覆巖導水裂隙帶發育高度分析

李彥輝

（河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000）

·試驗研究·

覆巖導水裂隙帶發育高度分析

李彥輝

（河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000）

以河南某礦31071綜采工作面為工程實踐背景，分別從經驗公式、工程類比、數值模擬三方面研究煤層開采后覆巖導水裂隙帶的發育情況。結果表明：采高6 m、9 m時覆巖的“兩帶”發育高度分別為86 m、135 m，對類似地質條件、水庫下采煤提供安全參數等具有重要意義。

開采沉陷；導水裂隙帶；數值模擬

1 工作面概況

國投新登鄭州煤業有限公司（以下簡稱新登煤礦）為國投煤炭公司控股的股份制企業，設計生產能力為60萬t／年，核定年生產能力為84萬t／年，區內地形起伏不平，地勢南高北低，西高東低，總體西南高、東北低。地面高程在506．2～229．3 m，相對高差276．9 m，平均坡度約3°46′。

31071 綜放工作面開采二1煤層，為+35水平31采區南翼，該工作面位于三水平采區中部，北部為三水平開拓巷，東部為31051采空區，西部為31091采空區，南部為井田邊界。31071綜采工作面走向長1 121 m，傾斜長128 m，面積143 488 m2，井下標高+35～-28 m，地面標高+467．1 m。該工作面煤層厚度變化較大，在0．9～9 m，平均厚度為6．0 m，煤層傾角在1°～16°，平均傾角為8°。該面回采煤層為二1煤，黑色，金剛光澤，多呈粉狀、粒狀產出，強度低，視密度1．17～1．42 t／m3，平均1．35 t／m3，真密度1．46 t／m3。煤層局部含少量結核狀硫化物，煤層頂、底板附近煤質一般較劣。煤層沉積基本穩定，局部有薄煤帶，煤層比較松軟。

2 導水裂隙帶高度經驗公式預計

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》以及新登煤礦的現有資料，冒落帶和導水裂隙帶高度可按表1、2計算。計采厚不超過15 m。

表1 冒落帶高度計算公式表

表2 導水裂隙帶高度計算公式表

由于工作面頂板多為砂質泥巖、泥巖和部分砂巖，且根據31071工作面附近鉆孔巖層情況算得的覆巖綜合評價系數，并參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中巖應關系，31071工作面上覆巖層巖性綜合評定為中硬偏軟巖層，出于安全考慮，按中硬巖層求取導水裂隙帶高度，由于31071工作面煤厚在0．9～9 m，為便于對比分析不同采厚的導水裂隙帶高度，特提取平均采高6 m及最大采高9 m作為研究對象，故中硬巖性的冒落帶及導水裂隙帶高度計算公式分別為：

1）新登煤礦二1煤平均采高6 m，按上式計算冒落帶高度如下：

式中：

M—累計采高，m，取6。

代入公式，得：H冒=10．5～14．9 m。

裂隙帶高度如下：

式中：

M—累計采高，m，取6。

代入公式，得：H裂=39．9～51．1 m。

采用綜采放頂煤技術時，其上覆巖層破壞高度較其它煤層開采方法更為嚴重，因此，為了安全起見，公式后“±”一律取“+”號（下同）。

所以，冒落帶及導水裂隙帶高度之和為50．4～66．0 m（取66．0 m）。

2）新登煤礦二1煤最大采高為9 m，按上式計算冒落帶高度如下：

式中：

M—累計采高，m，取9。

代入公式，得：H冒=12．5～16．9 m。

式中：

M—累計采高，m，取9。

代入公式，得：H裂=44．4～55．6 m。

所以，冒落帶及導水裂隙帶高度之和為56．9～ 72．5 m（取72．5m）。

3）按《礦區水文地質工程地質勘探規范》（GB12719～91）規定，導水裂隙帶高度（包括冒落帶最大高度）計算公式如下（公式適用條件：煤層傾角0～54°、巖石抗壓強度40～60 MPa、石灰巖等）：

