北汭河下导水裂隙带高度与防水煤柱厚度的计算研究

杨兴春+王甲伟

摘 要：水体下开采煤层的防水安全性问题主要取决于导水裂隙带高度的确定，通过变形分析法与经验公式法分别计算出导水裂隙带高度，从而计算出防水煤柱厚度。计算结果为陈家沟煤矿3204工作面水体下安全开采提供了理论依据，也为同类地质采矿条件下的覆岩导水裂缝带计算和防水煤柱厚度计算提供参考依据。

关键词：变形分析法；经验公式法；导水裂隙带高度；防水煤柱厚度

3204工作面位于陈家沟煤矿+1050m水平以下的三采区西翼第二区段，东端与三采区三条下山保护煤柱相邻，西端与采区边界保护煤柱相邻。煤质为煤5层，地面标高1519米至1590米，工作面标高977米至1011米，地面位置横穿小阴沟，谢家沟，唐家洼，狼沟，狼沟嘴等地段，地面无民房及建筑物。本工作面属于大型复合水体下开采，上覆岩层及地表水体，既有地表北河水体，也有上第三系甘肃群中下部含水层（Ngn），其主要分布在井田北部的北 河河谷之下，由灰白色、浅棕红色砂砾岩组成。为了获得导水裂隙带高度及防水煤柱留设厚度，通过变形分析法和经验公式法理论计算，为3204工作面水体下安全开采提供可靠的理论及技术依据。

1 确定导水裂隙带高度

由于煤层开采结束后导水裂隙带的高度是开采尺寸、岩层岩性、地层力学结构及特征煤层赋存条件等因素共同作用的结果，其中开采尺寸和上覆岩层的岩性是影响应力传递、释放和重新分布的决定性因素，所以从力学角度可计算导水裂隙带发育最大高度。又因为可获得实际多个综放工作面覆岩导水裂隙带高度实测值，通过数学方法分析，利用经验公式也能计算导水裂隙带发育最大高度。

1.1 变形分析法确定导水裂隙带高度

本次计算3204工作面导水裂隙带高度以37勘探线的3703钻孔资料为计算基础，列出该计算基础数据（表1）。

1.1.1 覆岩载荷计算

用固支梁力学模型来分析水平拉伸变形，如图1所示。

1.3 结果对比分析

导水裂隙带计算结果表明：3204工作面按变形分析法计算导水裂隙带最大高度为138.82m，按经验公式计算导水裂隙带最大高度为139.65m，误差率为0.5%，所得结果相差不大，都不会超过5#煤上部中侏罗统的厚度，即不会波及覆岩主要含水层。由于导水裂隙带与含水层之间的覆岩中泥岩占了很大的比例，这部分岩体渗透性差，具有良好的隔水性和再生隔水性，减弱了主要含水层和煤系砂岩之间的水利联系，从而可以确定3204工作面开采不会引起北河水直接溃入井下，威胁井下安全。

2 防水煤柱留设

根据规定，单向抗压强度为10～20MPa的岩层划分为软弱岩层（表3），应按软弱覆岩类型预测煤层采后的导水裂缝带高度，则 3204 工作面保护层的厚度选3A或者4A，由于工作面保护层内均为隔水性良好的泥岩，则理论研究和实践均表明保护层的选取厚度明显偏大，根据保护层岩性、含隔水性综合确定3204工作面保护层厚度取5倍采厚即57.5；根据陈家沟煤矿已经完成的巨厚煤层综放开采地表裂缝深度探测研究项目结论，采用80m作为开采引起地裂缝深度的最大值；根据变形分析法获得最大导水裂隙带高度为138.82m，经验公式法获得最大导水裂隙带高度为139.65m，取最大值139.65m。经计算，陈家沟煤矿3204工作面防水安全煤岩柱高度Hsh为277.15m。

