鶴崗礦區導水裂隙帶高度探測意義

摘 要：鶴崗礦區自日偽時期就已經開始生產采煤，經過長時間的煤炭開采，淺部資源日益枯竭，陸續進入深部區開采。在煤層的開采過程中煤層開采引起覆巖移動變形破壞形成導水裂隙，可使位于開采影響范圍內的地表水、地下水、老窯及采空區積水潰入井下，不但嚴重危及礦井安全生產，而且嚴重損害礦區生態環境，尤其是采用綜放開采的開采方式，這種危害表現的更為突出。

關鍵詞：鶴崗礦區;導水裂隙帶;探測

1.引言：

鶴崗礦區隸屬黑龍江龍煤鶴崗礦業有限責任公司，位于黑龍江省鶴崗市市區東部，礦區煤炭資源豐富，儲量約30億噸。煤田儲存條件良好，煤系地層厚達800-1200米，含煤43層，其中大于3.5米的厚煤層占75.5%，厚度超過5米的有9層，超過10米的有3層，但是在具有煤層多、煤層厚、傾角相對較大的鶴崗礦區還未開采展過類似的工作。

2.國內研究現狀

20世紀70年代至80年代，為適應水體下采煤技術的迫切需要，開展了大量的用專門的觀測孔來研究開采導水裂隙帶高度，并就觀測孔中水位變化及水的漏失量等方法，提出了有效和無效導水裂隙的區分。同時進行試驗性研究工作，特別是相似材料模擬技術也得到了較快發展。我國許多礦區在裂隙高度現在觀測資料和試驗研究的基礎上，結合煤層的采出厚度、巖體的強度類型等，總結出不同覆巖類型條件下，煤層采出厚度與冒高、裂高相關關系式，并以此來指導實際生產，總體上說該階段仍處在經驗積累階段，如劉天泉教授（1981）等對水平煤層、緩傾斜煤層、急傾斜煤層開采引起的覆巖破壞規律與地表移動規律作了深入的研究，提出了導水裂隙帶概念，建立了垮落帶與導水裂隙帶計算公式，為提高煤層開采上限，減少煤層資源損失作出了很大貢獻。李增琪（1983）應用積分變換法推導出層狀巖層移動的解析解;楊倫、于廣明（1987）的巖層二次壓縮理論，將地表沉陷與巖層的物理力學性質聯系起來;張玉卓（1989）應用邊界元法研究了斷層影響下地表移動規律及提出了巖層移動的錯位理等;其研究特點為：①以覆巖體工程地質環境和巖體力學環境為主要研究內容;②以導水裂隙帶發育高度與巖體強度類型之間的關系為研究重點;③研究方法雖然仍以定性描述和分析為主，但已向定量化研究邁出可喜的一步。

20世紀80年代以來，我國開展了許多水體下采煤的專題性研究，取得了不少突破性進展，鄧喀中提出了開采沉陷的結構效應;吳立新、王金莊建立了條帶開采覆巖破壞的托板理論;楊碩建立了開采沉陷的力學模式;麻鳳海應用離散元法研究了巖層移動的時空過程;趙經徹等應用內外應力場理論對分層開采、網下綜放、全厚綜放三種不同開采條件下冒落巖層厚度、導水裂隙高度、地表沉陷特征以及支承壓力大小及分布特點進行分析和探討，建立了相應的計算模型;康永華依據興隆莊煤礦大量的現場實測資料，總結了中硬巖厚煤層長臂冒落開采條件下炮采、綜采湖綜放開采方法對導水裂縫帶發育高度及其分布形態的影響，提出減小初次開采厚度可以降低導水裂縫帶發育高度的觀點;對綜采重復開采的覆巖破壞高度、范圍、形態及發育特點等進行了全面分析;許延春、李俊成等人依據項目實測“兩帶”高度成果，收集40余個“兩帶”孔的綜放開采工作面不同硬度類型覆巖的兩帶高度數據，采用數理統計回歸分析的方法，得出了適用于綜放開采工作面中硬、軟弱覆巖條件下的“兩帶”高度計算的經驗公式，并進行了適用性分析;黃慶享運用特制的相似材料立體精細模擬實驗系統，對淺埋煤層開采引起頂板的空間結構特征和裂縫分布規律進行了研究;張永波等利用相似材料模擬實驗模擬采動巖體裂隙的形成過程和分布狀態，運用分形幾何理論研究采空區冒落帶、裂隙帶和彎沉帶巖體裂隙分布的分形規律;涂敏等通過對厚松散層及超薄覆巖的含、隔水層及基巖風氧化帶工程巖組性質的分析，采用相似模擬試驗與數值模擬等手段研究不同采放比條件下覆巖最大冒高和有效導水高度;戴華陽、王金壯教授認為急傾斜煤層開采后巖層破壞移動方式為：層梁沿煤巖層呈單支座懸臂梁彎曲，喇叭口上由于巖層的不同步彎曲，地表沿層面產生裂隙;移動邊界線沿邊界角向外彎曲;地表移動曲線呈現波浪形，規律性不強，而沿層面的移動曲線則平緩、規則、規律性強，說明了急傾斜開采巖層沿法向彎曲的移動方式。王金安、馮錦艷教授等采用分型幾何學對離散元計算得出的急傾斜煤層開采覆巖裂隙發育進行了分析。高延法教授提出了巖移“四帶”模型等，對解釋和計算導水裂隙帶的形狀和高度具有較大的幫助。劉紅元教授等在研究采動影響下覆巖垮落的動態發展過程中應用自行開發的巖層破斷過程分析系統（SFPA2D），模擬了開挖后巖梁懸露在重力作用下發生離層、彎曲、沉降、端部和中部開裂直至冒落的全過程，再現來了采動影響下覆巖破壞的動態發展過程。并且為了驗證數值模擬的正確性，也做了相似材料模擬。