冒落帶最大高度：

導水裂隙帶高度（包括冒落帶最大高度）：

柳冠中生于1943年，1981年赴德國斯圖加特設計學院主攻工業設計，1984年回國后在中央工藝美術學院創辦了工業設計系。李樂山生于1945年，1989年赴德國留學，1999年歸國任西安交通大學機械學院工業設計系主任。兩人年紀相仿，都是20世紀80年代赴德國留學。德國先進的設計教育理念以及嚴謹務實的設計風格深深地影響了他們，從兩人后來的學術觀點以及社會實踐來看，德國的留學經歷對他們的影響是深遠且伴隨一生的，德式的“嚴謹務實”成為兩人設計思想的主要組成部分，并以此為基礎向不同的研究領域深入，這是兩人“和而不同”的體現之一。因此，分析柳冠中和李樂山的設計思想時，早期的留學背景不容忽視。

式中：

Hc—冒落帶最大高度，m；

Hf—導水裂隙帶高度，m；

M—煤層累計采高，m，取平均采高6、最大采高9兩種情況；

n—煤分層層數，本次取1。

綜上，當采高為6 m時，冒落帶最大高度為24～30 m；導水裂隙帶高度（包括冒落帶）為144．5 m；當采高為9 m時，冒落帶最大高度為36～45 m；導水裂隙帶高度（包括冒落帶）為211．2 m。

3 導水裂隙帶高度工程類比預計

1）根據中國礦業大學北京校區郝延錦的《放頂煤開采條件下覆巖移動規律實驗研究》，認為隨著工作面的推進，采空區上方巖層的“兩帶”（冒落、裂隙）高度也隨之增大，當采空區尺寸達到一定范圍時，“兩帶”（冒落、裂隙）發育高度不再向上發展，隨著時間的推移，其高度亦會有所下降，并最終穩定。在若干組模型實驗數據的基礎上，用回歸分析法得出了放頂煤條件下的冒裂帶高度與采厚關系式為：

據此公式得出的預計冒落裂隙帶高度值與淮南市煤電公司新集礦的實際觀測資料相對比，結果是基本一致的，誤差在6%以內；并得出“放頂煤條件下的冒裂帶高度要比厚煤層分層開采條件下的冒裂帶高度大17%左右，而不是線形成倍增長”的結論。

以此公式來預計新登煤礦31071工作面開采平均采高6．0 m、最大采高9．0 m時導致的頂板巖層冒落裂隙帶高度分別為71．9 m、87．7 m。

2）根據中國礦業大學孫亞軍等《小浪底水庫下采煤導水裂隙發育監測與模擬研究》，在厚煤層一次采全高、厚煤層綜放開采及快速推進高產高效等采煤新技術情況下，導水裂隙實際發育高度在不同礦區有較大變化范圍，一般為煤層采厚的10～22倍。其研究的新安礦主采二疊系山西組二1煤層，煤層厚度為0～18．8m。煤層之上至小浪底庫區水體之間為第四系和二疊系土門組、平頂山組、上石盒子組和山西組，巖性主要為砂巖、泥巖和砂質泥巖，厚度為90～210 m。采煤方法是走向長壁后退式開采，一次采全高。

在通過地面鉆孔超聲波成像觀測、并行網絡電法CT技術探測等多種手段取得新安礦區“兩帶”（冒落帶、裂隙帶）高度發育參數的基礎上，采用Origin非線性擬合工具擬合，得出“兩帶”（冒落帶、裂隙帶）發育高度的計算公式為：

式中：

m—煤層開采厚度，m；

H—導水裂隙發育高度預測值，m。

考慮到新登煤礦31采區的地質采礦條件與新安礦在小浪底庫區水體下的煤層開采具有相似性，可計算出新登礦31采區在放頂煤開采平均采高6．0m、最大采高9．0m時的情況下，導水裂隙帶發育高度分別為86．4m、112．45m。

4 導水裂隙帶高度數值模擬預計

由于煤層開采上覆巖層的移動變形是一個不可預見的動態過程，不能通過有效的手段對其進行實時監測，而UDEC軟件彌補了這個不足，它可以對煤層開采上覆巖層的移動變形進行整體的模擬分析，特別是巖體的局部垮落、分離等。故而UDEC相對其它模擬軟件具有很大的優越性。

依據煤層開采經驗公式及工程類比冒落帶、裂隙帶（簡稱“兩帶”，下同）資料建立UDEC數值計算模型，分別模擬開采平均采高6m時，工作面推進40 m、80m、120m，以及開采最大采高9m時，工作面推進20m、40m、80m、120m時“兩帶”的發育情況，其對應的變形破壞圖見圖1～4。