3 结束语

以37勘探线的3703钻孔资料为计算基础，通过变形分析方法对陈家沟煤矿3204工作面覆岩导水裂隙带高度进行了理论计算，结果表明：陈家沟煤矿煤5层覆层中岩层序号为34的粗粒砂岩，能够有效的起到阻隔导水裂隙带向上进一步发展的作用，得出产生临界值点的高度即为“两带”的顶点为138.82m；以科研数据实测，利用数学方法推导得出经验公式，通过经验公式法也对3204工作面覆岩导水裂隙带高度进行了理论计算，得出3204工作面覆岩导水裂隙带高度为139.65m。两者所得结果相差不大，取最大值计算防水煤柱的厚度为277.15m，为华亭矿区水体下安全开采提供了理论依据，也为同类地质采矿条件下的覆岩导水裂缝带计算和防水煤柱厚度计算提供了参考依据。

参考文献

[1]（苏）格维尔茨曼，于振海，刘天泉，译.水体下安全采煤[M].北京：煤炭工业出版社，1980

[2]范志胜.变形分析法在计算覆岩导水裂缝带高度的应用[J].煤炭工程，2012，1：98～99.

[3]许延春，李俊成，刘世奇，等.综放开采覆岩“两带”高度的计算公式及适用性分析[J].煤炭开采，2011，16（4）：4～7.

[4]余学义，周杨，杨子星，等.特厚煤层分层综放开采导水裂隙带高度观测研究[C].煤炭开采新理论与新技术——中国煤炭学会开采专业委员会2010年学术年会论文集，2010：78～80.

[5]成枢，孙振鹏，朱鲁，等.导水裂隙带高度的探测研究[J].矿山测量，1999（4）.

[6]余学义.甘肃华亭陈家沟煤矿特厚煤层分层综放开采覆岩冒裂带高度观测研究报告[R].西安：西安科技大学，2009.endprint

摘 要：水体下开采煤层的防水安全性问题主要取决于导水裂隙带高度的确定，通过变形分析法与经验公式法分别计算出导水裂隙带高度，从而计算出防水煤柱厚度。计算结果为陈家沟煤矿3204工作面水体下安全开采提供了理论依据，也为同类地质采矿条件下的覆岩导水裂缝带计算和防水煤柱厚度计算提供参考依据。

关键词：变形分析法；经验公式法；导水裂隙带高度；防水煤柱厚度

3204工作面位于陈家沟煤矿+1050m水平以下的三采区西翼第二区段，东端与三采区三条下山保护煤柱相邻，西端与采区边界保护煤柱相邻。煤质为煤5层，地面标高1519米至1590米，工作面标高977米至1011米，地面位置横穿小阴沟，谢家沟，唐家洼，狼沟，狼沟嘴等地段，地面无民房及建筑物。本工作面属于大型复合水体下开采，上覆岩层及地表水体，既有地表北河水体，也有上第三系甘肃群中下部含水层（Ngn），其主要分布在井田北部的北 河河谷之下，由灰白色、浅棕红色砂砾岩组成。为了获得导水裂隙带高度及防水煤柱留设厚度，通过变形分析法和经验公式法理论计算，为3204工作面水体下安全开采提供可靠的理论及技术依据。

1 确定导水裂隙带高度

由于煤层开采结束后导水裂隙带的高度是开采尺寸、岩层岩性、地层力学结构及特征煤层赋存条件等因素共同作用的结果，其中开采尺寸和上覆岩层的岩性是影响应力传递、释放和重新分布的决定性因素，所以从力学角度可计算导水裂隙带发育最大高度。又因为可获得实际多个综放工作面覆岩导水裂隙带高度实测值，通过数学方法分析，利用经验公式也能计算导水裂隙带发育最大高度。

1.1 变形分析法确定导水裂隙带高度

本次计算3204工作面导水裂隙带高度以37勘探线的3703钻孔资料为计算基础，列出该计算基础数据（表1）。

1.1.1 覆岩载荷计算

用固支梁力学模型来分析水平拉伸变形，如图1所示。

1.3 结果对比分析

导水裂隙带计算结果表明：3204工作面按变形分析法计算导水裂隙带最大高度为138.82m，按经验公式计算导水裂隙带最大高度为139.65m，误差率为0.5%，所得结果相差不大，都不会超过5#煤上部中侏罗统的厚度，即不会波及覆岩主要含水层。由于导水裂隙带与含水层之间的覆岩中泥岩占了很大的比例，这部分岩体渗透性差，具有良好的隔水性和再生隔水性，减弱了主要含水层和煤系砂岩之间的水利联系，从而可以确定3204工作面开采不会引起北河水直接溃入井下，威胁井下安全。

