金沙河下采煤地表移動變形與導水裂隙帶高度預測分析

李 曌,王金安

(1．北京科技大學金屬礦山開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2．北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

隨著社會經濟的飛速發展，能源需求強勁，煤炭產量日益增大，使得河流下、建筑物下和公路、鐵路下壓埋的復雜難采煤炭資源得以開發。作為煤礦企業，無論是站在國家經濟發展的高度，還是站在企業效益穩定的角度，把“三下”煤炭資源開采出來都是非常必要的。天祝煤礦3225上、3225、3227工作面已開采完畢，正在準備開采3229工作面，開采難度和開采風險較大，影響了礦山生產的持續性。因此，急需開展河下采煤的研究工作。本文就3229工作面分段試采后地表移動變形和導水裂隙帶高度進行預測，分析對金沙河河床的影響。

1 工程概況

天祝煤礦三號井分為一采區、二采區、三采區，一、二采區位于炭山嶺煤田的中部，三采區位于炭山嶺煤田的南部。一、二采區位于炭山嶺煤田中部，北至F11、F12斷層，南以12#勘探線與千馬龍煤礦相鄰，東、東南到煤層零點邊界，西以中煤層2750底板等高線垂直向上投影至地表；三采區位于炭山嶺煤田之南部，西以2630煤層底板等高線垂直向上投影至地表為界，東、南、北界以煤層可采邊界為界。礦井開采面積10.9084km2。三采區地層走向一般為北10°～40°西，傾向北東，傾角一般為9°～18°之間。受F2逆斷層影響，淺部(西部)煤層傾角加大甚至倒轉，而深部(東)則受基底起伏影響，煤層走向變化大，出現了較為寬緩的背向斜，19～22線深部局部地段傾角緩,甚至出現了小構造盆地。

侏羅系中統窯街組(J2Y)為區內主要含煤地層，含煤總層數為四層(自上而下分別為：頂層煤、上層煤、中層煤及下層煤)，平均總厚度為9.94m，其中可采煤層兩層：上層煤及中層煤，局部可采煤層一層(頂層煤)，可采煤層平均總厚度為9.82m。埋芷深度，以西部煤層露頭線一帶最淺，大致向東漸變深，最深達510m(南17號孔)，本層平均厚度215m，最大厚度315m，最小厚度40m。據專門水文地質鉆孔揭露本層系為孔隙裂隙承壓含水層，為井田內主要含水層。水頭壓力較大，多數能自流，涌水量變化較大。炭25(一采區)、南13(三采區)的單位涌水量分別為0.073kL/S·m和0.0016kL/S·m。

天祝煤礦煤層以全部垮落法的方式進行開拓。3229工作面位于三采區。其中金沙河自井田北部流入，沿南北走向幾乎貫穿了整個三號井田。為季節性河流，金沙河走向大致平行于煤層走向。圖1是天祝煤礦工作面與金沙河位置對照圖，圖中坐標原點(0,0)的大地坐標是(62500,86000)，其中X-正軸指向北、Y-正軸指向西(圖1、表1)。

2 計算參數

參照天祝煤礦地質和開采技術條件，以及有關開采沉陷理論研究和現場實測分析結果，應用基于隨即介質理論的三維概率積分方法計算對各工作面開采引起的地表移動變形的計算參數如下[1]：

圖1 天祝煤礦工作面位置

表1 工作面開采順序與開采技術參數

1) 下沉系數η=0.87

2) 水平移動系數b=0.24

3) 主要影響角正切tgβ=1.7

4) 拐點偏移距S走向=48m，S傾向=51m

5) 最大下沉角θ=80

3 試采預測結果

3.1 開采影響范圍地表移動變形預測結果

地表移動觀察表明，在工作面開采到一定距離后，隨著采空區范圍的擴大，巖層移動逐漸發展到地表，使地表產生移動和變形。開采沉陷研究顯示，開采引起的地表移動過程，受開采深度、開采厚度、采煤方法以及煤層產狀和覆巖力學性質等多種地質采礦因素的影響[2]。本報告依據上述計算參數，計算出了由3225上、3225、3227、3229工作面開采引起的地表移動變形，包括地表下沉、水平移動、水平變形、傾斜和曲率(表2、表3，圖2)。