圖1 采高6m時工作面推進40m“兩帶”高度圖

圖2 采高6m時工作面推進80m“兩帶”高度圖

圖3 采高6m時工作面推進120m“兩帶”高度圖

圖4 采高9m時工作面推進120m“三帶”高度圖

煤層開采后，首先引起直接頂的冒落，隨工作面推進到一定距離，基本頂懸露面積逐漸增大，當達到極限跨距時，基本頂開始斷裂、失穩。當工作面推進40m時，冒落帶已發展到泥巖與細粒砂巖交界面，并在交界面處產生較大離層，冒落高度發展到28m，其裂隙帶發育情況已覆蓋細粒砂巖巖層，并在一定程度上進入中粒砂巖巖層，離層區域分布在細粒砂巖段比較密集，中粒砂巖段離層區有向上繼續發展的趨勢。

隨工作面推進到80m，“兩帶”影響區域進一步擴大，采空區底部冒落巖塊逐步壓實，其中，細粒砂巖下部巖層出現少許冒落情況，其發育高度緩慢增長至約30m；裂隙帶繼續向上發展，離層區域逐漸增多，此時以完全覆蓋細粒砂巖段及中粒砂巖段，并已進入砂質泥巖層。

隨工作面推進至120m，“兩帶”影響區域呈“碗”形分布向兩邊擴展，采空區冒落巖塊進一步壓實，其冒落高度出現了一定程度上的回落，最終穩定在28m左右，裂隙帶內離層區域分布也逐步穩定，向上發育情況不明顯，在水平影響范圍上有一定的增加，其最終“兩帶”高度穩定在86m左右。

當工作面推進至120 m時，冒落、裂隙兩帶發育趨于穩定，冒落帶發育高度分布于泥巖、細粒砂巖、中粒砂巖大部，其高度穩定在45 m左右，裂隙帶離層區域則主要分布在中粒砂巖上部以及砂質泥巖大部，較之工作面推進80 m時變化不大，其高度穩定在90 m左右，故“兩帶”穩定在135 m；彎曲帶較之以前有較大發展，主要是隨著工作面的推進，其水平影響范圍增大。

5 不同預測方法對比情況

通過經驗公式預計分析、工程類比分析以及數值模擬預計分析對開采不同煤層采高引起的“兩帶”高度做了詳細闡述，通過對比分析選取研究適用的結果，這在一定程度上彌補了未對“兩帶”高度進行實測的不足。其各預測方法對比情況見表3。

表3 “兩帶”高度的計算與模擬結果對比情況表

6 結 論

1）通過經驗公式、工程類比、數值模擬三種手段研究了煤層開采后覆巖導水裂隙帶的發育情況，并經過對比分析，得出不同采高（6 m、9 m）條件下“兩帶高度”分別為86 m、135 m。

2）該煤層開采引起的導水裂隙帶發育情況，對類似地質條件水庫下采煤提供安全參數等具有重要意義。

［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，2000：47-48．

［2］ 滕永海，楊建立，朱 偉，等．綜采放頂煤覆巖破壞規律與機理研究［J］．礦山測量，2010（2）：32-34．

［3］ 李 強，段克信，王獻輝，等．康平煤田綜放開采覆巖破壞規律初探［J］．礦山測量，2006（1）：76-78．

［4］ 許延春，李振華，賈安立，等．深厚松散層薄基巖條件下覆巖破壞高度實測分析［J］．煤炭科學技術，2010，38（7）：21-23．

［5］ 李文平．海域首采面綜放開采導水裂縫帶高度預測與實測研究［J］．煤礦開采，2008，13（4）：34-36．

Analysis on Grow th Height for Overlying Strata Water Flowing Fracture Zone

Li Yan-hui

Based on the engineering background of 31071 fully mechanized mining face in a coal mine of Henan，by using the methods of empirical formula，engineering analogy and numerical simulation research the developmental condition of water flowing fracture zone of overlying strata after mining．The results show that＂two zone＂growth height of overlying rock are respectively 86 m and 135 m when the mining height is 6 m and 9 m，which has important significance to provide safety parameters for similar geological conditions and coal mining under reservoir．

Mining subsidence；Water flowing fracture zone；Numerical simulation

TD745

B

1672-0652（2013）10-0031-04

2013-07-09

李彥輝（1986—），男，河南周口人，2012級河南理工大學在讀碩士研究生，主要從事礦區開采沉陷與土地復墾的研究（E-mail）1029131607＠qq．com