近距離煤層開采覆巖導水裂隙帶高度模擬研究

楊軍++楊盛浩++周裕如++趙曄++許猛堂

摘要：指出了近距離煤層開采覆巖導水為安全高效開采煤礦資源，采用經驗公式預計、計算機數值模擬和實測相結合的方法，分別研究了單采10#煤層后和開采10#、11#煤層兩層近距離煤層后覆巖導水裂隙帶高度。采用經驗公式計算出的兩值分別為44.46 m和52.43 m；采用數值模擬得出的兩值分別為42.28 m和51.57 m，理論計算和采用計算機模擬方法計算出的兩值基本一致，并在實測中得到了驗證。

關鍵詞：近距離煤層；導水裂隙帶高度；數值模擬

中圖分類號：TD823.1

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）16017703

1工程概況

山西某礦10、11號煤層為主要可采煤層，10、11號煤層垂直距離為8.5 m，為近距離煤層，含水層距10煤的高度為61.6 m，含水層距11煤的高度為70.1 m，為保證工作面安全生產及保護地表生態環境，需確保近距離煤層開采過程中導水裂隙不能發育至含水層。兩煤層具體情況如下。

1.110號煤層

該直接頂板為9號煤層底板，由于其間距小，頂板難以管理，多采用合并一次開采。

10號煤層底板巖性變化大，多為中、細砂巖，局部為砂質泥巖和黑色泥巖，厚1.85～8.06 m，平均4.43 m。該3個試件單向抗壓強度分別為28.6、50.6和41.7 MPa，平均40.3 MPa。

1.211號煤層

該直接頂板多為泥巖或砂質泥巖，厚1.39～7.26 m，一般4.30 m。老頂為中、細砂巖，厚約1.5～1.9 m。單向抗壓強度泥巖為23.9 MPa，粉砂巖為43.7 MPa，細砂巖85.2 MPa；細砂巖為單向抗拉強度為2.0 MPa，單向抗剪強度為10.9 MPa。

該底板多為不穩定細粒石英砂巖，局部為泥巖或粉砂巖，厚0～12.13 m，一般厚2.93 m。其下為K1石英砂巖，厚0.30～9.91 m，平均2.34 m，硅質膠結。單向抗壓強度粉砂巖43.7 MPa，泥巖18.9 MPa；泥巖單向抗拉強度為3.6 MPa，單向抗剪強度3.51 MPa。其他相似材料模擬巖石力學參數見表1。

2導水裂隙帶高度預計

2.1煤層采后冒（垮）落的高度

根據國家煤炭工業局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與煤壓開采規程》（以下簡稱“規程”）中冒（垮）落帶最大高度計算的公式為：

Hm=100∑M4.7∑M+19±2.2（1）

式（1）中：Hm冒落帶高度最大值，m；∑M采厚，m。

對于10#煤層，根據式（1），按煤層最大厚度23.2 m計算，冒（垮）落高度18.092.2 m；按規劃設計破底采厚3 m計算，冒（垮）落帶高度9.062.2 m。

對于11#煤層，根據式（1），按煤層最大厚度2 m計算，冒（垮）落高度11.762.2 m；按規劃設計破底采厚1.5 m計算，冒（垮）落帶高度11.212.2 m。

2.2煤層開采后覆巖導水裂隙帶高度

根據《規程》以及煤層開采參數和地質采礦條件，導水裂隙高度可按下試計算：

HLi=100∑M（1.6∑M+3.6）±5.6（2）

HLi=20∑M+10（3）

式（2）、（3）中：HLi導水裂隙帶高度，m；

∑M采厚，m。

這樣，根據式（3）得近距離煤層10#煤層采厚覆巖采動導水裂隙帶高度HLi10-11為44.46 m；11#煤層采厚覆巖采動導水裂隙帶高度HLi10-11為52.43 m。