2 防水煤柱留设

根据规定，单向抗压强度为10～20MPa的岩层划分为软弱岩层（表3），应按软弱覆岩类型预测煤层采后的导水裂缝带高度，则 3204 工作面保护层的厚度选3A或者4A，由于工作面保护层内均为隔水性良好的泥岩，则理论研究和实践均表明保护层的选取厚度明显偏大，根据保护层岩性、含隔水性综合确定3204工作面保护层厚度取5倍采厚即57.5；根据陈家沟煤矿已经完成的巨厚煤层综放开采地表裂缝深度探测研究项目结论，采用80m作为开采引起地裂缝深度的最大值；根据变形分析法获得最大导水裂隙带高度为138.82m，经验公式法获得最大导水裂隙带高度为139.65m，取最大值139.65m。经计算，陈家沟煤矿3204工作面防水安全煤岩柱高度Hsh为277.15m。

3 结束语

以37勘探线的3703钻孔资料为计算基础，通过变形分析方法对陈家沟煤矿3204工作面覆岩导水裂隙带高度进行了理论计算，结果表明：陈家沟煤矿煤5层覆层中岩层序号为34的粗粒砂岩，能够有效的起到阻隔导水裂隙带向上进一步发展的作用，得出产生临界值点的高度即为“两带”的顶点为138.82m；以科研数据实测，利用数学方法推导得出经验公式，通过经验公式法也对3204工作面覆岩导水裂隙带高度进行了理论计算，得出3204工作面覆岩导水裂隙带高度为139.65m。两者所得结果相差不大，取最大值计算防水煤柱的厚度为277.15m，为华亭矿区水体下安全开采提供了理论依据，也为同类地质采矿条件下的覆岩导水裂缝带计算和防水煤柱厚度计算提供了参考依据。

参考文献

[1]（苏）格维尔茨曼，于振海，刘天泉，译.水体下安全采煤[M].北京：煤炭工业出版社，1980

[2]范志胜.变形分析法在计算覆岩导水裂缝带高度的应用[J].煤炭工程，2012，1：98～99.

[3]许延春，李俊成，刘世奇，等.综放开采覆岩“两带”高度的计算公式及适用性分析[J].煤炭开采，2011，16（4）：4～7.

[4]余学义，周杨，杨子星，等.特厚煤层分层综放开采导水裂隙带高度观测研究[C].煤炭开采新理论与新技术——中国煤炭学会开采专业委员会2010年学术年会论文集，2010：78～80.

[5]成枢，孙振鹏，朱鲁，等.导水裂隙带高度的探测研究[J].矿山测量，1999（4）.

[6]余学义.甘肃华亭陈家沟煤矿特厚煤层分层综放开采覆岩冒裂带高度观测研究报告[R].西安：西安科技大学，2009.endprint

摘 要：水体下开采煤层的防水安全性问题主要取决于导水裂隙带高度的确定，通过变形分析法与经验公式法分别计算出导水裂隙带高度，从而计算出防水煤柱厚度。计算结果为陈家沟煤矿3204工作面水体下安全开采提供了理论依据，也为同类地质采矿条件下的覆岩导水裂缝带计算和防水煤柱厚度计算提供参考依据。

关键词：变形分析法；经验公式法；导水裂隙带高度；防水煤柱厚度

3204工作面位于陈家沟煤矿+1050m水平以下的三采区西翼第二区段，东端与三采区三条下山保护煤柱相邻，西端与采区边界保护煤柱相邻。煤质为煤5层，地面标高1519米至1590米，工作面标高977米至1011米，地面位置横穿小阴沟，谢家沟，唐家洼，狼沟，狼沟嘴等地段，地面无民房及建筑物。本工作面属于大型复合水体下开采，上覆岩层及地表水体，既有地表北河水体，也有上第三系甘肃群中下部含水层（Ngn），其主要分布在井田北部的北 河河谷之下，由灰白色、浅棕红色砂砾岩组成。为了获得导水裂隙带高度及防水煤柱留设厚度，通过变形分析法和经验公式法理论计算，为3204工作面水体下安全开采提供可靠的理论及技术依据。

