余吾礦南五采區煤層頂板導水裂隙帶高度預測研究

彭洪濤，周俊杰

（1.潞安化工集團 余吾煤業有限公司，山西 長治 046103；2.河北工程大學 地球科學與工程學院，河北 邯鄲 056038）

0 引言

礦井開采中，煤層覆巖運動規律及其導水裂隙帶發育高度的預測與探測，直接影響著礦井回采工作面工作效率及支護方式。特別是上覆巖層的巖體力學性質較弱或者富含一定的礦井水，隨著開采工作的不斷推進，煤層頂板支護和巖體破壞增強，導水裂隙帶發育高度和影響距離制約著礦井支護方式和開采效率[1-2]。如何準確高效分析和評價煤層開采活動對煤層覆巖運動的影響，是確定支護方式和手段的關鍵，也是對煤層頂板破壞深度確定的方法。針對覆巖運動破壞特征分析，錢鳴高院士和宋振騏院士分別提出“砌體梁”和“傳遞巖梁”結構模型，為國內外眾多學者研究采動破壞理論[3-4]。目前，導水裂隙帶高度預測常采用經驗公式法、模擬實驗法和現場探測等多種方法相結合的研究方法。李民峰對陜北礦區利用相似材料模擬分析覆巖中裂隙帶呈現的空間分布特征，認為理論分析與相似模擬結果一致[5]；王沛楠利用理論計算、數值模擬和現場實測方法，研究礦井特厚煤層頂板破壞深度和控制理論[6]；喬倩等采用回歸分析方法預測不同主控因素下導水裂隙帶發育高度預測公式[7]；魏克敏等運用有限差分法，對太平煤礦多煤層采場圍巖及其裂隙帶分布特征進行研究[8]；多種煤礦開采工程實踐表明，礦井需要精細確定煤層開采中的頂板裂隙帶高度分布特征及預測方法。

在余吾煤礦南五采區的礦井地質條件分析與評價基礎上，采用經驗公式計算、計算機數值模擬計算、相似材料模擬實測計算方式，得到了不同預測方式下南五采區工作面開采時頂板覆巖運動特征及煤層頂板裂隙帶發育高度數據。利用多種方法預測的導水裂隙帶發育高度，結合礦井其它區域的導水裂隙帶發育高度實測的數據，采用回歸分析方法，修訂南五采區工作面煤層厚度與導水裂隙帶最大發育高度的經驗方程，預測了南五采區導水裂隙帶發育高度值。

1 概 況

余吾礦井位于屯留北側，現主采二疊系下統山西組3 號煤層，平均埋藏深550～600 m，最大埋深大于800 m。煤層厚度5.00～7.25 m，平均5.99 m。煤層穩定，頂板一般為泥巖、粉砂質泥巖，底板為黑色泥巖、粉砂巖，老底為中細粒砂巖。南五采區存在的充水通道主要有斷層或構造破碎帶、陷落柱、封閉不良鉆孔以及3 號煤層開采形成的導水裂隙等。

綜合水文地質分析認為，礦井正常涌水量為303 m3/h，最大涌水量為340 m3/h。礦井內太原組灰巖含水層、山西組及下石盒子組砂巖裂隙含水層是影響3 號煤開采的主要含水層，上石盒子組砂巖裂隙含水層距離3 煤較遠，且之間有隔水層，厚度較大，為次要含水層。

2 導水裂隙帶高度預測

2.1 導水裂隙帶發育高度經驗公式計算

利用礦井和相鄰礦井相同煤層裂隙帶探查并預測成果，建立礦井及其相似礦井地質條件的裂隙帶發育高度理論計算公式，并利用該計算模型，進行礦井類似地質條件區開采煤層的裂隙帶發育高度的預測。

依據余吾煤業關于3 號煤層頂板巖石力學測試的結果，覆巖主要為中硬巖。結合煤層賦存的具體條件和特征以及礦井采煤方式，依據《煤礦防治水細則》 中綜放開采導水裂隙帶高度計算公式，對3 號煤采動裂隙高度進行預計：

式中：Hli為導水裂隙帶高度，m；M 為煤層累計采厚，取6 m。

由公式（1）計算得，南五采區工作面以6 m厚度進行開采時，導水裂隙帶發育最大高度為82.58 m。

2.2 計算機模擬預測裂隙帶發育高度

2.2.1 模型及參數

依據地質資料，采用FLAC3D 軟件，構建工作面地質模型，工作面的長寬約為1 700 m×296 m，鉆孔1305 揭露3 號煤層厚度6.4 m。3 號煤層頂板中直接頂巖性主要為泥巖隔水層；基本頂主要巖性為中、細砂巖含水層；與基本頂臨近的上覆巖層巖性主要是中、細砂巖與砂質泥巖的互層。

確定模型尺寸參數X=600 m，Y=500 m，Z=192 m，模型網絡共剖分單元數700 000 個，節點數724 271 個，所有單元類型均為8 節點六面體單元。模型從下到上分為19 層，各分層的物理參數見表1，初始模型如圖1 所示。開采參數中開采寬度設置為300 m，開采厚度設置為6 m。

