煤矿综放开采裂高采厚比范围的确定

题正义，董强强，秦洪岩

(辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新123000)

确定裂隙带高度是实现水体下安全开采和瓦斯抽采的一个重要技术，裂隙带高度在我国的煤炭工作者的多年研究中已经取得了很大的进展［1-2］。研究结果表明裂隙带的发育高度主要与采厚、采深、顶板岩性和工作面跨度等因素有关［3］。由于厚煤层综放开采裂隙带高度的研究成果相对来说较少，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中也没有给出综放开采的裂隙带发育高度的计算公式［4-5］。规程中的裂隙带计算公式是刘天泉院士根据20 世纪80 年代我国华北地区的煤矿实测数据，应用多元统计分析整理所得，收集的实测数据都是一次采全厚的裂隙带高度［6-8］。本文从理论类比计算和数值模拟得出工作面的裂采比和裂隙带高度，通过试采工作面现场实测进行检验，最终确定综放开采顶板裂采比。

1 工程概况

某井田3 号煤层呈层状产于延安组第三段上旋回的顶部，层位稳定，分布广泛，厚度在7.55 ～10.36 m之间，平均9.06 m，是区内主要可采煤层。井田矿井拟采用大采高综放开采，采3.8 m 放5.26 m。井田3 号煤层覆岩破坏高度研究属于坚硬岩性条件下厚煤层综放开采覆岩破坏高度研究。

2 裂隙带高度理论预计

井田矿井属于新建矿井，无实际的覆岩破坏观测资料，只能借鉴全国其他类似地质条件的煤矿开采经验。因此，我们采用类比分析法来分析3 号煤层综放开采的覆岩破坏规律［9-14］。类似于矿井3 号煤层水体下综放开采的实例有:陕西省彬县煤炭责任有限公司下沟煤矿泾河下厚煤层综放开采与神东公司榆树湾煤矿3 号煤层综采分层开采，对井田3 号煤层综放开采具有重要的借鉴意义。

①下沟矿泾河下综放开采

下沟煤矿地处彬长煤田边缘，井田面积11 km2，可采储量为0.91 亿t，泾河下压煤0.41 亿t，约占矿井地质储量的21%。下沟煤矿主采3 号煤层，煤层在泾河下的厚度为8 ～14 m，上覆煤岩柱为软弱偏中硬类型。2005 年9 月至2006 年5 月在泾河下的一个面进行了综放试采。工作面南北长约1 060 m，东西宽93.4 m，设计采高8.5 m。试采过程中在试采工作面的合适位置设计并施工了两个覆岩破坏观测孔对综放开采的“两带”高度进行了观测研究;利用钻孔采取岩心实验测定的岩石力学参数，采用变形分析法分析计算泾河下3 号煤层综放开采的裂隙带高度。通过理论计算再与现场实测数据进行对比分析，最终确定了泾河下试采工作面综放开采覆岩破坏裂采比为12.71。

②榆树湾煤矿综采分层开采

榆树湾煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆神矿区的东南部，邻近双山矿，井田地质构造简单，主采煤层为3 号煤层。目前榆树湾煤矿已开采一个工作面，综采分层开采，初分层采高为5 m。工作面覆盖层厚度为203 ～295 m，其中基岩厚度在120 ～150 m，表土层厚为103 ～145 m，随着工作面的开采覆盖层厚度逐步增加，基岩层属于坚硬类型。榆树湾煤矿的水文地质条件与井田矿井类似，第四系含水层组强弱皆有分布，基岩承压含水层组富水性弱，第四系含水层组与基岩承压含水层组之间有稳定的红土隔水层，两者未形成统一含水体。综采初分层开采期间工作面最大涌水量为25 m3/h，判断综采初分层裂隙带未波及到第四系含水层组，但根据其涌水量出水规律判断其裂隙带已发育至风化带，裂采比应该在15 ～20 倍之间。后经煤炭科学研究总院西安分院综合分析，得出榆树湾煤矿综采初分层开采裂高采厚比为18 倍。

③井田综放开采裂隙带高度预计

综合上述两个实例分析，下沟矿综放开采厚度与井田相近，但井田3 号煤层上覆煤岩柱属于坚硬类型，而下沟矿8 号煤层上覆基岩柱属于软弱偏中硬类型，因此井田矿井综放开采的裂采比应该大于下沟矿的12.71;榆树湾煤矿与井田矿井覆岩结构及水文地质条件类似，但榆树湾煤矿属于综采初分层开采，相当于综采一次采全高，其裂采比应高于综放开采，因此井田矿井综放开采裂采比应小于榆树湾煤矿，则井田矿井的裂采比应在12.71 ～18 之间。

3 裂隙带高度数值模拟

FLAC 数值模拟软件广泛应用于岩土工程和采矿工程等领域。该软件基于岩石力学相关理论，采用拉格朗日元算法进行计算。软件内含11 个弹、塑性材料本构模型，并可以针对特殊情况，利用FISH自定义分析，进行深入而准确的计算和分析［15-17］。

3.1 数值模型的建立

井田矿井首采面1303 工作面设计长度185 m，推进距离约1 409 m。经邻近钻孔M103、M503、M305揭示上覆岩层主要有:第四系上更新统Q3，主要为萨拉乌苏组Q13s;第四系中更新统Q2，主要为离石组Q21;新近系上新统N2，主要为静乐组N2j;侏罗系中统J2，包括延安组第四段J2y4 及延安组第三段J2y3，本矿主采煤层3 煤位于J2y3 上部。

