高河礦水體下采煤工作面頂板兩帶高度研究

郭亞楠

【摘 要】 文章針對高河礦采煤工作面多處涉及水體下安全采煤等問題，選取W1303作為典型工作面，利用經驗公式及數值模擬進行兩帶高度預計，采用鉆孔沖洗液漏失量、水位觀測、彩色鉆孔窺視探測等手段，對工作面水體下采煤頂板兩帶高度進行實測驗證。結果表明：W1303工作面開采導水裂隙帶發育高度為79.39m，裂采比為11.67;垮落帶高度為21.8m，垮采比為3.21。在正常地質條件導水裂隙帶和垮落帶不會導通頂板上覆第四系松散含水層及地表水系。

【關鍵詞】 頂板破壞;導水裂隙帶;垮落帶;沖洗液漏失量

【中圖分類號】 TD325 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）05-0023-03

準確預計導水裂隙帶高度對工作面水害防治具有意義，而對于水體下采煤工作面而言尤為關鍵。統計數據表明：近年來我國礦井水害事故多是因地下水通過導水裂隙帶涌入工作面所致。因此，相關學者和礦山科技工作者進行了大量導水裂隙帶高度實測和理論研究工作。李新鳳等基于濟三煤礦水文地質條件計算了3#煤導水裂隙帶高度，并對其對生產的影響進行了分析。楊高峰和郝利生等采用經驗公式和FLAC3D數值模擬的方法研究了工作面頂板導水裂隙帶發育高度，為工作面防治水工作提供了技術保障。張凱基于對趙莊煤礦3#煤綜放開采下頂板“兩帶”高度的計算，對頂板水害危險性進行預測。上述研究極大促進了工作面頂板兩帶高度的研究，但對水體下綜采放頂煤一次采全厚頂板裂隙帶發育高度的尚有不足。此外，復合水體下采煤工作面水文地質較為復雜，應針對礦井實際條件進行具體分析。

本文基于上述研究成果，針對高河能源有限公司首采區東一盤區面臨漳河及其支流淘清河下及新生界厚松散含水層下采煤時可能發生水害事故的問題，采用理論計算和數值模擬相結合的研究方法對煤層采動后導水裂縫帶的發育規律及最大導水裂隙帶高度進行研究，為漳河水體下及河漫灘下工作面安全回采提供技術指導。

1礦井概況

山西高河煤礦井田內地表水系發育，首采區東一盤區工作面受濁漳河及其支流淘清河下及新生界厚松散含水層含層影響。W1303綜放工作面為西一盤區首采工作面，周邊均為未采區。工作面推進長約539m，傾向寬206m，開采二疊系山西組3#煤，煤層平均厚度6.5m，煤層傾角約8°，平均采深518m，采煤方法為放頂煤一次采全高采煤法，全部垮落法處理頂板。煤層頂底板巖層情況如表1所示。

2兩帶高度預計及觀測方法

2.1觀測方案設計

為觀測水體下工作面開采頂板最大導水裂縫帶和冒落帶高度，根據該W1303工作面目前開采情況，采用地面鉆孔進行觀測。鉆孔布置在距切眼內側180m左右的位置，在運輸巷內側30m位置處布置孔1，孔1位置煤厚6.80m，在工作面中央布置孔2，煤厚6.84m，在工作面推過設計位置100m左右開始打鉆。鉆孔位置見圖1所示。

參考煤炭行業《導水裂縫帶高度的鉆孔沖洗液漏失量觀測方法》（MT/T866-2000）執行標準，鉆孔鉆進過程中每隔0.5m對鉆孔沖洗液漏失量及鉆進時長進行一次記錄，每次起鉆后、下鉆前分別進行一次水位觀測，詳細記錄鉆進過程中掉鉆、卡鉆位置。終孔后利用彩色鉆孔窺視進行全孔觀測，綜合分析確定工作面“兩帶”發育高度。鉆孔開孔直徑φ146mm，鉆進至基巖風化帶以下5～10m時，選擇在隔水巖層以下硬巖層內下套管封閉止水，套管直徑φ127mm，鉆孔終孔直徑φ89mm。鉆孔結構如圖2所示。

2.2頂板兩帶高度預計

2.2.1經驗公式預計

根據W1303工作面煤層賦存條件，結合“三下采煤”規程相關規定，導水裂隙帶最大高度可采用中硬巖層頂板預計式（1）和公式（2）進行計算：

H=20+10（1）

H=±5.6（2）

其中，H為導水裂隙帶高度，單位m;M為累計采厚，單位m，孔1時取6.80m，孔2時取6.92m。將孔1時累計采厚M=6.80m分別帶入式（1）和式（2）計算得導水裂隙帶高度為62.15m和62.61m;將孔2時累計采厚M=6.92m分別帶入式（1）和式（2）計算得導水裂隙帶高度為52.56m和52.76m，

2.2.2數值模擬計算

基于FLAC3D建模原理，根據高河W1303工作面頂底板地質條件建立模型，為計算方便，對模型進行簡化，用施加應力的方法來代替上覆部分巖層，模型長700m，寬700m，高330m。根據高河礦巖石物理力學實驗報告選取了煤巖層物理力學參數，如表1所示。

