深埋薄煤層工作面導水裂縫帶發育規律研究

申琳

摘 要：某礦12101工作面開采12下煤層面臨頂板三灰水威脅，三灰含水層涌水量為弱至中等，但裂隙較發育，可能會影響到12101工作面的安全開采。為了研究深部薄煤層工作面導水裂縫帶高度發育規律，采用鉆孔分段注水法現場實測與FLAC3D數值模擬相結合的方法。結果表明，12101工作面覆巖導水裂縫帶最大高度為20.02 m，裂采比為16.7，為三灰含水層下安全開采提供了理論依據。

關鍵詞：深埋薄煤層；三灰含水層；導水裂縫帶；數值模擬

中圖分類號：TD823 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.008

我國各礦區都不同程度地存在著水體下壓煤問題。當前，煤炭資源日益枯竭，為了延長礦井服務年限，解決水體下壓煤問題顯得越來越重要。對于沒有開采經驗的礦區，一般采用現場實測和數值模擬計算對特定地質條件下覆巖導水裂縫帶發育特征進行研究。

1 工程概況

某礦12101工作面設計開采煤層為12下層煤，由地質資料分析和12101工作面三巷道掘進揭露的情況可知，該工作面范圍內，12下層煤賦存穩定，平均埋深750 m，均可開采，平均厚度1.2 m。

12下煤頂板影響到的含水層為太原組三灰，為弱至中等含水層，裂隙較發育，含水量不大，據勘探資料分析，補給條件不暢。根據現有資料可知，12下煤距上覆三灰約51 m，三灰含水層段泥巖厚約5 m，能夠對礫巖水起到有效的隔離作用，對12下煤開采相對有利。

2 導水裂縫帶發育規律分析與現場實測

2.1 經驗公式法分析

12下煤層覆巖主要為泥巖、粉砂巖和細砂巖，覆巖抗壓強度屬中硬～軟弱巖石。參照本區覆巖巖性和鉆孔測定成果，12下煤覆巖綜合強度為中硬巖石。

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》和《煤礦防治水規定》，確定導水裂縫帶發育高度計算公式如下：

式（1）中：M為累計采高，取值1.2 m。

代入數據得：H=16.1～27.3 m。

2.2 鉆孔分段注水法現場實測

為了保證礦井安全生產，最大限度地提高煤炭回收率，弄清裂隙帶高度成為本次工作的重點之一。據此，在該礦12103工作面上順槽開展井下觀測工作。目前，比較成熟、常用的觀測方法是鉆孔分段注水法。

本次導水裂縫帶高度觀測采用井下仰上孔分段注水測漏技術方法，根據鉆孔漏失量變化情況確定圍巖破壞范圍。其中，井下鉆孔法觀測示意圖如圖1所示。

本次觀測共布置3個鉆孔，采前孔傾角為55°，采后孔傾角分別為40°和45°。按預測導水裂縫帶最大高度（24.2 m）計算得采前孔鉆孔長度為33 m，2個采后孔鉆孔長度分別為40 m（傾角為40°的孔）和38 m（傾角為45°的孔）。鉆孔主要技術參數如表1所示。

觀測3個孔的分段注水情況，得到各個孔不同位置的注水漏失量。現場實測數據如圖2至圖6所示。

通過對比、分析兩個采后孔與采前孔注水漏失量，并結合山東部分煤礦最大導水裂縫帶高度的實測研究情況，最終確定取兩個采后孔反映出的導水裂縫帶發育高度最大值20.02 m為該礦12101工作面導水裂縫帶最大高度。

由于12101工作面的平均采高為1.2 m，因此裂采比為：20.02/1.2=16.7.

綜上可得，該礦12下 煤層導水裂縫帶高度近似為：H裂 =16.7 m。

3 導水裂縫帶發育規律數值模擬研究

數值模擬模型的相關參數為：煤層厚度1.2 m，模擬中按水平煤層處理；模擬采深為750 m，模擬采用的煤巖體物理力學參數見表2.

采用FLAC3D數值模擬方法研究該礦深埋薄煤層開采后覆

巖在走向方向上的破壞演化規律。覆巖在走向方向上覆巖破斷狀態如圖7所示。

由圖7可知，隨著工作面不斷向前推進，12下煤層頂板覆巖破斷高度不斷升高。開采230 m后，已屬于超充分采動，頂板破斷覆巖呈“馬鞍”形輪廓分布，最大發育高度達23 m，易知該地質條件下12下煤層裂采比為19.2，模擬結果與現場實測結果相近，保證了數據的準確性。

4 結束語

通過經驗公式計算以及對采前、采后鉆孔注水漏失量隨鉆孔深度變化進行分析，得到12101工作面覆巖導水裂縫帶最大高度為20.02 m，裂采比為16.7；FLAC3D數值模擬超充分采動條件下，頂板破斷覆巖呈“馬鞍”形輪廓分布，最大發育高度達23 m，易知該地質條件下12下煤層裂采比為19.2. 但限于目前室內方法的完善程度和參數與數值取舍的準確程度，有可能影響待研究區域推測結果的精確性。尤其是當工作面內存在小斷層時，千萬不可忽視，因為在斷層附近覆巖導水裂隙帶高度易產生異常。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