980

[2]范志勝.變形分析法在計算覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度的應(yīng)用[J].煤炭工程，2012，1：98～99.

[3]許延春，李俊成，劉世奇，等.綜放開采覆巖“兩帶”高度的計算公式及適用性分析[J].煤炭開采，2011，16（4）：4～7.

[4]余學(xué)義，周楊，楊子星，等.特厚煤層分層綜放開采導(dǎo)水裂隙帶高度觀測研究[C].煤炭開采新理論與新技術(shù)——中國煤炭學(xué)會開采專業(yè)委員會2010年學(xué)術(shù)年會論文集，2010：78～80.

[5]成樞，孫振鵬，朱魯，等.導(dǎo)水裂隙帶高度的探測研究[J].礦山測量，1999（4）.

[6]余學(xué)義.甘肅華亭陳家溝煤礦特厚煤層分層綜放開采覆巖冒裂帶高度觀測研究報告[R].西安：西安科技大學(xué)，2009.endprint