工作面模擬切眼長206m，推進長度300m，采厚6.8m，模擬結果如圖3所示。

由圖3可知，工作面推進過程中，頂板塑性破壞區范圍不斷加大，巖體在煤壁附近受剪切力較大，發生剪切破壞，而在采空區頂板淺部主要發生拉張破壞。分析認為剪切塑性破壞最大高度為頂板裂隙帶破壞高度，而采空區頂板拉塑性破壞高度為發生垮落的巖層。因此根據W1303工作面推進300m數值模擬結果，導水裂隙帶最終發育高度為77.5m，裂采比為11.40;垮落帶高度為20.48m，垮采比為3.01。

3觀測結果分析

3.1孔1觀測結果分析

圖4為孔1鉆進過程中沖洗液漏失量和水位變化曲線。孔1鉆孔累計進尺509.51m，在孔深小于435m范圍內沖洗液漏失量變化不大，總體趨勢趨于平緩，自孔深438.71m開始，沖洗液漏失量有明顯增大，至446.84m處沖洗液循環中斷，全部漏失，在孔深446.74m至448.24m之間連續進行注水實驗，未見返水。對比鉆孔水位下降速度，其同單位時間漏失量的變化趨勢基本一致。

鉆孔窺視探測自孔口開始至509.51m結束，實際探測深度為509.51m。孔深435m以上巖層多處出現裂隙，但裂隙細微、近水平、閉合，且均為橫向裂隙，經分析應為原生裂隙或受采動影響而進一步發育的原生裂隙;在孔深437.87m之后出現縱向裂隙，裂隙垂向距離為0.27m，裂隙寬度為3.5cm，如圖5（a）所示;在孔深444.84～445.96m之間處有一處長度1.12m的高角度近垂向裂隙，裂隙發育形態較破碎，且在445.96m以下多次出現較發育裂隙。從496.30m開始，巖層破壞程度較高，發育開始較為破碎，不僅出現大量發育連通、裂隙密度較大、橫縱交錯的裂隙，而且還出現有壓實的痕跡的碎塊，破壞狀態較上覆巖層更為劇烈，如圖5（b）所示。

通過對孔1沖洗液漏失量、水位、鉆孔窺視觀測結果及鉆進記錄分析，確定導水裂縫帶頂點為438.71m，垮落帶頂點為496.30m。孔1位置煤層底板距孔口垂距為524.90m，采厚為6.80m。經計算孔1位置3#煤層導水裂縫帶高度為79.39m，為采厚的11.67倍;垮落帶高度為21.8m，為采厚的3.21倍。

3.2孔2觀測結果分析

圖6在孔深443.96～446.35m之間孔內水位下降速度有明顯升高，說明該層段裂隙較上層發育;在孔深462.60～467.11m之間水位變化速度有所上升，說明該層段裂隙較為發育。孔2在鉆進至孔深443.96m測得水位84.3m，在孔深446.35m測得水位110.5m，水位在鉆進2.65m之內下降了26.2m，說明在443.96～446.35m之間裂隙比較發育，水位下降幅度大，下降速度較快。

彩色鉆孔窺視探測自孔口開始至507.28m結束，實際探測深度為507.28m。孔深430.50m以上巖層多處出現裂隙，但裂隙細微、近水平、閉合，且均為橫向裂隙，經分析應為原生裂隙或受采動影響而進一步發育的原生裂隙;圖7（a）顯示在孔深443.50～446.10m之間首次出現縱向裂隙，裂隙垂向距離為0.6m，裂隙寬度為3.5cm。從495.60m開始，巖層破壞程度較高，發育開始較為破碎，從之前的裂隙發育發展成圖7（b）所示的破碎發育，孔隙連通、裂隙密集，橫縱交錯，而且還出現有壓實的痕跡的碎塊，破壞狀態較上覆巖層更為劇烈。

通過鉆孔沖洗液漏失量、水位、鉆孔彩色窺視觀測結果及鉆進記錄分析，導水裂縫帶頂點為443.96m，垮落帶頂點為495.60m;通過鉆探班報表記錄及巖芯采取情況得知，孔2位置煤層底板距孔口垂距為523.54m，且該孔位置3#煤層開采厚度為6.84m，經計算孔2位置3#煤層導水裂縫帶高度為72.66m，為采厚的10.62倍;垮落帶高度為21.02m，為采厚的3.07倍。

4結論

W1303工作面在靠近回采巷道一側的導水裂縫帶高度最大，最大發育高度為79.39m，裂采比為11.67;垮落帶高度為21.8m，垮采比為3.21，工作面中央位置導水裂縫帶高度為72.66m，為采厚的10.62倍;垮落帶高度為21.02m，為采厚的3.07倍，相比兩側略有減小。實測結果與經驗公式計算結果相差較大，與數值模擬計算結果相接近。工作面在正常地質條件下開采后形成的裂隙帶不會導通松散含水層及地表水系。

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