1 确定导水裂隙带高度

由于煤层开采结束后导水裂隙带的高度是开采尺寸、岩层岩性、地层力学结构及特征煤层赋存条件等因素共同作用的结果，其中开采尺寸和上覆岩层的岩性是影响应力传递、释放和重新分布的决定性因素，所以从力学角度可计算导水裂隙带发育最大高度。又因为可获得实际多个综放工作面覆岩导水裂隙带高度实测值，通过数学方法分析，利用经验公式也能计算导水裂隙带发育最大高度。

1.1 变形分析法确定导水裂隙带高度

本次计算3204工作面导水裂隙带高度以37勘探线的3703钻孔资料为计算基础，列出该计算基础数据（表1）。

1.1.1 覆岩载荷计算

用固支梁力学模型来分析水平拉伸变形，如图1所示。

1.3 结果对比分析

导水裂隙带计算结果表明：3204工作面按变形分析法计算导水裂隙带最大高度为138.82m，按经验公式计算导水裂隙带最大高度为139.65m，误差率为0.5%，所得结果相差不大，都不会超过5#煤上部中侏罗统的厚度，即不会波及覆岩主要含水层。由于导水裂隙带与含水层之间的覆岩中泥岩占了很大的比例，这部分岩体渗透性差，具有良好的隔水性和再生隔水性，减弱了主要含水层和煤系砂岩之间的水利联系，从而可以确定3204工作面开采不会引起北河水直接溃入井下，威胁井下安全。

2 防水煤柱留设

根据规定，单向抗压强度为10～20MPa的岩层划分为软弱岩层（表3），应按软弱覆岩类型预测煤层采后的导水裂缝带高度，则 3204 工作面保护层的厚度选3A或者4A，由于工作面保护层内均为隔水性良好的泥岩，则理论研究和实践均表明保护层的选取厚度明显偏大，根据保护层岩性、含隔水性综合确定3204工作面保护层厚度取5倍采厚即57.5；根据陈家沟煤矿已经完成的巨厚煤层综放开采地表裂缝深度探测研究项目结论，采用80m作为开采引起地裂缝深度的最大值；根据变形分析法获得最大导水裂隙带高度为138.82m，经验公式法获得最大导水裂隙带高度为139.65m，取最大值139.65m。经计算，陈家沟煤矿3204工作面防水安全煤岩柱高度Hsh为277.15m。

3 结束语

以37勘探线的3703钻孔资料为计算基础，通过变形分析方法对陈家沟煤矿3204工作面覆岩导水裂隙带高度进行了理论计算，结果表明：陈家沟煤矿煤5层覆层中岩层序号为34的粗粒砂岩，能够有效的起到阻隔导水裂隙带向上进一步发展的作用，得出产生临界值点的高度即为“两带”的顶点为138.82m；以科研数据实测，利用数学方法推导得出经验公式，通过经验公式法也对3204工作面覆岩导水裂隙带高度进行了理论计算，得出3204工作面覆岩导水裂隙带高度为139.65m。两者所得结果相差不大，取最大值计算防水煤柱的厚度为277.15m，为华亭矿区水体下安全开采提供了理论依据，也为同类地质采矿条件下的覆岩导水裂缝带计算和防水煤柱厚度计算提供了参考依据。

参考文献

[1]（苏）格维尔茨曼，于振海，刘天泉，译.水体下安全采煤[M].北京：煤炭工业出版社，1980

[2]范志胜.变形分析法在计算覆岩导水裂缝带高度的应用[J].煤炭工程，2012，1：98～99.

[3]许延春，李俊成，刘世奇，等.综放开采覆岩“两带”高度的计算公式及适用性分析[J].煤炭开采，2011，16（4）：4～7.

[4]余学义，周杨，杨子星，等.特厚煤层分层综放开采导水裂隙带高度观测研究[C].煤炭开采新理论与新技术——中国煤炭学会开采专业委员会2010年学术年会论文集，2010：78～80.

[5]成枢，孙振鹏，朱鲁，等.导水裂隙带高度的探测研究[J].矿山测量，1999（4）.

[6]余学义.甘肃华亭陈家沟煤矿特厚煤层分层综放开采覆岩冒裂带高度观测研究报告[R].西安：西安科技大学，2009.endprint