神南矿区采煤导水裂隙带高度预测*

马雄德，王苏健，蒋泽泉，陈　通，李文莉

(1.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065；4.陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西 榆林 719000；5.陕西省地质环境监测总站，陕西 西安 710054)



神南矿区采煤导水裂隙带高度预测*

马雄德1，2，王苏健3，蒋泽泉4，陈通3，李文莉5

(1.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065；4.陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西 榆林 719000；5.陕西省地质环境监测总站，陕西 西安 710054)

为研究神南矿区开采中覆岩的破坏上限及其是否会导通上覆含水层，指导矿区生产规划和采煤方法设计，采用钻孔智能全景成像测井，并通过规范经验公式、相似模拟和数值模拟及建立的本地区经验公式等方法分析采动条件下覆岩破坏程度。结果表明，导水裂隙带高度与煤层采厚关系密切，呈非线性关系，根据本地区实测数据建立的统计公式在预测导水裂隙带高度时更加逼真。为减少矿区煤层开采对地下水资源的破坏，应控制煤层合理采高、推行保水采煤技术。

神南矿区；导水裂隙带；数值模拟；覆岩破坏

0　引　言

顶板水害是矿井生产过程中经常发生的水文地质现象[1]。一般认为，开采煤层至松散含水层底板之间距离小于煤层一次采全高形成的裂隙带高度时即有较大的突水危险性，因此，导水裂隙带高度对西部干旱半干旱地区实施“保水采煤”技术至关重要[2-5]。由于榆神矿区地质条件特殊[6]，煤层埋藏开采条件优越[7]，导水裂隙发育特征明显。当前，确定导水裂隙带的方法有实际探测、理论计算(经验公式)、物理模拟和数值模拟等，每种方法在生产实践中都发挥了重要的作用。胡小娟[8]以导水裂隙带发育高度受控因素分析为前提，将顶板岩层的抗压强度用硬岩岩性比例系数来表征，并采用回归分析建立了导水裂隙带高度与其它受控因素的线性统计关系。黄汉富[9]采用UDEC软件模拟了万利矿区煤层采动裂隙发育规律，同时分析了群采煤层相互影响，在此基础上划分了矿区“保水采煤”分区并进行了工程实践。涂敏[10]采用物理模拟与数值模拟相结合的方法，针对不同采放比研究了导水裂隙带高度的变化规律。吕洪文[11]采用数值模拟、经验公式及现场实测等方法分析计算了榆阳煤矿导水裂隙带发育情况，并对预测结果进行了分析对比，认为数值模拟与实际验证的导水裂隙带高度基本一致。

文中分析经验公式、物理模拟、数值模拟及建立统计公式等方法与实测导水裂隙带高度之间差别，并提出了适合神南矿区普遍适用的导水裂隙带高度计算公式，对该地区保水采煤技术的发展提供了有力的支撑。

1　基本概况

神南矿区位于陕西省陕北侏罗纪煤田神木北部矿区的南部，陕西省榆林市神木县的中部，行政区划隶属神木县麻家塔乡、瑶镇乡、孙家岔乡所管辖，矿区总面积约373.4 km2，煤炭总资源量约55亿t，设计生产总规模为34 Mt/a，主采5-2煤层，采高7 m.

2　导水裂隙带高度预计

2.1经验公式

研究区煤层顶板岩性主要为中细粒砂岩、泥岩，抗压强度为20～40 MPa，属于中硬岩类。按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(简称《规程》)及《矿区水文地质工程地质勘探规范》(简称《规范》)中给出的导水裂隙带高度计算公式，预测5-2煤层开采后导水裂隙带高度为

(1)

(2)

(3)

式中m为煤层采高，n为常量(m ≤6m时，n=1；m>6m时，n=2)。

张家峁煤矿5-2煤层一次采高6.0 m，则：

根据《规程》公式(1)计算导水裂隙带高度为51.05 m，《规程》公式(2)计算导水裂隙带高度为58.99 m，《规范》公式(3)计算导水裂隙带高度为89.61 m.

