金沙河下采煤地表移动变形与导水裂隙带高度预测分析

李 曌,王金安

(1．北京科技大学金属矿山开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；2．北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

随着社会经济的飞速发展，能源需求强劲，煤炭产量日益增大，使得河流下、建筑物下和公路、铁路下压埋的复杂难采煤炭资源得以开发。作为煤矿企业，无论是站在国家经济发展的高度，还是站在企业效益稳定的角度，把“三下”煤炭资源开采出来都是非常必要的。天祝煤矿3225上、3225、3227工作面已开采完毕，正在准备开采3229工作面，开采难度和开采风险较大，影响了矿山生产的持续性。因此，急需开展河下采煤的研究工作。本文就3229工作面分段试采后地表移动变形和导水裂隙带高度进行预测，分析对金沙河河床的影响。

1 工程概况

天祝煤矿三号井分为一采区、二采区、三采区，一、二采区位于炭山岭煤田的中部，三采区位于炭山岭煤田的南部。一、二采区位于炭山岭煤田中部，北至F11、F12断层，南以12#勘探线与千马龙煤矿相邻，东、东南到煤层零点边界，西以中煤层2750底板等高线垂直向上投影至地表；三采区位于炭山岭煤田之南部，西以2630煤层底板等高线垂直向上投影至地表为界，东、南、北界以煤层可采边界为界。矿井开采面积10.9084km2。三采区地层走向一般为北10°～40°西，倾向北东，倾角一般为9°～18°之间。受F2逆断层影响，浅部(西部)煤层倾角加大甚至倒转，而深部(东)则受基底起伏影响，煤层走向变化大，出现了较为宽缓的背向斜，19～22线深部局部地段倾角缓,甚至出现了小构造盆地。

侏罗系中统窑街组(J2Y)为区内主要含煤地层，含煤总层数为四层(自上而下分别为：顶层煤、上层煤、中层煤及下层煤)，平均总厚度为9.94m，其中可采煤层两层：上层煤及中层煤，局部可采煤层一层(顶层煤)，可采煤层平均总厚度为9.82m。埋芷深度，以西部煤层露头线一带最浅，大致向东渐变深，最深达510m(南17号孔)，本层平均厚度215m，最大厚度315m，最小厚度40m。据专门水文地质钻孔揭露本层系为孔隙裂隙承压含水层，为井田内主要含水层。水头压力较大，多数能自流，涌水量变化较大。炭25(一采区)、南13(三采区)的单位涌水量分别为0.073kL/S·m和0.0016kL/S·m。

天祝煤矿煤层以全部垮落法的方式进行开拓。3229工作面位于三采区。其中金沙河自井田北部流入，沿南北走向几乎贯穿了整个三号井田。为季节性河流，金沙河走向大致平行于煤层走向。图1是天祝煤矿工作面与金沙河位置对照图，图中坐标原点(0,0)的大地坐标是(62500,86000)，其中X-正轴指向北、Y-正轴指向西(图1、表1)。

2 计算参数

参照天祝煤矿地质和开采技术条件，以及有关开采沉陷理论研究和现场实测分析结果，应用基于随即介质理论的三维概率积分方法计算对各工作面开采引起的地表移动变形的计算参数如下[1]：

图1 天祝煤矿工作面位置

表1 工作面开采顺序与开采技术参数

1) 下沉系数η=0.87

2) 水平移动系数b=0.24

3) 主要影响角正切tgβ=1.7

4) 拐点偏移距S走向=48m，S倾向=51m

5) 最大下沉角θ=80

3 试采预测结果

3.1 开采影响范围地表移动变形预测结果

地表移动观察表明，在工作面开采到一定距离后，随着采空区范围的扩大，岩层移动逐渐发展到地表，使地表产生移动和变形。开采沉陷研究显示，开采引起的地表移动过程，受开采深度、开采厚度、采煤方法以及煤层产状和覆岩力学性质等多种地质采矿因素的影响[2]。本报告依据上述计算参数，计算出了由3225上、3225、3227、3229工作面开采引起的地表移动变形，包括地表下沉、水平移动、水平变形、倾斜和曲率(表2、表3，图2)。