表2 沿煤層走向地表最大移動變形值匯總

表3 沿煤層傾向地表最大移動變形值匯總

圖2 開采影響范圍地表下沉等值線

3.2 金沙河河床移動變形預測結果

地下開采對河流的影響主要表現在下沉、水平變形和傾斜。對3229工作面開采后分析金沙河河床的移動變形情況(圖3、表4)。

(“+”表示拉伸變形，“-”表示壓縮變形)

表4 金沙河河床最大移動變形值匯總

4 導水裂隙帶理論

覆巖破壞，無論是其形態、最大高度還是裂縫的連通性都是有規律可循的。采空區上覆巖層按破壞程度劃分為冒落帶、裂隙帶和整體彎曲帶，其中冒落帶和裂隙帶都是透水的，合稱為導水裂隙帶。對于塑性較好的巖體來說形成“三帶”的過程較為明顯；對于可塑性較差的巖體來說，其“三帶”發展過程較為劇烈、突然。整體彎曲帶的巖層和地表基本是連續的，不存在覆巖破壞與地表破壞的連通性問題，不構成導水通道。按照巖層開裂的程度，導水裂隙帶分為四個區域：冒落性破壞區、嚴重開裂區、一般開裂區和微小開裂區[3]。如圖4所示。

圖4 覆巖破壞的分帶示意圖

4.1 規程下二帶高度計算

根據2000年5月26日國家煤炭工業局指定的《建筑物、水體鐵路即主要井巷煤柱開采規程》為標準。

根據《建筑物、水體鐵路即主要井巷煤柱開采規程》，厚煤層開采的導水裂隙帶高度計算公式，對天祝煤礦導水裂隙帶進行預計：

Hf=20(∑M)1/2+10=73.2m

式中,Hf為導水裂隙帶高度；∑M為累計采厚，取6.32m[1]。

根據《建筑物、水體鐵路即主要井巷煤柱開采規程》中關于開采單一煤層的垮落帶最大高度計算公式，對天祝煤礦冒落帶最大高度進行預計：

Hm=100∑M/(4.7∑M+19)±2.2=15.2m

式中，Hm為冒落帶最大高度；∑M為累計采厚，取6.32m。

4.2 變形分析法導水裂隙帶高度計算

擬采用變形分析方法確定導水裂隙帶的頂點。水體下采煤實踐表明，軟弱巖層較堅硬巖層更能承受較大的水平拉伸變形。一般認為，堅硬巖層沿層面方向斷裂的產生就意味著巖體破壞，亦即導水，而對于軟弱的巖層(如泥巖)，在其時水平拉伸變形達到1～2mm/m時才會產生裂隙并導水。對于基巖柱較小的中硬覆巖中的堅硬巖層來說，當工作面走向長度足夠長時一般都會發生斷裂破壞，而其中的一定層位上的軟弱巖層則可能只發生塑性破壞，也就成為了抑制導水裂隙帶向上進一步發展的關鍵層所在，因此上覆軟弱巖層受采動影響產生的水平拉伸變形值決定了巖體破壞的產生和破壞程度的大小。對上覆軟弱巖層受采動的水平拉伸變形進行分析，其產生臨界值點的高度即為“冒落帶”的頂點，所以應用巖層的臨界水平拉伸變形值確定導水裂隙帶頂點位置是一種可行的方法。

由于導水裂隙帶內的巖層保持原有的層次，且位于導水裂隙帶頂點內的巖層只是產生微小開裂而不斷開，因此仍可以用固支梁力學模型來分析水平拉伸變形[4]，如圖5所示。

通過解算，可得固支梁的最大撓度為：

圖5 固支梁力學模型

由于在彎曲粱的中性軸下端面產生的水平拉伸變形，并且在粱的下端即y=h/2的端面上水平拉伸變形值最大，因此只要此處的最大變形值εmax不超過巖層的臨界水平拉伸變形值，那么該巖層就不會產生導水裂隙帶，其中：

在裂隙帶發展到一定高度后，裂隙帶范圍的軟弱巖層(如泥巖)是抑制導水裂隙帶向上發展的關鍵。在此取泥巖等軟弱類巖層的臨界水平拉伸變形值為2mm/m，則可以得到巖粱受力彎曲產生最大水平拉伸變形值時的跨距：

