陜北某礦3號煤層開采導水裂縫帶高度測定*

張哲鵬，黃慶享，賀雁鵬

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

近年來陜北地區保水開采成為綠色采礦研究熱點，國內專家學者也對導水裂縫帶發育規律及高度預測進行了大量研究。黃慶享[1-2]提出隔水巖組的“上行裂隙”發育高度和“下行裂隙”發育深度都與采高成正比，合理限制一次采高可以控制裂隙帶發育高度，提高隔水巖組穩定性；并指出，根據采空區上覆巖層垮落和移動特征，可將覆巖劃分為“冒落帶、塊體鉸接帶、似連續帶和彎曲下沉帶”的“四帶”。張杰等[3]對榆神府礦區砂基型水文地質條件進行分類，建立導水裂縫帶高度計算公式。趙高博等[4]分析了上覆巖層懸空完整和懸伸穩定力學模型，用極限懸空距和極限懸伸距為判據分析巖層破壞，得出導水裂縫帶高度公式。目前，針對煤層開采覆巖導水裂縫帶的確定方法有理論分析法、現場實測法、實驗模擬法、數值計算法和公式預計法等。已有相關文獻通過現場實測手段對覆巖導水裂縫帶高度進行了實測，確定了各礦的裂采比[5-8]。另有部分文獻采用FLAC3D和UDEC模擬了工作面覆巖垮落規律及導水裂縫帶發育規律，預測了導水裂縫帶高度[9-13]。上述研究表明，導水裂縫帶的發育受開采和覆巖條件的影響，需要具體研究；采用物理相似模擬方法具有直觀和可靠的優點。

為此，以陜北某礦3號煤層開采為背景，以其一盤區1309工作面為研究對象，采用物理模擬和工程類比的方法，研究1309工作面開采過程中覆巖垮落規律，以確定導水裂縫帶發育高度，進而為礦井頂板水害防治和安全生產提供指導。

1 工程背景

井田位于陜北侏羅紀煤田榆橫礦區南區的西北部，3號煤層為井田內全區可采煤層，儲量豐富，煤層埋深最淺為135 m，平均280 m，實驗段地表160 m。煤層厚度2.80～3.36 m，工作面采高3 m，工作面寬度300 m。目前，主要開采區域在一盤區，地表有較多水系、水庫、文物遺跡等建筑物和設施，采動裂隙發育規律，對“三下”安全開采的合理煤柱等參數，具有重要應用價值。

2 物理模擬實驗設計

根據關鍵層理論中給出的關鍵層判別方法，結合覆巖巖性計算得出，覆巖中存在3組關鍵層，分別位于4號、12號、21號巖層層位，見表1。為了更好地掌握工作面的覆巖垮落和導水裂縫帶發育規律，物理模擬相似比為1∶100，采用平面應力模型，模擬尺寸為3.0 m×0.2 m×1.6 m(長×寬×高)，模型表土層部分采用等效載荷模擬，如圖1所示。

圖1 實驗模型

表1 模擬實驗相似材料配比方案

模型從左向右開挖，每次開挖2 cm。考慮到模型邊界效應的影響，模型左右兩側分別設置30 cm的邊界保護煤柱。

3 導水裂縫帶發育規律

3.1 覆巖垮落規律和裂隙發育特征

3.1.1初次來壓

隨工作面推進，直接頂隨采隨垮。工作面推進至30 m時，直接頂初次大范圍垮落，垮落高度為5.0 m，支架壓力從3 150 kN升高至6 520 kN。

工作面推進到46 m時，老頂初次來壓，來壓步距46 m。頂板垮落高度7.5 m，上部離層2.5 m，裂隙帶高度10.0 m，裂采比為3.33。冒落懸空老頂垮距28 m，回采側基巖垮落角51°，如圖2所示。

圖2 推進至46 m，老頂初次來壓

3.1.2 第1次周期來壓

當工作面推進至64 m時，老頂周期破斷，工作面周期來壓，來壓步距18 m，垮落高度13.6 m，上部離層厚度4.0 m，覆巖裂隙帶高度17.6 m，裂采比5.8。老頂懸空巖層寬度34 m，回采側基巖垮落角55°，如圖3所示。

