辛置煤礦10-428B工作面導水裂隙帶發育高度研究

鄭宏旭

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電10-428B工作面位于10#煤層東四左翼采區，工作面位于東四左翼采區北側，南面為東四左翼軌道巷、皮帶巷，西面為10-428A工作面。工作面開采10#煤層，煤層均厚為2.6m，10#煤層位于太原組下段上部，全井田可采，煤層結構復雜、含兩層或三層夾矸。10#煤頂板巖性以泥巖石灰巖和砂巖為主，直接底為砂質泥巖（0.8m）；老底為中砂巖（7.0m）。

10-428B工作面的主要水源為10#基本頂K2灰巖巖溶裂隙水，該含水層巖溶裂隙發育，含水豐富，現分析10-428B工作面回采期間覆巖的運動情況，掌握工作面回采期間覆巖導水裂隙帶的發育高度，以有效指導后續工作面防治水工作面的開展，特進行工作面導水裂隙帶發育高度的研究分析。

2 導水裂隙帶發育高度理論分析

根據10-428B工作面的具體地質條件可知，工作面長度240m，可采走向長度880m，周期來壓步距平均為18m，覆巖的平均厚度為4.5m，據此可知，工作面上覆巖層板的厚度h與板寬度之間的比值為K≤1/5，據此薄板理論，可將覆巖視為薄板進行分析[1-3]，現采用基于壓力拱效應的薄板理論進行導水裂隙帶動態高度的分析。

1）壓力拱效應：根據導水裂隙帶內巖層破壞的原因，大致可將導水裂隙帶劃分為剪切破壞區和張拉破壞區，具體工作面上覆巖層破壞區的性質及分布特征如圖1所示。根據壓力拱理論可知，導水裂隙帶在走向上的發育斷面圖呈現為拱形，圖1中的剪切破壞區相對不發育，可近似將導水裂隙帶的高度視為張拉破壞區的高度，即前后兩條破裂線與上部巖層形成大的梯形區域。

圖1 工作面上覆巖層破壞區的性質及分布特征

壓力拱效應認為下部巖層所受的載荷與上部巖層的自重并不相等，故建立導水裂隙帶發育高度模型前，需確定張拉破壞區所受載荷情況。如圖2所示，在工作面初始開采階段，推進方向上煤層上方的第一層巖層S1為主要承載層，隨著工作面回采S1發生破斷垮落，形成1#垮落平衡拱，此時上部的S2巖層稱為主要承載層，2#垮落平衡拱隨著回采作業的進行會逐漸發育，隨著回采作業的進一步進行，平衡拱會逐漸發育上移，最終達到充分采動，停止發育[4-6]。同理在工作面傾向方向阿時能夠平衡拱的發育形態同樣如此。

圖2 工作面推進與傾向方向覆巖破斷形態圖

針對上覆巖層薄板模型建立基本的微分方程，薄板的長采用a表示，寬采用b表示，厚度采用h表示，分別將長寬厚位于xyz軸上，建立各變形應變參量彎曲變形時的撓度方程w（x,y），在通過平衡方程求出薄板彎曲微分方程，具體薄板力學模型如圖3a。

圖3 薄板力學模型圖

根據彈性力學知識能夠推導得出，以w(x,y)為基礎變量的薄板彎曲基本微分方程表達式為：

在工作面回采過程中，上覆巖層的力學模型屬于四邊固支的薄板，力學模型如圖4b所示，薄板面所受的荷載呈現為正弦函數的分布，基于材料力學知識能夠推導出第n層巖層中心處的撓度表式為：

式中：E為第n層巖層的彈性模量；hi為第i層巖層的厚度；v為第n層巖層的泊松比；θ1、θ2和θ3、θ4分別為工作面走向方向上的破裂角和傾向方向的破裂角；λ為平衡拱內巖層的平均容重，Lx、Ly分別為工作面的斜長和推進距離。

