深埋薄煤层工作面导水裂缝带发育规律研究

申琳

摘 要：某矿12101工作面开采12下煤层面临顶板三灰水威胁，三灰含水层涌水量为弱至中等，但裂隙较发育，可能会影响到12101工作面的安全开采。为了研究深部薄煤层工作面导水裂缝带高度发育规律，采用钻孔分段注水法现场实测与FLAC3D数值模拟相结合的方法。结果表明，12101工作面覆岩导水裂缝带最大高度为20.02 m，裂采比为16.7，为三灰含水层下安全开采提供了理论依据。

关键词：深埋薄煤层；三灰含水层；导水裂缝带；数值模拟

中图分类号：TD823 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.008

我国各矿区都不同程度地存在着水体下压煤问题。当前，煤炭资源日益枯竭，为了延长矿井服务年限，解决水体下压煤问题显得越来越重要。对于没有开采经验的矿区，一般采用现场实测和数值模拟计算对特定地质条件下覆岩导水裂缝带发育特征进行研究。

1 工程概况

某矿12101工作面设计开采煤层为12下层煤，由地质资料分析和12101工作面三巷道掘进揭露的情况可知，该工作面范围内，12下层煤赋存稳定，平均埋深750 m，均可开采，平均厚度1.2 m。

12下煤顶板影响到的含水层为太原组三灰，为弱至中等含水层，裂隙较发育，含水量不大，据勘探资料分析，补给条件不畅。根据现有资料可知，12下煤距上覆三灰约51 m，三灰含水层段泥岩厚约5 m，能够对砾岩水起到有效的隔离作用，对12下煤开采相对有利。

2 导水裂缝带发育规律分析与现场实测

2.1 经验公式法分析

12下煤层覆岩主要为泥岩、粉砂岩和细砂岩，覆岩抗压强度属中硬～软弱岩石。参照本区覆岩岩性和钻孔测定成果，12下煤覆岩综合强度为中硬岩石。

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》和《煤矿防治水规定》，确定导水裂缝带发育高度计算公式如下：

式（1）中：M为累计采高，取值1.2 m。

代入数据得：H=16.1～27.3 m。

2.2 钻孔分段注水法现场实测

为了保证矿井安全生产，最大限度地提高煤炭回收率，弄清裂隙带高度成为本次工作的重点之一。据此，在该矿12103工作面上顺槽开展井下观测工作。目前，比较成熟、常用的观测方法是钻孔分段注水法。

本次导水裂缝带高度观测采用井下仰上孔分段注水测漏技术方法，根据钻孔漏失量变化情况确定围岩破坏范围。其中，井下钻孔法观测示意图如图1所示。

本次观测共布置3个钻孔，采前孔倾角为55°，采后孔倾角分别为40°和45°。按预测导水裂缝带最大高度（24.2 m）计算得采前孔钻孔长度为33 m，2个采后孔钻孔长度分别为40 m（倾角为40°的孔）和38 m（倾角为45°的孔）。钻孔主要技术参数如表1所示。

观测3个孔的分段注水情况，得到各个孔不同位置的注水漏失量。现场实测数据如图2至图6所示。

通过对比、分析两个采后孔与采前孔注水漏失量，并结合山东部分煤矿最大导水裂缝带高度的实测研究情况，最终确定取两个采后孔反映出的导水裂缝带发育高度最大值20.02 m为该矿12101工作面导水裂缝带最大高度。

由于12101工作面的平均采高为1.2 m，因此裂采比为：20.02/1.2=16.7.

综上可得，该矿12下 煤层导水裂缝带高度近似为：H裂 =16.7 m。

3 导水裂缝带发育规律数值模拟研究

数值模拟模型的相关参数为：煤层厚度1.2 m，模拟中按水平煤层处理；模拟采深为750 m，模拟采用的煤岩体物理力学参数见表2.

采用FLAC3D数值模拟方法研究该矿深埋薄煤层开采后覆

岩在走向方向上的破坏演化规律。覆岩在走向方向上覆岩破断状态如图7所示。

由图7可知，随着工作面不断向前推进，12下煤层顶板覆岩破断高度不断升高。开采230 m后，已属于超充分采动，顶板破断覆岩呈“马鞍”形轮廓分布，最大发育高度达23 m，易知该地质条件下12下煤层裂采比为19.2，模拟结果与现场实测结果相近，保证了数据的准确性。

4 结束语

通过经验公式计算以及对采前、采后钻孔注水漏失量随钻孔深度变化进行分析，得到12101工作面覆岩导水裂缝带最大高度为20.02 m，裂采比为16.7；FLAC3D数值模拟超充分采动条件下，顶板破断覆岩呈“马鞍”形轮廓分布，最大发育高度达23 m，易知该地质条件下12下煤层裂采比为19.2. 但限于目前室内方法的完善程度和参数与数值取舍的准确程度，有可能影响待研究区域推测结果的精确性。尤其是当工作面内存在小断层时，千万不可忽视，因为在断层附近覆岩导水裂隙带高度易产生异常。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