基于FLAC 建模原理，应用FLAC 软件，根据M103、M305、M503 钻孔，建立1303 工作面煤岩层分析模型，模型长1 100 m，高200 m，共划分为10 340 个单元，21 658 个节点。模型四周施加水平约束使边界水平位移为零，底部为固定边界，顶部为自由边界。

为简化建模，根据钻孔M103、M305、M503 所得岩层分布，考虑具有相似力学性质岩层的组合特征并将其划为一组，将研究区内煤岩层共划分为13 个层组，其中3 号煤层的埋深为191 m，煤厚为9.06 m。通过实验室测定获得煤岩层的力学参数，部分无法测定的取统计数据的平均值。模型顶端施加等效载荷，即自重应力，上覆岩层的体积力按25 kN/m3计算。各煤岩层的物理力学参数见表1。

表1 煤岩层物理力学参数Tab.1 Physical and mechanics parameters of rock and coal

3.2 覆岩破坏高度的确定原则

模拟岩体采用的弹塑性本构模型是莫尔-库仑型，其屈服准则描述如下:

式中:σ1为最大主应力，MPa;σ3为最小主应力，MPa;C 为粘结力，MPa;φ 为内摩擦角，(°)。

当fs＞0 时，岩层发生剪切破坏。随着工作面回采，顶板上覆岩层相继出现不同的破坏。自下而上可以分为:垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。其中垮落带又分拉张破坏区和局部破坏区，拉张破坏区指岩层由于双向拉应力的作用被拉断、垮落的区域。弯曲下沉带指弹性区和剪切破坏区。裂隙带指岩体由于某一方向上大于其抗拉强度的拉应力作用而产生一定方向的张裂隙，不同大小和贯通状况的裂隙对岩体的渗透性和破坏程度不同。弯曲下沉带的下限定义为裂隙带上限，将垮落带上限定义为裂隙带下限。

岩石一般具有较高的抗压强度和较低的抗拉强度。对于一次采放厚度较大的综放工作面而言，低抗拉特性在覆岩整体应力重新分布中表现更为突出。因此可根据抗拉强度准则，即3 倍的抗拉强度来判断岩体是否产生拉伸破坏。

3.3 模拟结果的分析

为研究裂隙带高度随着工作面推进距离的增加，分别模拟了工作面推进距离为100 m、200 m、400 m、800 m 四种方案情况下覆岩破坏程度，工作面推进800 m 时的破坏场分布如图1 所示。由破坏场的分布图(见图1)可以看到，自工作面开切眼回采开始，工作面顶底板及煤壁前方和工作面后方均逐渐产生明显的破坏区域，随着工作面的不断回采，破坏范围逐渐呈现出明显的“马鞍”型。工作面不同推进长度时的裂隙带发育范围和高度，详见表2。

图1 工作面推进800 m 破坏场Fig.1 Damage fields while working face forward 800 m

表2 工作面推进不同阶段裂隙带的发育高度Tab.2 Fissure and collapse field's height while working face in various positions

通过表2 可以发现，工作面回采前期，裂隙带的发育范围和高度较小，且随着工作面的推进均不断增加;当工作面推进到400 m 之后，裂隙带的范围仅沿工作面推进的水平方向上不断扩大，而最大发育高度在132 m 左右不再增加，数值模拟的最大裂隙带高度为132 m，则裂采比小于14.57。

4 试采工作面裂隙带高度实测

对试采工作面的顶板裂隙发育情况打钻孔实测，一共打孔6 个，打孔时距工作面的距离是8 m至14 m 范围，六个钻孔的角度分布如图2 所示。

1 ～6 号钻孔分别对应的裂隙带的发育高度是121 m、118 m、120 m、122 m、117 m 和113 m，4 号钻孔测得的裂隙带发育高度最大为122 m。图3 为4 号钻孔的观测过程截图，从图3 中可以看出:钻孔深度71 m 时有纵向裂隙，深度为98 m 时有横向裂隙，当深度大于126 m 之后就再也没有裂隙的存在，根据4 号孔的角度可以得出工作面的裂隙带的高度为122 m，现场实测的裂采比为13.47。

图2 钻孔角度及位置示意图Fig.2 Schematic plot of borehole angle and location

图3 钻孔观测过程截图Fig.3 The screenshot of observation process

采用类比法分析得到工作面裂采比范围是12.71 ～18，通过数值模拟得出裂采比小于14.57，现场实测为13.47，由此可见，类比法分析和数值模拟的结果是可靠的。通过三种方法确定综放工作面的裂采比既充分利用了已有经验，又紧密结合了矿井实际情况，准确确定了工作面裂采比，为矿井防水提供可靠的理论依据。

5 结 论

①通过理论分析得出3 号煤层的裂采比是12.71 至18，通过数值模拟实验和现场实验得出裂采比的范围是13.47 至14.57，理论分析和实验结果一致，相互得到了验证，使得结果更加可靠;

②由以上的理论分析、数值模拟实验和现场测试，得出当采厚相等条件下综放开采的裂采比小于综采分层开采的裂采比;

③综合分析得出类比法在该矿井的裂隙带高度预计过程中是可以应用的，而且方法准确可靠，能满足矿井的生产安全。

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