3數值模擬

3.1模型的建立

結合工作面的地質概況，采用UDEC離散元軟件進行數值模擬，模型總長度為360 m，高度在90 m以上，模型兩側與底面為固定邊界，防止巖層有水平位移，垂直載荷為15.0 MPa，具體模型見圖1。

3.2模擬結果分析

在10#煤層模型模擬中，開采邊界距設計邊界距離有65 m，每次進行開挖10 m，進行23次開挖，煤層開采后，上覆巖層中形成離層裂隙和豎向破斷裂隙，巖層與巖層構成了間水的通道，溝通到工作面。隨著工作面的推進，離層在沿著頂板的高度方向上呈跳躍式由下向上發育在上覆巖層的一定高度內裂隙較為發育，巖性及采高決定了裂隙發育的最大高度3。模擬推進距離為230 m，10煤工作面開挖完畢后上覆巖層裂隙最大高度發育至42.28 m，開挖完畢后上覆巖層運動狀態及裂隙發育特征如圖2所示。

圖210煤工作面推進至230 m

10#煤層開挖后，進行11#煤層開采模擬，當11#煤層開采邊界距設計邊界距離有65 m，每次進行開挖10 m，進行23次開挖，煤層開采后，上覆巖層中形成離層裂隙和豎向破斷裂隙，巖層與巖層構成了間水的通道，溝通到工作面。隨著工作面的推進，離層在沿著頂板的高度方向上呈跳躍式由下向上發育在上覆巖層的一定高度內裂隙較為發育，巖性及采高決定了裂隙發育的最大高度。模擬推進距離為230 m，11煤工作面開挖完畢后上覆巖層裂隙最大高度發育至51.57 m，開挖完畢后上覆巖層運動狀態及裂隙發育特征如圖3所示。

圖311煤工作面推進至230 m

2017年8月綠色科技第16期

4近距離煤層開采導水裂隙發育高度分析

4.1理論計算與數值模擬方法比較分析

（1）按規劃設計的采厚，開采10#煤層時，根據《規程》中經驗公式計算得冒落帶為9.06±2.2 m，理論計算導水裂隙帶高44.46 m；數值模擬方法導水裂隙帶高度為42.28 m。

顯然，按規劃設計開采厚度，開采10#煤層時，其理論計算導水裂隙帶高度平均值比數值模擬結果平均值增加了2.18 m。endprint

（2）按規劃設計的采厚，開采11#煤層時，根據《規程》中經驗公式計算得冒落帶為11.2±2.2 m，理論計算導水裂隙帶高52.43 m；數值模擬方法導水裂隙帶高度為51.57 m。

顯然，按規劃設計開采厚度，開采完10#煤層，開采11#層時，其理論計算導水裂隙帶高度平均值比數值模擬結果平均值增加了0.86 m。

4.2現場實測

目前，10、11#煤層已開采完畢，在實際開采過程中，覆巖導水裂隙未發育至含水層，工作面未發生大范圍淋水事件，現場實測與理論計算、數值模擬結果相一致。

5結論

（1） 采用經驗公式計算，開采10#煤層時，其導水裂隙帶高度最大高度值為44.46 m，10#煤層導水裂隙最高高度距離含水層垂直距離有17.14 m；開采11#煤層時，其導水裂隙帶最大高度值為52.43 m。11#煤層裂隙帶距離含水層垂直距離為17.14 m；開采完10#、11#煤層后裂隙帶均未溝通含水層。

（2） 采用數值模擬，開采10#煤層時，其導水裂隙帶高度最大高度值為42.28 m，10#煤層導水裂隙帶最高高度距離含水層垂直距離為19.32 m；開采11#煤層時，其導水裂隙帶最大高度值為51.57 m。11#煤層裂隙帶最高高度距離含水層垂直距離為18.53 m。開采完10#、11#煤層后裂隙帶均未溝通到含水層。

（3） 通過現場實測可知，在實際開采過程中，覆巖導水裂隙未發育至含水層，現場實測與理論計算、數值模擬結果相一致。

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