圖3 推進至64 m，第1次周期來壓

3.1.3 第2次周期來壓

工作面推進至80 m時，頂板第2次周期來壓，來壓步距16 m。回采側覆巖豎向裂隙較為發育，巖層發生彎曲下沉使已垮落巖層壓實，巖層裂隙帶高度迅速發育。此時，基巖垮落高度37.2 m，垮落巖層上方7.0 m范圍內有明顯離層，裂隙帶高度發育至44.2 m，裂采比上升為14.7，基巖垮落角增大為59°，如圖4所示。

圖4 推進至80 m，第2次周期來壓

3.1.4 第3、4次周期來壓

工作面繼續推進至90 m時，第3次周期來壓，來壓步距10 m，垮落高度38 m，上部離層厚度8 m，裂隙帶總高度46 m。推進至106 m時，第4次周期來壓，來壓步距16 m，垮落帶高度增大為56 m，上部離層巖層厚度7.0 m，裂隙帶總高度增大為63 m，裂采比為21.0，如圖5所示。

圖5 推進至106 m，第4次周期來壓

3.1.5 第6、7次周期來壓

工作面推進至146 m時，第6次周期來壓，來壓步距為16 m，此時，豎向裂隙發育至93.7 m后保持穩定。關鍵層彎曲下沉，下部離層開始減小或閉合，上部巖層進入彎曲下沉帶。工作面推進至156 m時，第7次周期來壓，來壓步距為10 m，覆巖整體下沉，地表明顯沉降，工作面達到充分采動，如圖6所示。此時，裂隙高度繼續向上發育了8 m，達到101.7 m，覆巖離層全部閉合，裂采比為33.9，基本穩定在34以內。

圖6 推進至156 m，第7次周期來壓

3.2 裂隙帶發育規律

根據實驗得出，裂隙帶發育高度隨工作面推進距離的變化規律，如圖7所示。工作面推進到146 m，第6次周期來壓前，垮落巖層上部仍然存在較明顯的離層巖層，隨推進距離的增大，離層高度為2.5～8.0 m。在第6次周期來壓后，裂隙帶頂部巖層出現較明顯的撓曲，離層逐漸消失，逐步過渡到彎曲下沉帶。第7次周期來壓(推近距離156 m，接近蓋山厚度)達到充分采動，地表彎曲下沉。至此，導水裂縫帶發育達到穩定，高度為101.7 m，采高3 m，裂采比為33.9。

圖7 導水裂縫帶發育高度動態

在開采過程中，豎向裂隙是影響導水裂縫帶高度發育的主要因素，實驗得出隨工作面推進的豎向裂隙發育的動態演化規律，如圖8所示。當工作面第7次周期來壓后，覆巖豎向裂隙發育到第二關鍵層處基本穩定，不再升高，導水裂縫帶高度達到最大值。隨著繼續推進，上部進入彎曲下沉帶。

圖8 豎向裂隙動態發育

4 工程實例類比

通過收集榆神府礦區內部分礦井的導水裂縫帶高度實測資料，見表2。

表2 工作面導水裂縫帶發育高度統計

表中榆陽煤礦和榆樹灣煤礦與本次研究對象的開采條件相近，實測得出裂采比為27.51和27.1，本文結論所得裂采比為33.9，為實測的1.25倍，結果基本接近。

5 結論

(1)通過物理相似模擬實驗，得出該煤礦1309工作面的初次來壓步距為46 m，周期來壓步距10～18 m，導水裂縫帶高度101.7 m，裂采比33.9；冒落帶高度11.5 m，冒采比3.8。

(2)實驗發現1309工作面覆巖中第二關鍵層對該工作面的導水裂縫帶發育起主要作用。當工作面達到充分采動時豎向裂隙發育高度達到最大值，決定了裂隙帶發育高度的最大值。