根據薄板的抗拉強度能夠推導出薄板的極限跨距am和bm，表達式為：

聯立式（2）～（4）能夠計算得出巖層的垮落距Lx，采用薄板模型判斷導水裂隙帶高度時，有以下原則：①當第j層巖層的實際撓度小于極限撓度時，此時該巖層不會發生破斷，當巖層所受撓度超過極限撓度時，巖層便會發生破斷；②當第j層的極限跨距下巖層的撓度大于下方自由空間高度時，不會發生破斷，在該巖層處導水裂隙帶發育高度達到最大值。

根據10-428B工作面具體地質條件，采用壓力拱理論進行導水裂隙帶高度的分析，巖層破斷角經過相似模擬實驗，取θ1～θ4均為60°，具體計算結果如表1所示。

根據10-428B工作面上覆巖層的計算結果及表1中的數據可知，工作面上覆14#巖層的極限撓度為1.785m,大于其下部空間的高度1.305，根據判別準則可知該巖層不會發生破斷，工作面上覆巖層導水裂隙帶在該層達到最大值，導水裂隙帶的高度穩定在42.56m，根據計算過程能夠繪制出導水裂隙帶的動態發育過程如圖4所示。

3 導水裂隙帶發育高度現場實測

為充分保障10-428B工作面導水裂隙帶的發育高度不會導通上覆采空區，需準確得出導水裂隙帶的發育高度，故進一步采用鉆孔彩色窺視進行10-428B工作面導水裂隙帶發育高度的觀測分析，工作面煤層底板平均埋藏深度為331.15m，通過工作面埋深減去煤層厚度及觀測得出的裂隙帶的標高，即能夠得出導水裂隙帶的發育高度。

表1 工作面上覆巖層導水裂隙帶高度計算結果

圖4 導水裂隙動態發育過程曲線圖

本次利用工作面回采前的疏水鉆孔進行窺視作業，鉆孔垂直頂板打設，根據觀測結果能夠得出如圖5所示圖像。

圖5 頂板導水裂隙帶鉆孔彩色窺視觀測圖像

根據鉆孔窺視結果及圖5a中的圖像可知，鉆孔內在279.07m深度及以上的巖層較為完整，從窺視結果上看該區域的巖層主要由泥巖和砂質泥巖組成，且從圖像上能夠看出該區域無明顯的采動裂隙存在。

分析圖5b可知，在窺視鉆孔深度279.07～279.27m之間，存在一個近乎垂直的裂隙，在286.3～294.6m之間巖層存在著眾多的離層現象，另外能夠看出在294m深度以下的巖層中，裂隙發育現象明顯，且裂隙基本以近乎垂直的方向發育，基于此該區域的裂隙發育情況可知，在鉆孔深度為279.07的位置處為導水裂隙帶的發育頂部。

分析圖5c可知，在鉆孔深度298.9m以下的區域，巖層的破壞現象嚴重，裂隙發育程度高，且從圖像中能夠看出存在著較大的空洞，據此可知該處存在著巖層的垮落塌陷現象，結合窺視結果，判定在鉆孔298.8m的深度處為上覆巖層垮落袋的頂部邊界。

因此根據煤層底板的深度，導水裂隙帶的計算式為：

式中：H為導水裂隙帶的發育高度；H'為煤層底板的埋藏深度；M為煤層的厚度；h為導水裂隙帶的頂部深度；基于上述窺視結果能夠得出導水裂隙帶的發育高度H=331.15-279.07-3.4=48.68m。

根據鉆孔窺視結果得出的工作面導水裂隙帶的發育高度與基于壓力拱效應的薄板理論計算得出的導水裂隙帶發育高度基本相同，導水裂隙帶的發育高度為48.68m。

4 結論

根據10-428B工作面的地質條件，采用基于壓力拱效應的薄板理論進行導水裂隙帶發育高度的理論計算和分析，根據分析結果可知，導水裂隙帶的發育高度為42.56m，通過工作面鉆孔窺視結果，得出工作面導水裂隙帶的發育高度為48.68m，與理論分析結果相近，驗證了理論分析的正確性。