近距離煤層采后覆巖導水裂隙帶高度數值模擬研究＊

仇圣華 曹福輝 楊志錫 劉 猛 鄭景龍 種欲偉

（1.上海應用技術學院城市建設與安全工程學院，上海市奉賢區，201418）（2.山東豐源遠航煤業有限公司，山東省滕州市，277518）

近距離煤層采后覆巖導水裂隙帶高度數值模擬研究＊

仇圣華1曹福輝2楊志錫1劉 猛2鄭景龍2種欲偉2

（1.上海應用技術學院城市建設與安全工程學院，上海市奉賢區，201418）（2.山東豐源遠航煤業有限公司，山東省滕州市，277518）

山東趙坡煤礦為安全開采煤炭資源，采用經驗公式預計和計算機數值模擬方法，分別研究了單獨開采12下＃煤層后及全采12下＃煤層、14＃煤層兩近距離煤層后覆巖導水裂隙帶高度。采用經驗公式計算出的兩值分別為33.7 m和41.2 m；采用計算機模擬方法計算出的兩值分別為35.6 m、41.7m。兩種計算方法所得結果基本一致。

近距離煤層 導水裂隙帶高度 數值模擬 覆巖破壞 “三帶”高度

1 工程概況

山東趙坡煤礦于1994年12月正式投產，設計生產能力30萬t/a，現核定生產能力69萬t/a。采用立井開拓方式、走向長壁采煤法采煤，全部垮落法管理頂板。該礦主采煤層有9＃、12下＃、14＃、15上＃、16＃、17＃煤層。其中9＃煤層、12下＃煤層的頂板均為五灰巖，底板分別為泥巖、砂巖互層與八灰巖；14＃煤層的頂板主要是八灰巖，底板為泥巖、砂巖互層；15上＃煤層的頂板主要是九灰，底板為粉細泥灰煤互層；16＃煤層、17＃煤層的頂板分別是十下灰巖、十一灰，底板為泥質、粉砂巖互層。各可采或局部可采煤層的厚度、層間距及煤層結構等情況見表1。

目前，該礦已開采12下＃、14＃煤層。煤層采后覆巖要發生破壞、位移，出現冒落帶、裂隙帶和彎曲帶，簡稱“三帶”。冒落帶和裂隙帶稱為導水裂隙帶。為科學預測該礦在12下＃、14＃煤層開采后覆巖破壞導水裂隙帶的高度，現對其開展數值模擬研究。

表1 可采煤層特征一覽表

2 煤層開采后覆巖導水裂隙帶高度的預計

2.1 煤層開采后覆巖冒（垮）落帶高度

趙坡煤礦12下＃、14＃煤層為單一煤層開采，其中12下＃煤層最大厚度1.89 m，平均厚度1.20 m，規劃設計破底開采厚度為1.40 m；14＃煤層最大厚度0.95 m，平均厚度0.68 m，規劃設計破底開采厚度為1.70 m。根據原國家煤炭工業局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》（以下簡稱“規程”）中冒（垮）落帶最大高度計算的經驗公式：

∑M——采厚，m。

對于12下＃煤層，根據式（1），按煤層最大厚度值計算，冒（垮）落帶高度6.78±2.2 m；按規劃設計破底采厚1.4 m計算，冒（垮）落帶高度5.47±2.2 m。

對于14＃煤層，根據式（1），按煤層最大厚度值計算，冒（垮）落帶高度4.05±2.2 m；按規劃設計破底采厚1.7 m計算，冒（垮）落帶高度6.3±2.2 m。

2.2 煤層開采后覆巖導水裂縫帶高度

根據《規程》以及煤層開采參數和地質采礦條件，導水裂縫帶高度可按下式計算：

式中：HLi——導水裂縫帶高度，m；

∑M——采厚，m。

一般地，根據式（2）計算的結果值比根據式（3）計算出的值小。出于安全角度考慮，這里采用式（3）計算。因該礦12下＃、14＃兩層煤間距為2.47 m，小于14＃煤層作為單一煤層按規劃設計采厚開采的覆巖跨落帶高度，故12下＃與14＃兩層煤采后導水裂縫帶高度需按近距離煤層開采計算。

湯翠沒有和他吵，反正時間還早，她有耐心搞清楚侯大同的想法。一千萬不可能，可人家真的帶著一嶄嶄鈔票來了，你侯大同還能給扔出去？

根據《規程》，近距離煤層開采的綜合開采厚度按下式計算：

式中：Mz1－2——綜合開采厚度，m；

M1——上層煤采厚，m；

M2——下層煤采厚，m；

h1－2——上下煤之間法線距離，m；

y2——下層煤的冒高與采厚比。

對12下＃煤層按規劃設計破底采厚1.4 m計算，根據式（3），其采后覆巖采動導水裂縫帶高度HLi為33.7 m。

對14＃煤層按規劃設計破底采厚1.7 m計算，根據式（4），近距離煤層12下＃、14＃煤綜合開采厚度M12－14為2.43 m。

這樣，根據式（3）得近距離煤層12下＃、14＃煤層采后覆巖采動導水裂縫帶高度HLi12－14為41.2 m。

3 近距離煤層采后覆巖導水裂隙帶高度的數值模擬

3.1 計算機模擬模型的建立

緩傾斜、傾斜煤層開采后，其在傾向方向位移量大于其在走向方向位移量。根據該礦具有代表性的地質剖面圖，且以“17－25點”為基點，在水平方向取600 m長，垂直方向取430 m長，建立該礦煤層開采覆巖破壞的計算機模擬計算模型，見圖1。

