云崗礦煤層頂板冒裂安全性分區研究

陳玉嬌

（晉能控股煤業集團 云崗礦，山西 大同 037000）

云崗礦在工作面掘進過程中，煤層上覆的含水層會經過巖層裂隙帶流入礦井中，在水量較大時，可能會發生淹井事故，因此，礦井出現突水的關鍵是導水裂隙帶是否發育，要正確預測導水裂隙帶的發育高度，以確保礦井正常開采。

1 水文地質概況

云崗礦現開采的410 盤區51041 工作面，煤層厚度為5 m，根據鉆孔和探勘線剖面結果，鉆孔數據見表1。煤層上覆主要含水層是侏羅系直羅組下段砂巖含水層，裂隙水資源豐富，煤層上覆的厚度為30.43 m，煤層東部和南部的厚度在40 m 以下，煤層北部的厚度在100 m 以上。由于煤層的水文地質條件復雜，上覆含水層補給水資源，煤層有較強的富水性，屬于中等富水的含水層。煤層的主要隔水層巖性是深灰色、灰黑色泥巖，夾雜少量的細砂巖，透水性能較弱，煤層東部和南部開采后，礦井受侏羅系直羅組下段含水層的影響比較大，在工作面回采期間，出現大大小小的突水事故7 次，嚴重威脅礦井的安全生產。

表1 鉆孔水文地質條件數據Table 1 Drilling hole hydrogeological condition data

2 數值模擬

根據各鉆孔的巖層厚度和物理參數（物理參數通過實驗報告獲得），巖石破壞準則采用摩爾庫倫強度準則，建立FLAC3D 地質數值模擬模型，模型的長寬高分別為500、450 和137 m，工作面的寬度為250 m，模擬長度為300 m，整個模型有20 250 個單元，22 724 個節點，在模擬掘進之前，對模型左右兩側設計X 方向邊界約束條件，對模型前后兩側設計Y 方向邊界約束條件，對模型底部設計X、Y、Z 方向的邊界約束條件，生成初始應力場。

沿X 正方向向前掘進，每次掘進20 m，從X為100 m 開始掘進，在達到平衡后，進行下一次掘進，共掘進300 m，分15 步進行。導水裂隙帶發育高度模擬過程如圖1 所示。

圖1 導水裂隙帶發育過程Fig.1 Water conduction fracture zone development process

在掘進過程中，根據塑性分布圖來確定導水裂隙帶發育高度，在工作面推進40 m 內，僅有煤層上覆的直接頂出現冒落，破壞高度約1 m；在工作面推進到60 m，基本頂出現垮落，塑性破壞區高度約3 m，采空區中間部位底部出現拉張，工作面初次來壓；在工作面推進到120 m，塑性破壞區高度約5 m；在工作面推進到140 m，煤層頂板的塑性破壞區高度達到9 m，破壞高度達從巖層底部到達巖層的中部；在工作面推進到160 m，頂板的塑性破壞區高度達13 m，導水裂隙帶發育到到巖層頂部；在工作面推進到180 m，頂板的塑性破壞區高度達37 m，頂板巖層破斷；在工作面推進到200 m，頂板的塑性破壞區高度達50 m，隨著工作面不斷推進，導水裂隙帶發育高度基本穩定在50 m，也就是說工作面導水裂隙帶發育高度最大為50 m，結合煤層厚度，得到裂采比為11.3。

3 煤層頂板冒裂安全性分區

3.1 導水裂隙帶高度計算

根據云崗礦的鉆孔資料以及巖石的力學參數，依照規程中的厚煤層分層開采導水裂隙帶高度公式，計算煤層導水裂隙帶發育高度：

式中：Hli是導水裂隙帶發育高度，m；Σm 是煤層的累計開采厚度，m。

煤層的累計開采厚度為6.46 m，通過上述公式，計算出煤礦開采后煤層導水裂隙帶的發育高度為43 m。

3.2 冒裂安全性分區預測

將煤層到含水層的距離和巖層裂隙帶發育高度兩者求差，作為頂板冒裂安全性分區預測依據。如果差值大于0，則導水裂隙帶發育高度不導通含水層，水不會流入礦井中；如果差值小于0，則導水裂隙帶發育高度導通含水層，水會流入礦井中，發生突水危險。采用井下仰孔分段注水鉆孔探測法來研究，煤層開采后，實際導水裂隙帶發育高度為45.88 m，裂采比為12.5，得到導水裂隙帶發育預測高度等值線圖，如圖2 所示。

圖2 導水裂隙帶預測發育高度等值線圖Fig.2 Prediction development height contour of water conduction fracture zone

從圖中可以看出，整個區域分布比較明顯，呈南低北高趨勢，井田南部的導水裂隙帶發育高度在45～55 m，西北部的導水裂隙帶發育高度較高，可達120.21 m，可見，井田北部出現突水的危險性較高。

4 應用分析

對云崗礦410 盤區51041 工作面煤層的頂板冒裂安全性分區預測，考慮礦井的實際開采問題，根據經驗，將差值小于0 的區域劃分為突破區，即危險區，將差值大于0 的區域劃分為未突破區，即安全區，繪制出煤層頂板冒裂安全性分區圖，如圖3所示。

圖3 頂板冒裂安全性分區圖Fig.3 Roof crack safety zoning

從圖3 可以看出，煤層的頂板冒裂危險區主要集中在井田的西一盤區和北二盤區，約8.5 km2的危險區域，煤層容易受到含水層的危險，發生突水事故，井田從北到南，安全性逐漸增大，井田的南部相對于其他區域有較高的安全性。

5 結 語

針對云崗礦開采過程中出現的頂板冒裂、導水層裂隙帶發育等現象，以410 盤區51041 工作面為研究對象，建立工作面的數值仿真模型，工作面推進60 m 時，頂板初次來壓，推進至200 m 時，導水層裂隙帶發育最大高度為50 m，裂采比為11.3。將煤層到含水層的距離和巖層裂隙帶發育高度的高度差作為頂板冒裂安全性分區的標準，結合實際情況得出，煤層的頂板冒裂危險區主要集中在井田的西一盤區和北二盤區，約8.5 km2的危險區域，井田的南部相對于其他區域有較高的安全性。