從總體上看，無疑這些研究成果將會對導水裂隙帶發育規律的研究奠定很好的基礎，給煤礦開采帶來巨大的經濟效益，但是在具有煤層多、煤層厚、傾角相對較大的鶴崗礦區還未開采展過類似的工作，并且在這樣的條件下開采，采動覆巖中導水裂隙帶的形成過程及機理具有一定的特殊性，而現有的經驗公式預測方法已不適用鶴崗礦區的需要。因此，在鶴崗礦區開展導水裂隙帶發育高度的探測，研究其形成過程及機理，確定其發育高度是目前急需解決的新課題。

2.導水裂隙帶高度探測的必要性

（1）鶴崗礦區地層構造復雜，部分煤層開采厚度大，傾角變化大，并且以往對于鶴崗礦區覆巖破壞規律的研究分析較少，造成鶴崗礦區礦井頂板突水風險危害更為嚴重，而且隨著各生產礦井進入深部開采，部分礦井的采煤工作面位于強富水含水層或采空區積水或河流及積水坑等水體之下，煤層開采所形成的導水裂隙帶能波及上部水體導致突水，經統計鶴崗礦區礦井發生水害事故38起，其中記載與導水裂隙帶有關的事故有13起，占水害事故的34.2%，造成了巨大的經濟損失。因此開展鶴崗礦區“導水裂隙帶高度”的探測研究工作，查明礦區導水裂隙帶發育高度及變化規律，對保障煤礦安全生產提供基礎地質資料已迫在眉睫。

（2）雖然國內研究導水裂隙帶高度的經驗公式被大多數礦山采用，但是在具有煤層多、煤層厚、傾角相對較大的鶴崗礦區還未開采展過類似的工作，并且在這樣的條件下開采，采動覆巖中導水裂隙帶的形成過程及機理具有一定的特殊性，而現有的經驗公式預測方法已不適用鶴崗礦區的需要。

綜上所述，針對鶴崗礦區巨厚煤層導水裂隙帶高度探測有著非常重要的意義。

3.導水裂隙帶工作開展情況

對于鶴崗礦區防治水工作中面臨的問題，2013年7月以來，中國煤炭地質總局華盛水文地質勘察工程公司通過地表鉆孔對鶴崗礦區進行了導水裂隙帶發育高度探測做了專題研究;2016年借鑒龍口礦業公司通過井下鉆孔探測導水裂隙帶的先進方法來指導鶴崗礦區導水裂隙帶探測工作，7月份已經在峻德礦探測成功，規劃到2020年末將陸續對井下適合條件的地點進行導水裂隙帶探測，再將中國煤炭地質總局華盛水文地質勘察工程公司研究導水裂隙帶發育高度的成果與井下探測相結合，最終總結出適合鶴崗礦區巨厚煤層導水裂隙帶發育高度規律，確定其發育高度，推導其預測公式，保障礦井安全生產。

4.結語

深入研究覆巖破壞導水裂隙帶的發育高度和分布形態，尤其是導水裂隙帶高度的科學合理確定，對選擇煤層合理的工作面參數和支護形式，合理設計防水煤柱尺寸，改進和完善采煤方法，避免煤炭資源浪費，提高煤炭資源回收率，保障礦井安全生產，保護礦區生態環境都具有重要的科學研究意義和應用價值。

作者簡介：

王天明，1985年1月出生，男，工程師，2011年畢業于黑龍江科技學院資源勘查專業，雙學士學位，現工作于黑龍江龍煤鶴崗礦業公司新陸煤礦，主要從事地測技術及管理工作。