浅埋深厚煤层工作面开采顶板导水裂缝带发育高度综合研究

李建军，史永理，佟文亮

(1.山东省岱庄生建煤矿，山东 济宁 277600；2.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590)

经过我国学者的长期观测，当采场推进到上覆岩层达到充分运动后，可以将上覆岩层分为：垮落带、裂缝带、弯曲下沉带。前两带统称为导水裂缝带。近年来，国内许多学者对导水裂缝带的研究颇多，各种方法层出不穷，包括经验公式[1-3]、现场实测[4-6]、数值模拟[7-11]以及理论分析[12-15]等方法。这些方法对于防治顶板水害、提高煤层开采上限以及解放部分煤炭资源起到重要作用。本次研究根据岱庄生建煤矿开采地质条件，采用数值模拟、经验公式预计、现场实测3种方法综合确定31302工作面3上煤层导水裂缝带高度，研究成果为工作面的安全开采提供借鉴。

1 工程概况

1.1 矿井概况

岱庄生建煤矿位于滕县煤田的中部，行政区划属微山县欢城镇。井田东西宽约2km，南北长约4 km，面积7.8525km2，矿井开采深度为-175～-570m。地层自上而下有第四系、侏罗系上统、二叠系、石炭系中统和奥陶系中统。目前矿井主采山西组3上、3下煤层，赋存较稳定。3上煤层采用单一走向或倾斜长壁采煤法，全部垮落法管理顶板。煤系内的主要充水含水层自上而下分别为3煤顶部砂岩、第三、八、十下石灰岩，间接充水含水层有上侏罗统砂、砾岩，太原组第五、九层石灰岩；本溪组第十二、十四层石灰岩及煤系基底奥陶系石灰岩。本井田的水文地质条件类型为：开采上组煤为简单类型，开采下组煤为中等类型。

1.2 工作面概况

31302工作面位于三采区中部，位于313轨道大巷西侧，王楼断层东侧，北邻31303工作面采空区，南侧为未采区。地面标高为+36.2～+36.6m，井下标高为-193.0～-215.0m，走向长度为460m左右，倾斜长度为68～150m，面积为40320m2。31302工作面开采煤层为3上煤，煤厚3.5m，直接顶为粉砂岩和细砂岩，平均厚度2.0m，直接底为粉砂岩，平均厚度1.5m。

2 裂缝带发育高度数值模拟

针对岱庄生建煤矿31302工作面的具体条件，采用FLAC3D数值模拟软件来模拟3上煤层开采引起的裂缝带发育高度。

2.1 数值模拟

2.1.1 物理模型的建立

以岱庄生建煤矿31302工作面为地质背景及数值计算模型，其原岩地应力属于大地静力场。本次研究将地面设置为自由边界，分别施加水平约束于模型左、右边界，施加水平及垂直约束于底面边界。建立的工程地质物理概念模型如图1所示。

图1 工程地质物理概念模型

2.1.2 计算参数

31302工作面无岩石力学参数测试数据，采用矿井生产地质报告中的相关力学测试数据，确定计算模型的基本参数。

2.1.3 模型设置

模型尺寸设置为：长300m、宽250m，高155m，划分单元数27000个，模型中煤层厚度为3.5m。按照煤层顶底板岩层各层的参数赋值，如：岩性、厚度、弹性模量、泊松比和抗拉强度，将每个岩层赋予一定数量的单元。

2.2 模拟结果

按照20m的开挖步距计算，分别得到了3上煤层分步开采时的最大主应力分布图和塑性破坏区域图，图2和图3分别表示开采结束后数值模拟的最大主应力分布和塑性破坏区域。由图2可以推断出3上煤层导水裂缝带发育的最大高度。

图2 最大主应力分布

图3 塑性破坏区域

根据以上结果，结合所选定的计算模型可知，3上煤层开采后的导水裂缝带高度为60m，将煤厚3.5m代入模型中得到裂采比为17.1。

3 覆岩导水裂缝带高度经验公式预计及现场观测结果分析

3.1 覆岩导水裂缝带高度经验公式预计

根据31302工作面的开采参数及地质采矿条件，3上煤层上覆岩层主要是砂岩和砂质泥岩，属于中硬岩层。根据中硬岩层岩性，按照2017年出版的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[2]，导水裂缝带高度计算公式