這種條件下所對的該巖層下端面到煤層頂板的距離H就是此時導水裂隙帶發育的極限高度[4]。

本次計算以南45鉆孔資料為計算基礎，確定有關巖層厚度和主要巖性參數。結合變形分析方法計算原則、力學試驗結果，覆巖巖性列出該計算基礎數據，見表5。

表5 部分巖層力學參數

上覆巖層的荷載q系由巖梁自重及其上覆巖層共同作用，可按下式計算：

式中：qi為第i層巖層承載載荷，kN/m；γ為表示平均容重，在此巖層取26kN/m，土層24kN/m；Hi為第i層巖層分層厚度，m。計算結果見表6。

表6 上覆巖層承載荷載

考慮巖層移動變形最終穩定狀態下上覆巖層最大自由下沉空間計算公式：

根據表7的變形分析計算結果，可以看出覆巖的巖層中，序號為14的砂巖分層厚度為5.66m，其產生臨界水平拉伸變形值時該巖層巖梁的跨距為451.34m，在該臨界跨距下的最大撓度遠大于其最大允許下沉空間，離煤層頂板較遠，抑制了導水裂隙帶向上發展；同時隨著開采范圍的增大(多區段開采互相影響效應)，14號控制層可能斷裂導水，可靠的控制導水裂隙帶的關鍵層為8號層。

表7 變形分析法綜合計算結果

因此在工作面開采6.32m煤層的條件下，引起覆巖最大導水裂隙帶高度的理論計算高度為80m[5]。

根據變形分析法計算的導水裂隙帶高度大于《建筑物、水體鐵路即主要井巷煤柱開采規程》公式計算出的，為了安全起見，確定導水裂隙帶高度為80m(圖6)。

5 結論與建議

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》，礦區的水體采動等級及允許采動程度規定，天祝煤礦允許采動等級應屬Ⅰ級，不允許導水裂隙帶波及地面水體。煤層位于中侏羅系(窯街組及新河組)孔隙裂隙承壓含水層內。隨著煤層的開采而垮落或斷裂，導水裂隙帶可能會破壞到中侏羅系孔隙裂隙承壓含水層，預計礦井涌水量會增大；第四系沖積層孔隙潛水強含水層，因河床下采煤有危險，可能導致上面的第四系沖積層含水層的潛水或河水通過塌陷裂隙灌入井下巷道造成淹井。

在充分考慮到地表移動變形特點、工作面接續和礦山壓力控制等因素，在最大限度地開采有效資源的前提下，對金沙河造成了一定的影響；因此，今后開采煤層要嚴防河水下滲造成水患，應采取預防水患的安全措施：①加強地表檢測。在地表設立觀

測站，應對地表的移動變形進行觀測，發現有地表裂縫，立即進行充填處理措施，防止地表水滲透井巷；②加強水文地質分析，對工作面進行充水性調查；③對井下水量進行定期監測，加強井下探放水工作，完善井下排水設施，增強排水能力；④定期觀測金沙河流量，對河流入-出流量進行監測；⑤嚴禁超挖、超采，保證充填和回采質量；⑥加強地表河床的治理，人工修筑河床防滲，河床底板注漿；⑦加強對井下階段煤柱及區段煤柱的保護，必須留足、留好采區及水平防治水煤柱；⑧在地表塌陷區周邊埋設警戒標志，從而杜絕意外事故的發生。

[1] 國家煤炭工業局．建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M]．北京：煤炭工業出版社，2000.

[2] 何國清，楊倫，凌賡娣,等．礦山開采沉陷學[M]．第一版．北京：中國礦業大學出版社，1991，4：79-116.

[3] 西石門鐵礦馬河下安全開采與防洪對策研究報告[R]．河北省武安市西石門鐵礦，2004,7:3-6.

[4] 特厚煤層分層綜放開采覆巖冒裂帶高度觀察研究報告[R]．甘肅華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦，2010，4:93-103.

[5] 許家林，朱衛兵，王曉振．基于關鍵層位置的導水裂隙帶高度預計方法 [J]．煤炭學報，2012，37(5)：762-769.