綜采工作面覆巖導水裂隙帶發育高度研究

王彥敏，蔡先偉，江東海，黃萬朋

(1.濟寧礦業集團有限公司 霄云煤礦，山東 濟寧 272213；2.山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590)

導水裂隙帶發育高度是確定防水煤巖柱尺寸、提高開采上限、制定礦井防治水措施的一個重要參數指標，對水體下安全開采、預防礦井水害具有重要作用[1-2]。王延蒙等[3]為了得出司馬煤礦薄基巖區導水裂隙帶的發育高度，對薄基巖分布特征及巖層力學特性進行了分析，進而利用經驗公式計算出了導水裂隙帶發育高度，同時運用數值模擬軟件對煤層開采進行了模擬。朱偉[4]為研究厚松散含水層薄基巖下厚煤層綜放開采的安全性，從黏土采動隔水性和近第四系底部導水裂隙帶發育特征兩個方面進行了討論，實現了地表水體和第四系松散含水層水體下的綜放安全開采。李萬陽[5]基于興源礦四采區薄基巖區，煤層開采受上覆第四系底部含水層水害的威脅，制定了采區綜采面薄基巖區分段科學控制采高，防止第四系底部突水的技術方案。

為準確獲得綜采工作面導水裂隙帶發育高度，以霄云煤礦受水害影響的1314工作面為研究背景，通過工程地質調查、理論分析、數值模擬，現場實測等手段，對工作面導水裂隙帶發育高度進行研究，為該礦井相似采礦條件下的工作面導水裂隙帶高度及防治水研究提供一定的參考依據。

1 工程地質概況

1314工作面為山東省濟寧市霄云煤礦一采區東翼第6個工作面，工作面北為1312工作面采空區，南為村莊保護煤柱，西至1314膠帶聯絡巷(第四系防水保護煤柱)，東側為采區邊界煤柱。工作面回采3號煤層，底板標高-558.7～-654.4 m，工作面長216 m，推進長度910 m，煤層厚度2.1～4.3 m，平均采高3.5 m.工作面內發育兩條火成巖侵入巖體，在工作面內延伸距離較長，對工作面回采有一定影響；發育2條煤層沖刷變薄區，其中1條沖刷變薄區范圍較大，煤層較薄，對工作面回采影響較大。工作面頂板及上覆巖層主要為中砂巖、細砂巖、粉砂巖，粗砂巖、含礫中砂巖、含礫粗砂巖等。圖1為1314工作面采掘工程平面圖。

圖1 1314工作面采掘工程平面

2 導水裂隙帶發育高度理論分析

1314工作面上覆巖層主要為中砂巖、細砂巖、粉砂巖、粗砂巖、含礫中砂巖、含礫粗砂巖等，采用厚度加權計算上覆巖層單軸抗壓強度平均值小于40 MPa，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》要求，1314工作面上覆巖層屬于“中硬”巖層，可用公式(1)計算導水裂隙帶高度[6]：

(1)

式中：HIi為導水裂隙帶發育高度，m；M為工作面采高，取3.5 m.

經計算，1314工作面回采后導水裂隙帶發育高度為32.44～43.64 m.

3 數值模擬研究

3.1 數值模擬計算模型建立

根據霄云煤礦1314工作面地質概況和煤層及頂底板特征，運用有限差分軟件FLAC3D建立數值模擬計算模型，其中工作面長度方向為X方向，工作面推進方向為Y方向，埋深為Z方向。建立的數值模型尺寸為長×寬×高=600 m×300 m×240.5 m，模型共包括145 908個單元，含有151 668個網絡節點。煤層上方(Z方向)共建立巖層厚度150 m，其余巖層(430 m)自重以垂向載荷的形式施加在模型邊界上，施加載荷為10.75 MPa.建立的數值模擬計算模型見圖2.建立模型所用的各巖層力學參數見表1.

圖2 數值模擬計算模型

表1 各巖層力學參數

3.2 數值模擬計算結果分析

待模型各巖層參數賦值后，首先進行模型平衡計算，模型平衡后，初始化模型各個方向的位移與速度，得到初始平衡模型，平衡后進行工作面回采模擬。工作面回采模擬完成后，導水裂隙帶內巖層裂隙的形成發育是由于巖層的彎曲下沉造成的，因此通過分析工作面上覆巖層拉應力分布特征可較好研究導水裂隙帶發育高度，圖3為不同推進距離時拉應力場分布圖。

圖3 不同推進距離時拉應力場分布圖(m)

由圖3可以看出：隨著工作面的推進，工作面上覆巖層內的拉應力范圍高度在逐漸增高，且隨著工作面推進，拉應力高度增長速率在逐漸減小：當工作面推進30 m時，拉應力高度為11.94 m；當工作面推進40 m時，拉應力高度為24.14 m，增加了102.2%；當工作面推進50 m時，拉應力高度為33.24 m，增加了37.7%；當工作面推進60 m時，拉應力高度為36.47 m，增加了9.7%；當工作面推進70 m時，拉應力高度為38.72 m，增加了6.2%；當工作面推進80 m時，拉應力高度為38.72 m，高度不再增加。工作面上覆巖層拉應力分布特征可較好反應導水裂隙帶發育高度，因此，數值模擬得出：1314工作面回采后導水裂隙帶發育高度為38.72 m.

4 導水裂隙帶發育高度實測

采用井下導高觀測儀在1314工作面進行導水裂隙帶高度觀測，在軌道巷內施工2個觀測鉆孔，其中觀測鉆孔1傾角40°，孔深85 m，觀測鉆孔2傾角45°，孔深80 m.圖4為觀測鉆孔布置圖。

圖4 觀測鉆孔布置示意

由鉆孔孔底起自上而下逐段測試每段鉆孔的注水漏失量，通過注水漏失量可得到可靠的導水裂隙帶發育高度上限，表2為兩鉆孔注水漏失量。

表2 兩鉆孔注水漏失量

由表2可以看出：鉆孔1在垂高為39.5 m、鉆孔2垂高為38.4 m時，兩鉆孔的注水漏失量均突然增大至20 L/min以上，說明鉆孔此時由彎曲下沉帶進入了導水裂隙帶，因此鉆孔注水漏失量突然增大。2個導水裂隙帶高度觀測鉆孔，均比較準確地測試出了1314工作面導水裂隙帶發育高度的上限值，觀測成果相互印證，可以得到較為可靠的導水裂隙帶發育高度結果。為了保證較高的安全系數，取最大值作為最終結果，最終確定1314工作面回采后導水裂隙帶發育高度現場實測結果為39.5 m，裂采比為11.29.

5 結 語

1) 霄云煤礦1314工作面上覆巖層主要為中砂巖、細砂巖、粉砂巖、粗砂巖、含礫中砂巖、含礫粗砂巖等，屬“中硬”巖層，經理論計算得出回采后導水裂隙帶發育高度為32.44～43.64 m.

2) 采用有限差分軟件FLAC3D數值模擬計算得出：隨著工作面推進，導水裂隙帶高度逐漸增加，當工作面推進至70 m時，導水裂隙帶高度不再增加，維持在38.72 m.

3) 采用井下導高觀測儀實測工作面回采后導水裂隙帶發育高度，為保證安全，取最大值作為實測最終結果，即導水裂隙帶發育高度為39.5 m，裂采比為11.29.