表2 沿煤层走向地表最大移动变形值汇总

表3 沿煤层倾向地表最大移动变形值汇总

图2 开采影响范围地表下沉等值线

3.2 金沙河河床移动变形预测结果

地下开采对河流的影响主要表现在下沉、水平变形和倾斜。对3229工作面开采后分析金沙河河床的移动变形情况(图3、表4)。

(“+”表示拉伸变形，“-”表示压缩变形)

表4 金沙河河床最大移动变形值汇总

4 导水裂隙带理论

覆岩破坏，无论是其形态、最大高度还是裂缝的连通性都是有规律可循的。采空区上覆岩层按破坏程度划分为冒落带、裂隙带和整体弯曲带，其中冒落带和裂隙带都是透水的，合称为导水裂隙带。对于塑性较好的岩体来说形成“三带”的过程较为明显；对于可塑性较差的岩体来说，其“三带”发展过程较为剧烈、突然。整体弯曲带的岩层和地表基本是连续的，不存在覆岩破坏与地表破坏的连通性问题，不构成导水通道。按照岩层开裂的程度，导水裂隙带分为四个区域：冒落性破坏区、严重开裂区、一般开裂区和微小开裂区[3]。如图4所示。

图4 覆岩破坏的分带示意图

4.1 规程下二带高度计算

根据2000年5月26日国家煤炭工业局指定的《建筑物、水体铁路即主要井巷煤柱开采规程》为标准。

根据《建筑物、水体铁路即主要井巷煤柱开采规程》，厚煤层开采的导水裂隙带高度计算公式，对天祝煤矿导水裂隙带进行预计：

Hf=20(∑M)1/2+10=73.2m

式中,Hf为导水裂隙带高度；∑M为累计采厚，取6.32m[1]。

根据《建筑物、水体铁路即主要井巷煤柱开采规程》中关于开采单一煤层的垮落带最大高度计算公式，对天祝煤矿冒落带最大高度进行预计：

Hm=100∑M/(4.7∑M+19)±2.2=15.2m

式中，Hm为冒落带最大高度；∑M为累计采厚，取6.32m。

4.2 变形分析法导水裂隙带高度计算

拟采用变形分析方法确定导水裂隙带的顶点。水体下采煤实践表明，软弱岩层较坚硬岩层更能承受较大的水平拉伸变形。一般认为，坚硬岩层沿层面方向断裂的产生就意味着岩体破坏，亦即导水，而对于软弱的岩层(如泥岩)，在其时水平拉伸变形达到1～2mm/m时才会产生裂隙并导水。对于基岩柱较小的中硬覆岩中的坚硬岩层来说，当工作面走向长度足够长时一般都会发生断裂破坏，而其中的一定层位上的软弱岩层则可能只发生塑性破坏，也就成为了抑制导水裂隙带向上进一步发展的关键层所在，因此上覆软弱岩层受采动影响产生的水平拉伸变形值决定了岩体破坏的产生和破坏程度的大小。对上覆软弱岩层受采动的水平拉伸变形进行分析，其产生临界值点的高度即为“冒落带”的顶点，所以应用岩层的临界水平拉伸变形值确定导水裂隙带顶点位置是一种可行的方法。

由于导水裂隙带内的岩层保持原有的层次，且位于导水裂隙带顶点内的岩层只是产生微小开裂而不断开，因此仍可以用固支梁力学模型来分析水平拉伸变形[4]，如图5所示。

通过解算，可得固支梁的最大挠度为：

图5 固支梁力学模型

由于在弯曲粱的中性轴下端面产生的水平拉伸变形，并且在粱的下端即y=h/2的端面上水平拉伸变形值最大，因此只要此处的最大变形值εmax不超过岩层的临界水平拉伸变形值，那么该岩层就不会产生导水裂隙带，其中：

在裂隙带发展到一定高度后，裂隙带范围的软弱岩层(如泥岩)是抑制导水裂隙带向上发展的关键。在此取泥岩等软弱类岩层的临界水平拉伸变形值为2mm/m，则可以得到岩粱受力弯曲产生最大水平拉伸变形值时的跨距：