2.2相似模拟

2.2.1模型建立

以ZK1钻孔柱状为实验原型，煤层埋深124.68 m，采用平面模型架，模型架长210 cm×20 cm×65 cm.模型几何相似比为1∶200，模型选取的相似材料主要为河沙、石膏、大白粉、黄土等，以云母粉作为分层弱面。在5-2煤层开挖实验过程中，每天开挖一次，推进1 cm，采高3 cm，按照相似比例，每次开挖的长度为2 m，采高为6 m.

2.2.2模拟结果

工作面推进过程中，上覆岩层中出现离层裂隙，随着工作面开采的推进，其位置不断上移，裂缝长度和宽度也在增加，但增长幅度较缓。工作面推进至80m时基本顶初次破断，之后离层高度、离层裂隙宽度迅速增长。工作面推进到280 m时(回采结束)，工作面两侧明显出现发育至基岩层顶界面的竖向裂缝，地表及红粘土层进一步出现下沉。待工作面开采结束覆岩稳定后，导水裂隙带高度约为92 m.

图1　工作面开采结束后覆岩垮落状况Fig.1　Overburden rock failure after mining

2.3数值模拟

2.3.1模型建立

选择ZK1钻孔为原型，5-2煤层埋深为124.68 m，其中松散层厚度为33.58，基岩厚度99.1 m，煤层厚度6.0 m.建立长×高为500 m×150 m的走向模型，为保证边界的影响，在模型左右两侧边界煤柱按100 m留设。

模型的边界条件：上部边界条件为自由边界条件；两边为简支，X方向位移为0；下部边界为固支，x，y方向的位移都为0.

2.3.2模型计算

模型计算采用UDEC(Universal Distinct Element Code)软件，以Mohr-Coulomb强度准则作为其屈服准则，屈服函数为

(4)

ft=σt-σ1.

(5)

式中σ1,σ3分别为最大、最小主应力；φ为内摩擦角；c为黏聚力；σt为岩石抗拉强度；Nφ为与内摩擦角有关的参数，且Nφ=(1-sinφ)/(1+sinφ).fs=0时，剪切破坏发生；ft=0时，拉伸破坏发生。

模拟开挖过程中，重点关注岩层随工作面推进而发生移动破坏规律，并以此来确定煤层上覆岩层破坏后导水裂隙带高度。模拟开采结束后，工作面上方应力分布和塑性区范围如图2和图3所示。

图2　采后应力分布图Fig.2　Stress distribution under full mining

图3　采后塑性区范围图Fig.3　Range of plastic zone under full mining

可以看出，随着工作面连续推进，覆岩破坏范围逐渐扩大。工作面分别推进到75 m及90 m时，基本顶初次来压、第一次周期来压，覆岩破坏范围迅速扩大。在工作面推进300 m时破坏高度达到最大值93 m.

同时，应力集中和支承压力影响范围随着工作面的推进有规律的向前推进变化，当工作面推进300 m时，应力集中出现在工作面前方16 m处，工作面支承压力影响范围约为39 m，垂直应力峰值为原岩应力的2.85倍。

3　导水裂隙带高度观测

3.1观测孔平面布置

为了观测张家峁煤矿实际采动条件下的导水裂隙带高度，在15204工作面采空区布置2个钻孔，其中01号钻孔离开切眼35 m，02号钻孔离开切眼270 m，以勘探时的03号孔作为对照孔，距离切眼150 m.15204综采工作面采高6.0 m，宽度300 m，煤层埋深小于175.3 m，在工作面回采结束后3个月施工导水裂隙带勘探孔，岩层移动已趋于稳定。钻孔施工过程循环液采用清水，钻孔实际孔径108 mm.