表1 模型各分層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of each layer of the model

圖1 計算機數值模擬初始模型Fig.1 Initial model of computer numerical simulation

2.2.2 模擬結果研究

針對采區工作面布置，模擬不同推進距離下煤巖層應力、應變空間分布特征，如圖2 所示。由計算機模擬的塑性區分布圖可以看到，工作面推進200 m 時，采空區上部主要為剪切破壞，其次為拉伸破壞，巖性為泥巖，塑性區形狀呈平頂拱型，導水裂隙帶發育高度約為89 m；工作面推進300 m時，導水裂隙帶發育高度約為101 m，導水裂隙帶發育高度增加變緩，巖性為粗砂巖，塑性區形狀平頂拱型；工作面推進400 m 時，導水裂隙帶發育高度約為103 m，導水裂隙帶發育高度基本不再增加，巖性為粗砂巖，塑性區形狀平頂拱型。

圖2 不同推進距離下煤巖層應力、應變空間分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of stress and strain of coal strata under different advancing distances

根據不同采區工作面推進距離下數值模擬塑性區發育高度值，繪制南五采區導水裂隙帶發育高度曲線，如圖3 所示。采高6 m 時，余吾礦南五采區導水裂隙帶最大發育高度為103 m，裂采比約17.2。

圖3 南五采區工作面導水裂隙帶發育高度曲線Fig.3 The development height curve of water flowing fractured zone in the working face of South No.5 mining area

2.3 相似材料導水裂隙帶發育高度預測

相似材料模型按照1∶200 的比例，推進長度為320 m，以砂子為骨料，石膏、碳酸鈣為粘結材料鋪設模型，根據鋪設巖層的抗壓強度選擇配比方式，再根據模型的大小及巖層厚度計算出砂子、石膏、碳酸鈣和水的用量。

模型在開挖320 m 后，巖層的采動破壞特征如圖4 所示。開采過程中裂隙富集區主要集中在前后煤壁，裂隙的發育程度隨著開采工作面的推進，而逐漸發育，且采空區越大，裂隙的密度就越大。采厚6 m 的模型，導水裂隙帶發育的最大高度為105 m 左右；上覆巖層的破斷角，在開切眼一側為69.1°，在工作面另一端為70.8°；冒落帶高度為38.2 m，冒采比為6.37，導水裂隙帶高度為105 m，裂采比為17.5。

圖4 相似材料模型覆巖采動破壞特征Fig.4 Mining failure characteristics of overburden rock in similar material model

3 導水裂隙帶發育高度綜合分析

在理論公式計算、數值模擬及物理模擬的基礎上，結合礦井其他區域及相似條件的其他礦井實測數據，分析認為，南五采區3 號煤層采高6 m，通過理論公式計算導水裂隙帶最大高度為82.58 m；計算機數值模擬的最大裂隙高度為103 m；相似材料模擬最大裂隙高度為105 m 左右。結合礦井在其它工作面（S2106、S2107）進行的導水裂隙帶高度現場探查結果（表2），可以看到，該礦井在采高6 m 左右時，導水裂隙帶的發育高度遠超過經驗公式的計算值。

表2 礦井其他采區裂隙高度現場探測結果Table 2 Field detection results of fracture height in other mining areas

導水裂隙帶發育高度的綜合分析，余吾煤礦礦井裂隙發育最大高度已不能將經驗公式預測值作為發育高度預測的主要依據。綜合對比經驗公式、數值模擬、相似材料模擬以及礦井其他采區裂隙高度現場探查值，基于工程安全考慮，以多種發育高度預測成果與以往礦井現場探查成果進行一元線性擬合。煤礦煤層采厚與裂隙高度散點圖如圖5 所示。

圖5 余吾煤礦煤層采厚與裂隙高度散點圖Fig.5 Scatter plot of coal seam mining thickness and fracture height in Yuwu Mine

通過數據一元回歸分析，得到礦井煤層采厚（M）與導水裂隙帶最大發育高度（H）的公式：

綜合分析南五采區及周圍鉆孔資料，3 號煤厚度范圍為5.44（鉆孔LA010）～6.4 m（鉆孔1306），則最大導水裂隙帶高度范圍為106.9～118.7 m。當南五采區工作面采高為6 m 時，最大導水裂隙帶高度為103.1～113.9 m。

4 結論

（1）依據相似礦井地質條件分析，利用經驗公式法確定余吾礦南五采區工作面以6 m 厚度進行開采時，導水裂隙帶發育最大高度為82.58 m。

（2）不同導水裂隙帶發育高度預測結果不同，計算機數值模擬采高6 m 時，南五采區導水裂隙帶最大發育高度為103 m，裂采比約17.2；室內相似材料模擬預測的導水裂隙帶發育最大高度為105 m左右，裂采比為17.5。

（3）通過多種方法預測導水裂隙帶高度數據，結合實測數據，進行數據擬合分析，采用綜合數據擬合公式預測的導水裂隙帶高度為采高為6 m時，南五采區最大導水裂隙帶高度為103.1～113.9 m。