这种条件下所对的该岩层下端面到煤层顶板的距离H就是此时导水裂隙带发育的极限高度[4]。

本次计算以南45钻孔资料为计算基础，确定有关岩层厚度和主要岩性参数。结合变形分析方法计算原则、力学试验结果，覆岩岩性列出该计算基础数据，见表5。

表5 部分岩层力学参数

上覆岩层的荷载q系由岩梁自重及其上覆岩层共同作用，可按下式计算：

式中：qi为第i层岩层承载载荷，kN/m；γ为表示平均容重，在此岩层取26kN/m，土层24kN/m；Hi为第i层岩层分层厚度，m。计算结果见表6。

表6 上覆岩层承载荷载

考虑岩层移动变形最终稳定状态下上覆岩层最大自由下沉空间计算公式：

根据表7的变形分析计算结果，可以看出覆岩的岩层中，序号为14的砂岩分层厚度为5.66m，其产生临界水平拉伸变形值时该岩层岩梁的跨距为451.34m，在该临界跨距下的最大挠度远大于其最大允许下沉空间，离煤层顶板较远，抑制了导水裂隙带向上发展；同时随着开采范围的增大(多区段开采互相影响效应)，14号控制层可能断裂导水，可靠的控制导水裂隙带的关键层为8号层。

表7 变形分析法综合计算结果

因此在工作面开采6.32m煤层的条件下，引起覆岩最大导水裂隙带高度的理论计算高度为80m[5]。

根据变形分析法计算的导水裂隙带高度大于《建筑物、水体铁路即主要井巷煤柱开采规程》公式计算出的，为了安全起见，确定导水裂隙带高度为80m(图6)。

5 结论与建议

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，矿区的水体采动等级及允许采动程度规定，天祝煤矿允许采动等级应属Ⅰ级，不允许导水裂隙带波及地面水体。煤层位于中侏罗系(窑街组及新河组)孔隙裂隙承压含水层内。随着煤层的开采而垮落或断裂，导水裂隙带可能会破坏到中侏罗系孔隙裂隙承压含水层，预计矿井涌水量会增大；第四系冲积层孔隙潜水强含水层，因河床下采煤有危险，可能导致上面的第四系冲积层含水层的潜水或河水通过塌陷裂隙灌入井下巷道造成淹井。

在充分考虑到地表移动变形特点、工作面接续和矿山压力控制等因素，在最大限度地开采有效资源的前提下，对金沙河造成了一定的影响；因此，今后开采煤层要严防河水下渗造成水患，应采取预防水患的安全措施：①加强地表检测。在地表设立观

测站，应对地表的移动变形进行观测，发现有地表裂缝，立即进行充填处理措施，防止地表水渗透井巷；②加强水文地质分析，对工作面进行充水性调查；③对井下水量进行定期监测，加强井下探放水工作，完善井下排水设施，增强排水能力；④定期观测金沙河流量，对河流入-出流量进行监测；⑤严禁超挖、超采，保证充填和回采质量；⑥加强地表河床的治理，人工修筑河床防渗，河床底板注浆；⑦加强对井下阶段煤柱及区段煤柱的保护，必须留足、留好采区及水平防治水煤柱；⑧在地表塌陷区周边埋设警戒标志，从而杜绝意外事故的发生。

[1] 国家煤炭工业局．建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M]．北京：煤炭工业出版社，2000.

[2] 何国清，杨伦，凌赓娣,等．矿山开采沉陷学[M]．第一版．北京：中国矿业大学出版社，1991，4：79-116.

[3] 西石门铁矿马河下安全开采与防洪对策研究报告[R]．河北省武安市西石门铁矿，2004,7:3-6.

[4] 特厚煤层分层综放开采覆岩冒裂带高度观察研究报告[R]．甘肃华亭煤电股份有限公司陈家沟煤矿，2010，4:93-103.

[5] 许家林，朱卫兵，王晓振．基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法 [J]．煤炭学报，2012，37(5)：762-769.