導水裂隙帶影響下的煤層穩定性及安全開采措施研究

李金松

(大同煤礦集團地質勘測處地質科，山西 大同 037003)

煤礦水災害是礦井幾大主要災害之一，嚴重威脅著礦井的安全開采，在開采中要按照“預測預報、有掘必探、有采必探、先探后掘、先治后采”的原則，加強礦井地質及水文地質工作。

1 礦井充水條件

（1）頂板導水裂縫帶發育高度

采動條件下，覆巖破壞后在采空區上方形成“三帶”，其中冒落帶和裂隙帶是采動破壞形成的人工導水通道。當其波及采空區上方的地表水體或含水層時就會引起頂板突水。因此評價覆巖破壞是否會引起頂板突水，關鍵是確定導水裂縫帶最大發育高度。

未來三年內15、15下煤層開采采用一次采全高，頂板采用全部垮落法管理。據補勘報告對煤層頂底板巖石力學性質統計（見表1），該井田未來三年內開采15、15下煤層，其覆巖巖性屬軟弱～中硬巖性，但夾有極軟弱的泥巖、砂質泥巖及堅硬的中粒砂巖。覆巖總體巖性介于軟弱與中硬之間，考慮安全系數，本次計算取覆巖巖性為中硬。

表1 煤層頂底板巖石力學性質

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》煤層覆巖巖性中硬垮落帶高度計算公式為：

依據公式（1）所得15及15下煤層垮落帶高度發育預測值見表2所示。

表2 煤層跨落帶高度發育預測

15下煤層開采垮落帶大于15、15下煤層間距。根據下層煤的垮落帶接觸到或完全進入上層煤范圍內時，上層煤的導水裂縫帶最大高度采用本層煤的開采厚度計算，下層煤的導水裂縫帶最大高度，則應采用上、下層煤的綜合開采厚度計算，取其中標高最高者為兩層煤的導水裂縫帶最大高度。

據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中綜合開采厚度計算公式：

式中：

M1-上層煤開采厚度，取3.65m；

M2-下層煤開采厚度，取6.10m；

h1-2-上、下層煤之間的法線距離，取3.31m；

y2-下層煤的冒高與采厚之比，取15/6.1；

經計算，15、15下煤層綜合開采厚度為7.29m。

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》，采用經驗法確定煤層上覆導水裂縫帶最大高度。

煤層覆巖巖性中硬導水裂縫帶高度計算公式為：

式中：

∑M-累計采厚，應用范圍為單層采厚1～3m，累計采厚不超過15m。

各煤層開采的導水裂縫帶最大高度計算值見圖1。

圖1 導水裂縫帶最大高度

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》導水裂隙帶最大高度取64m。

（2）底板采動導水破壞帶發育深度

采礦對底板擾動破壞厚度Hi按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》規定公式：

式中：

Hi-底板采動導水破壞帶深度，m；

L-壁式工作面斜長，取150m；

各煤層開采的底板采動導水破壞帶發育深度見圖2。

圖2 底板采動導水破壞帶發育深度

15、15下煤層開采后導水裂隙帶最大高度達64m，詳見圖1，未波及9號煤層(最小距離67.35m)。因此從理論上計算開采15、15下煤層時工作面是安全的。但考慮到9煤采后形成的底板導水破壞帶深度為16.88m（式（1）），當存在陷落柱、斷層等導水構造裂隙時，可導通上覆煤層采空區積水和各含水層間水力聯系。

2 礦井水對采場圍巖穩定性影響的理論分析

煤體夾持理論認為，煤層處于覆巖和底板的夾持之中，而煤體與圍巖的力學特性正是由此夾持特性決定的。

式中：

p-煤體支撐壓力，MPa；

σc-煤體抗壓強度，MPa；

τ-煤體抗剪強度，MPa；

φ-煤體內摩擦角，（°）；

x-研究位置距煤壁的距離，m。

M-開采煤層高度，m。

以煤壁前方的極限平衡理論為基礎，可計算得到極限平衡區的寬度。

式中：

S-極限平衡區寬度，m；

σy-垂直應力，MPa；

N-煤壁的支撐力，MPa；

M-開采煤層高度，m；

f-煤層與頂板間的摩擦系數；

φ-煤體內摩擦角，（°）。

通過分析公式可得：參數T隨著煤體內摩擦角的減小而變大，而極限平衡區寬度與參數T呈正相關關系，在煤壁支撐力變化不大的情況下，極限平衡區寬度也在增加；即隨著礦井水含量的增加，煤幫集中應力前移，高壓區和彈性能量積聚范圍向遠離煤壁方向轉移。

3 礦井水對采場圍巖穩定性影響的數值模擬研究

本次以含水率為指標研究礦井水對采場圍巖穩定性的影響。

圖3 采場圍巖的垂直變形云圖

從圖中看出出現下沉的上覆巖層范圍隨著煤層含水率的升高不斷擴大，進一步導致上覆巖層的下沉量也逐步增加。隨著含水率的增加，關鍵層也隨之產生更大的彎曲變形，更加容易達到極限垮落步距而發生破斷。

模型的破壞可分為拉伸破壞、剪切破壞及拉剪破壞的復合。對于頂板而言，隨著煤層含水率的升高，采空區直接頂塑性破壞區域逐漸擴大，且破壞形式從以拉伸破壞為主過渡為以剪切破壞為主，出現剪破壞的區域向采空區轉移，采空區頂板應力集中程度加劇。

圖4 采場圍巖的塑性屈服云圖

4 塔山礦井15及15下煤層安全開采措施及建議

當礦井含水量較大時，圍巖的變形量和塑性屈服范圍就越大。為了盡可能地控制采空區圍巖的穩定性，由此提出針對的防治水措施：

（1）開采15號煤層時充水水源主要為太原組K2上灰巖、K2灰巖、K3灰巖、K4灰巖水，局部可能受到9號煤層采空區積水影響，對工作面開采有影響。因此，在開拓掘進前，應用井下電磁物探及鉆探等手段，進行進一步探測和驗證，根據探測結果及時采取相應的抽放水防治水措施。

（2）開采15下煤層時充水水源主要為太原組K2上灰巖、K2灰巖、K3灰巖、K4灰巖水，15號煤層采空區積水，局部可能受到6、8、9號煤層采空區積水，注意事項及應對與15號煤層開采相同。

（3）斷層或陷落柱是重要的導水通道。通過斷層、陷落柱有導通松散含水層水和基巖風化裂隙帶含水層，不導水構造在采動影響下也可能成為導水構造。在開拓掘進前，應用井下鉆探、物探等手段，進行進一步探測和驗證，根據探測結果及時采取相應的抽放防治水措施。對于斷層，可采用超前預注漿技術控制斷層破碎帶，使用的注漿材料為瑪麗散。為了減小工作量以及對斷層圍巖的破壞，需要先采用機尾加刀方式，然后調斜工作面，適當減小工作面與斷層傾向的夾角，這樣也可以減小采場斷層的暴露范圍，可保證工作面機道的順暢運行，使工作面快速通過冒頂區。

5 結論

本文以塔山煤礦實際水文地質資料為基礎，采用理論計算結合經驗公式確定了15及15下煤層開采后導水裂隙帶最大高度達64m，未波及9號煤層。隨著礦井水含量的增加，高壓區和彈性能量積聚范圍向遠離煤壁方向轉移，采空區直接頂塑性破壞區域逐漸擴大。為了保證采場的安全開采，應加強對地表變形現象的管理，及時回填治理各種裂隙，防患于未然。