3.2影像及浆液消耗量

钻孔施工过程中钻孔智能全景成像测井图如图4所示，浆液的消耗量历时曲线如图5所示。

图4　01号孔内岩壁裂隙影像Fig.4　Crack image in hole No.01

图5　钻孔漏失量对照图Fig.5　Drilling fluid loss comparison

3.3导水裂隙带高度确定

根据图4，图5可知，01号孔在钻进至埋深17.5 m时浆液消耗量大于对照孔03号孔，埋深27.1 m时孔内浆液漏失，孔内岩壁裂隙影像显示垂直裂隙发育至套管端口之上，可以判断导水裂隙带进入了黄土层，埋深17.5 m(距煤层75.2 m)是导水裂隙带定界。根据钻孔内水位观测成果、浆液消耗量、智能全景成像及钻孔柱状图等资料，综合确定01号钻孔和02号钻孔导水裂隙带高度分别为75.20 m和75.60 m.

4　导水裂隙带综合分析

通过对本次得到的导水裂隙带高度及周边矿井相似地质条件下的导水裂隙带高度进行拟合，即可得到本区导水裂隙带高度与煤层采高之间的统计关系

H=9.59M+13.55.

(6)

式中H为裂隙发育高度，m；M为煤层采高，m.

将本次得到的统计公式计算结果与“规程”、“规范”中的经验公式计算结果进行对比，可以发现，采高<3 m时，各个公式计算的导水裂隙带发育高度比较接近，说明在此段内拟合公式与其他方法计算得到的导水裂隙带高度一致；采高3～6 m时，与拟合公式相比，“规程”中2个公式的计算值均偏小，而“规范”公式计算值与拟合值接近，在采高大于6 m时，导水裂隙带高度随采高呈非线性增长，经验公式计算值均不符合实际情况。

本矿井煤层采厚6 m，采用本次拟合公式(6)进行计算，得出本矿区导水裂隙带高度为71.09 m，这与实测值误差为6.0%左右，而《规程》和《规范》中的公式计算值误差均超过18%.说明在神南矿区特定的条件利用本次经验拟合的公式更贴近实际。

表1　不同公式预测导水裂隙带高度误差统计表

5　结　论

1)采用经验公式法、物理模拟和数值模拟等方法计算了神南矿区5-2煤层开采导水裂隙带高度，各种方法计算结果差别较大；

2)采用钻孔内水位观测成果、浆液消耗量、智能全景成像及钻孔柱状图等资料，确定采动条件下的导水裂隙带高度的方法是可行的；

3)根据本次得到的导水裂隙带高度及周边矿井相似地质条件下的导水裂隙带高度进行拟合，建立了本区导水裂隙带高度与煤层采高之间的统计关系，与实测值对比更为接近，说明该公式适用于神南矿区同类地质条件下导水裂隙带预测任务。

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Prediction on the height of water-flowing fractured zone in southern Shenmu mine

MA Xiong-de1，2，WANG Su-jian3，JIANG ZE-quan4，CHEN Tong3，LI WEN-li5

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，Chang’anUniversity，Xi’an710054，China；2.KeyLaboratoryofSubsurfaceHydrologyandEcologicalEffectsinAridRegion,MinistryofEducation，Chang’anUniversity，Xi’an710054，China；3.ShaanxiCoalandChemicalTechnologyInstituteCo.，Ltd.，Xi’an710065，China；4.No.185ExplorationTeam，ShaanxiBureauofCoalGeologicalExploration，Yulin719000，China；5.ShaanxiInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring，Xi’an710054，China)

In order to determine the upper limit of water flowing fractured zone，intelligent panorama imaging technology is used in ground surface boreholes. Furthermore，empirical formula, physical and numerical simulations are also used to observe the water flowing fractured zone in the mine.The result showed: there is a nonlinear relationship between the height of water flowing fractured zone and coal thickness,and the formula established by the measured data in the region is more realistic for predicting the height of water flowing fractured zone, which provides a strong support for the development of coal mining with water protect techniques in the region.

southern Shenmu mine；water flowing fractured zone；numerical simulation；overburden rock failure

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0509

1672-9315(2016)05-0664-05

2016-05-10责任编辑：刘洁

国家重点基础研究发展(973)计划(2013CB227901)；陕西省科学技术推广计划(2011TG-01)

马雄德(1978-)，男，青海互助人，工程师，E-mail:59759423@qq.com

P 627

A