(1)

式中，HLi为导水裂缝带高度，m；∑M为累计采厚，m。

按上述公式计算时取煤层厚度为3.5m，由公式(1)计算可得导水裂缝带最大发育高度为43.6m。

3.2 现场实测结果分析

3.2.1 钻孔双端封堵测漏装置

现场实测采用井下仰孔分段注水观测的方法。使用“钻孔双端封堵测漏装置”沿着钻孔进行分段封堵注水，以此来测定钻孔各段水的漏失流量，进一步了解岩石的破裂松动情况，并最终确定裂缝带的上界高度[4-6]。“钻孔双端封堵测漏装置” 主要应用于进行井下仰孔分段注水观测，其包括孔内封堵注水探管和孔外观测仪表系统及控制阀门，如图4所示。孔内封堵注水探管带有双端封堵胶囊，主要用于密封所测试孔端两端；孔外观测仪表系统主要包括压力表、流量表和控制阀门，主要用于控制注水压力和封孔压力及注水流量，两者之间通过细径耐压软管连接。

图4 井下仰孔观测系统示意

3.2.2 观测剖面布置与观测钻孔设计

根据31302工作面的开采情况，将观测剖面设在31302下巷和313轨道运输巷之间的联络巷道内，停采线外侧距F3导线点12m。在此处施工观测钻窝，在钻窝内布置采前、采后观测钻孔。钻孔施工要素见表1，观测钻孔布置剖面及注水漏失量观测成果见图5。

表1 钻孔施工要素

图5 观测钻孔布置剖面及注水漏失量观测成果

3.2.3 实测结果分析

各采后钻孔观测到的最大裂缝发育高度以及裂缝带发育的范围如表2所示。

表2 31302工作面最大裂隙发育高度

综合现场实测收集到的采后3个钻孔数据资料，31302工作面3上煤层顶板覆岩采后形成的裂缝带，出现连续大范围漏水，注水漏失量非常大，其顶界在煤层顶板以上垂高44.7m处，煤层平均厚度为3.5m，考虑到实际采出率的影响，实际采出厚度为3.5×80%=2.8(m)，裂采比为16.0；垮落带的发育位置在10.07m以下，冒采比小于3.60。

3.3 综合分析

以岱庄生建煤矿31302工作面为工程背景，先后采用经验公式、数值模拟和现场实测等方法探讨3上煤层采后覆岩导水裂缝带发育高度，根据3 种方法的对比分析(表3)，3种方法得到的结果各不相同，由于经验公式计算结果相对保守，而数值模拟不能完全反应实际地质条件，导致结果偏大。综合分析认为31302工作面3上煤层采后覆岩导水裂缝带发育高度取44.7m更加符合实际条件。

表3方法与结果对比分析

方法优点缺点探测结果/m裂采比经验公式保守、安全、可靠应用条件局限性大436125FLAC3D模拟方便、快捷，能模拟不同地质条件不能完全反应实际地质条件60171现场实测原理简单，操作方便，成果直观测试时间长，对密封性要求高447160

4 结 论

(1)利用现场实测、数值模拟和经验公式对31302工作面3上煤层开采顶板导水裂缝带进行了研究，现场实测资料表明，31302工作面3上煤层采后覆岩裂缝带发育高度为44.7m，裂采比为16.0；数值模拟表明裂缝带高度为60m，裂采比为17.1；根据“规范”中硬覆岩岩性经验公式预计的导水裂缝带最大发育高度为43.6m。

(2)综合上述3种方法，认为现场实测结果最可靠，其他两种方法都有其局限性，即31302工作面3上煤层采后覆岩导水裂缝带发育高度为44.7m。

(3)岱庄生建煤矿现有开采条件下，综合获得31302工作面3上煤层开采的裂缝带发育高度对于提高矿井的开采上限，预防矿井突水具有重要的实际意义。

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