本計算機模擬計算模型按平面應變條件建立，且模型上表面為自由面，側面可產生垂直方向的變形，底面不產生垂直方向的變形。

圖1 計算機模擬計算模型示意圖

3.2 回采工作面參數

該礦12下＃、14＃煤層均采用對拉工作面進行開采。其中，回采12下＃煤層時布置的上工作面長80 m，下工作面長75 m；回采14＃煤層時布置的上工作面長85 m，下工作面長80 m。上、下材料巷高2.0 m，寬2.2 m；運輸巷高2.0 m，寬2.6 m。上材料巷旁所留護巷煤柱長、寬分別為6 m；護巷硐室寬2 m，長6 m。采厚均為規劃設計值。

地層主要物理力學性質指標值如表2所示。

表2 地層物理力學性質指標值

3.3 計算機模擬計算結果

該礦單獨開采12下＃煤層后，其覆巖位移計算機模擬計算結果如圖2所示；開采近距離煤層12下＃、14＃煤層后，覆巖位移計算機模擬計算結果如圖3所示。

由圖2可得，按規劃設計采厚，單獨開采12下＃煤層后冒落帶最小2.7 m，最大6.7 m，平均4.7 m，導水裂隙帶高度平均值為35.6 m；由圖3可得，按規劃設計采厚，開采近距離煤層12下＃、14＃煤層后冒落帶最小6.4 m，最大8.8 m，平均7.6 m，導水裂隙帶高度平均值為41.7 m。

4 兩種方法計算結果比較分析

（1）按規劃設計采厚，單獨開采12下＃煤層時，根據《規程》中經驗公式計算得冒落帶為5.47±2.2 m，導水裂隙帶高33.7 m。

顯然，按規劃設計開采厚度，單獨開采12下＃煤層時，其冒落帶高度計算機模擬計算結果平均值比經驗公式計算結果平均值減少了0.77 m，其導水裂縫帶高度計算機模擬計算結果平均值比經驗公式計算結果平均值增加了1.9 m。

（2）按規劃設計采厚，開采近距離煤層12下＃、14＃煤層后，根據《規程》經驗公式計算冒落帶為6.3±2.2 m，導水裂隙帶高41.2 m。

顯然，按規劃設計開采厚度，開采近距離煤層12下＃、14＃煤層后，其冒落帶高度計算機模擬計算結果平均值比經驗公式計算結果平均值增加了1.3 m，其導水裂縫帶高度計算機模擬計算結果平均值比經驗公式計算結果平均值增加了0.5 m。

5 結論

（1）采用經驗公式計算，按規劃設計開采厚度開采12下煤層時，其導水裂隙帶高度最大值為33.7 m；按規劃設計開采厚度，開采近距離煤層12下＃、14＃煤層后，導水裂隙帶高度最大值為41.2 m。

（2）采用計算機模擬方法計算，按規劃設計開采厚度開采12下＃煤層時，其導水裂隙帶高度最大值為35.6 m；按規劃設計開采厚度，開采近距離煤層12下＃、14＃煤層后，導水裂隙帶高度最大值為41.7 m。

可見，采用計算機模擬方法、經驗公式計算所得導水裂隙帶高度最大值基本一致。按規劃設計開采厚度、單獨開采12下＃煤層與按規劃設計開采厚度、開采近距離煤層12下＃與14＃煤層后，上覆巖層冒落帶高度、導水裂隙帶高度均略有增加。研究成果對該礦井安全開采煤炭資源具有重大的指導作用。

［1］ 王雙美.導水裂隙帶高度研究方法概述［J］.江蘇地質，2006（1）

［2］ 劉保衛.采場上覆巖層“三帶”高度與巖性的關系［J］.煤炭技術，2009（8）

［3］ 呂霽，孫世國.特厚煤層綜放開采上覆巖層導水裂隙帶高度研究［J］.中國煤炭，2010（1）

［4］ 欒元重等，近距煤層開采覆巖導水裂隙帶高度觀測研究［J］.采礦與安全工程學報，2010（1）

［5］ 陳榮華，白海波，馮梅梅.綜放面覆巖導水裂隙帶高度的確定［J］.采礦與安全工程學報，2006（2）

［6］ 張建全，廖國華，黃在文等.綜放開采條件下覆巖離層動態發育規律［J］.北京科技大學學報，2001（6）

［7］ 劉增輝等，利用數值模擬方法確定導水裂隙帶發育高度［J］.礦業安全與環保，2006（5）

Numerical simulation on height of water conducted zone in after－mining overlying strata in close－distance coal seams

Qiu Shenghua1，Cao Fuhui2，Yang Zhixi1，Liu Meng2，Zheng Jinglong2，Zhong Yuwei2
（1.College of Urban Construction and Safety Engineering，Shanghai Institute of Technology，Fengxian，Shanghai 201418，China；2.Shandong Fengyuan Yuanhang Coal Co.，Ltd.，Tengzhou，Shandong 277518，China）

In order to achieve the safe mining，Zhaopo Mine applies two methods of empirical formula and numerical simulation to study the height of water conducted zone in after－mining overlying strata in two circumstances including No.12（lower）coal seam is exploited alone，and the close－distance seams of No.12（lower）seam and No.14 seam are completely exploited.The two values of 33.7 m and 41.2 m are obtained from the empirical formula，and 35.6 m and 41.7 m from the numerical simulation.The two results are nearly consistent.

close－distance coal seams，height of water conducted zone，numerical simulation，overlying strata failure，height of"three zones"

TD823

A

上海市教委重點學科項目（J51502）；《安全土木特色建設》項目（405zk090115001）

仇圣華（1967－），男，漢族，2002年畢業于同濟大學，獲工學博士學位；副教授，高級工程師?，F從事地下結構工程及工程管理方面教學與研究工作，公開發表論文20多篇。

（責任編輯 張毅玲）