导水裂隙带影响下的煤层稳定性及安全开采措施研究

李金松

(大同煤矿集团地质勘测处地质科，山西 大同 037003)

煤矿水灾害是矿井几大主要灾害之一，严重威胁着矿井的安全开采，在开采中要按照“预测预报、有掘必探、有采必探、先探后掘、先治后采”的原则，加强矿井地质及水文地质工作。

1 矿井充水条件

（1）顶板导水裂缝带发育高度

采动条件下，覆岩破坏后在采空区上方形成“三带”，其中冒落带和裂隙带是采动破坏形成的人工导水通道。当其波及采空区上方的地表水体或含水层时就会引起顶板突水。因此评价覆岩破坏是否会引起顶板突水，关键是确定导水裂缝带最大发育高度。

未来三年内15、15下煤层开采采用一次采全高，顶板采用全部垮落法管理。据补勘报告对煤层顶底板岩石力学性质统计（见表1），该井田未来三年内开采15、15下煤层，其覆岩岩性属软弱～中硬岩性，但夹有极软弱的泥岩、砂质泥岩及坚硬的中粒砂岩。覆岩总体岩性介于软弱与中硬之间，考虑安全系数，本次计算取覆岩岩性为中硬。

表1 煤层顶底板岩石力学性质

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》煤层覆岩岩性中硬垮落带高度计算公式为：

依据公式（1）所得15及15下煤层垮落带高度发育预测值见表2所示。

表2 煤层跨落带高度发育预测

15下煤层开采垮落带大于15、15下煤层间距。根据下层煤的垮落带接触到或完全进入上层煤范围内时，上层煤的导水裂缝带最大高度采用本层煤的开采厚度计算，下层煤的导水裂缝带最大高度，则应采用上、下层煤的综合开采厚度计算，取其中标高最高者为两层煤的导水裂缝带最大高度。

据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中综合开采厚度计算公式：

式中：

M1-上层煤开采厚度，取3.65m；

M2-下层煤开采厚度，取6.10m；

h1-2-上、下层煤之间的法线距离，取3.31m；

y2-下层煤的冒高与采厚之比，取15/6.1；

经计算，15、15下煤层综合开采厚度为7.29m。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，采用经验法确定煤层上覆导水裂缝带最大高度。

煤层覆岩岩性中硬导水裂缝带高度计算公式为：

式中：

∑M-累计采厚，应用范围为单层采厚1～3m，累计采厚不超过15m。

各煤层开采的导水裂缝带最大高度计算值见图1。

图1 导水裂缝带最大高度

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》导水裂隙带最大高度取64m。

（2）底板采动导水破坏带发育深度

采矿对底板扰动破坏厚度Hi按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》规定公式：

式中：

Hi-底板采动导水破坏带深度，m；

L-壁式工作面斜长，取150m；

各煤层开采的底板采动导水破坏带发育深度见图2。

图2 底板采动导水破坏带发育深度

15、15下煤层开采后导水裂隙带最大高度达64m，详见图1，未波及9号煤层(最小距离67.35m)。因此从理论上计算开采15、15下煤层时工作面是安全的。但考虑到9煤采后形成的底板导水破坏带深度为16.88m（式（1）），当存在陷落柱、断层等导水构造裂隙时，可导通上覆煤层采空区积水和各含水层间水力联系。

2 矿井水对采场围岩稳定性影响的理论分析

煤体夹持理论认为，煤层处于覆岩和底板的夹持之中，而煤体与围岩的力学特性正是由此夹持特性决定的。

式中：

p-煤体支撑压力，MPa；

σc-煤体抗压强度，MPa；

τ-煤体抗剪强度，MPa；

φ-煤体内摩擦角，（°）；

x-研究位置距煤壁的距离，m。

M-开采煤层高度，m。

以煤壁前方的极限平衡理论为基础，可计算得到极限平衡区的宽度。

式中：

S-极限平衡区宽度，m；

σy-垂直应力，MPa；

N-煤壁的支撑力，MPa；

M-开采煤层高度，m；

f-煤层与顶板间的摩擦系数；

φ-煤体内摩擦角，（°）。

通过分析公式可得：参数T随着煤体内摩擦角的减小而变大，而极限平衡区宽度与参数T呈正相关关系，在煤壁支撑力变化不大的情况下，极限平衡区宽度也在增加；即随着矿井水含量的增加，煤帮集中应力前移，高压区和弹性能量积聚范围向远离煤壁方向转移。

3 矿井水对采场围岩稳定性影响的数值模拟研究

本次以含水率为指标研究矿井水对采场围岩稳定性的影响。

图3 采场围岩的垂直变形云图

从图中看出出现下沉的上覆岩层范围随着煤层含水率的升高不断扩大，进一步导致上覆岩层的下沉量也逐步增加。随着含水率的增加，关键层也随之产生更大的弯曲变形，更加容易达到极限垮落步距而发生破断。

模型的破坏可分为拉伸破坏、剪切破坏及拉剪破坏的复合。对于顶板而言，随着煤层含水率的升高，采空区直接顶塑性破坏区域逐渐扩大，且破坏形式从以拉伸破坏为主过渡为以剪切破坏为主，出现剪破坏的区域向采空区转移，采空区顶板应力集中程度加剧。

图4 采场围岩的塑性屈服云图

4 塔山矿井15及15下煤层安全开采措施及建议

当矿井含水量较大时，围岩的变形量和塑性屈服范围就越大。为了尽可能地控制采空区围岩的稳定性，由此提出针对的防治水措施：

（1）开采15号煤层时充水水源主要为太原组K2上灰岩、K2灰岩、K3灰岩、K4灰岩水，局部可能受到9号煤层采空区积水影响，对工作面开采有影响。因此，在开拓掘进前，应用井下电磁物探及钻探等手段，进行进一步探测和验证，根据探测结果及时采取相应的抽放水防治水措施。

（2）开采15下煤层时充水水源主要为太原组K2上灰岩、K2灰岩、K3灰岩、K4灰岩水，15号煤层采空区积水，局部可能受到6、8、9号煤层采空区积水，注意事项及应对与15号煤层开采相同。

（3）断层或陷落柱是重要的导水通道。通过断层、陷落柱有导通松散含水层水和基岩风化裂隙带含水层，不导水构造在采动影响下也可能成为导水构造。在开拓掘进前，应用井下钻探、物探等手段，进行进一步探测和验证，根据探测结果及时采取相应的抽放防治水措施。对于断层，可采用超前预注浆技术控制断层破碎带，使用的注浆材料为玛丽散。为了减小工作量以及对断层围岩的破坏，需要先采用机尾加刀方式，然后调斜工作面，适当减小工作面与断层倾向的夹角，这样也可以减小采场断层的暴露范围，可保证工作面机道的顺畅运行，使工作面快速通过冒顶区。

5 结论

本文以塔山煤矿实际水文地质资料为基础，采用理论计算结合经验公式确定了15及15下煤层开采后导水裂隙带最大高度达64m，未波及9号煤层。随着矿井水含量的增加，高压区和弹性能量积聚范围向远离煤壁方向转移，采空区直接顶塑性破坏区域逐渐扩大。为了保证采场的安全开采，应加强对地表变形现象的管理，及时回填治理各种裂隙，防患于未然。