鹤岗矿区导水裂隙带高度探测意义

摘 要：鹤岗矿区自日伪时期就已经开始生产采煤，经过长时间的煤炭开采，浅部资源日益枯竭，陆续进入深部区开采。在煤层的开采过程中煤层开采引起覆岩移动变形破坏形成导水裂隙，可使位于开采影响范围内的地表水、地下水、老窑及采空区积水溃入井下，不但严重危及矿井安全生产，而且严重损害矿区生态环境，尤其是采用综放开采的开采方式，这种危害表现的更为突出。

关键词：鹤岗矿区;导水裂隙带;探测

1.引言：

鹤岗矿区隶属黑龙江龙煤鹤岗矿业有限责任公司，位于黑龙江省鹤岗市市区东部，矿区煤炭资源丰富，储量约30亿吨。煤田储存条件良好，煤系地层厚达800-1200米，含煤43层，其中大于3.5米的厚煤层占75.5%，厚度超过5米的有9层，超过10米的有3层，但是在具有煤层多、煤层厚、倾角相对较大的鹤岗矿区还未开采展过类似的工作。

2.国内研究现状

20世纪70年代至80年代，为适应水体下采煤技术的迫切需要，开展了大量的用专门的观测孔来研究开采导水裂隙带高度，并就观测孔中水位变化及水的漏失量等方法，提出了有效和无效导水裂隙的区分。同时进行试验性研究工作，特别是相似材料模拟技术也得到了较快发展。我国许多矿区在裂隙高度现在观测资料和试验研究的基础上，结合煤层的采出厚度、岩体的强度类型等，总结出不同覆岩类型条件下，煤层采出厚度与冒高、裂高相关关系式，并以此来指导实际生产，总体上说该阶段仍处在经验积累阶段，如刘天泉教授（1981）等对水平煤层、缓倾斜煤层、急倾斜煤层开采引起的覆岩破坏规律与地表移动规律作了深入的研究，提出了导水裂隙带概念，建立了垮落带与导水裂隙带计算公式，为提高煤层开采上限，减少煤层资源损失作出了很大贡献。李增琪（1983）应用积分变换法推导出层状岩层移动的解析解;杨伦、于广明（1987）的岩层二次压缩理论，将地表沉陷与岩层的物理力学性质联系起来;张玉卓（1989）应用边界元法研究了断层影响下地表移动规律及提出了岩层移动的错位理等;其研究特点为：①以覆岩体工程地质环境和岩体力学环境为主要研究内容;②以导水裂隙带发育高度与岩体强度类型之间的关系为研究重点;③研究方法虽然仍以定性描述和分析为主，但已向定量化研究迈出可喜的一步。

20世纪80年代以来，我国开展了许多水体下采煤的专题性研究，取得了不少突破性进展，邓喀中提出了开采沉陷的结构效应;吴立新、王金庄建立了条带开采覆岩破坏的托板理论;杨硕建立了开采沉陷的力学模式;麻凤海应用离散元法研究了岩层移动的时空过程;赵经彻等应用内外应力场理论对分层开采、网下综放、全厚综放三种不同开采条件下冒落岩层厚度、导水裂隙高度、地表沉陷特征以及支承压力大小及分布特点进行分析和探讨，建立了相应的计算模型;康永华依据兴隆庄煤矿大量的现场实测资料，总结了中硬岩厚煤层长臂冒落开采条件下炮采、综采湖综放开采方法对导水裂缝带发育高度及其分布形态的影响，提出减小初次开采厚度可以降低导水裂缝带发育高度的观点;对综采重复开采的覆岩破坏高度、范围、形态及发育特点等进行了全面分析;许延春、李俊成等人依据项目实测“两带”高度成果，收集40余个“两带”孔的综放开采工作面不同硬度类型覆岩的两带高度数据，采用数理统计回归分析的方法，得出了适用于综放开采工作面中硬、软弱覆岩条件下的“两带”高度计算的经验公式，并进行了适用性分析;黄庆享运用特制的相似材料立体精细模拟实验系统，对浅埋煤层开采引起顶板的空间结构特征和裂缝分布规律进行了研究;张永波等利用相似材料模拟实验模拟采动岩体裂隙的形成过程和分布状态，运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体裂隙分布的分形规律;涂敏等通过对厚松散层及超薄覆岩的含、隔水层及基岩风氧化带工程岩组性质的分析，采用相似模拟试验与数值模拟等手段研究不同采放比条件下覆岩最大冒高和有效导水高度;戴华阳、王金壮教授认为急倾斜煤层开采后岩层破坏移动方式为：层梁沿煤岩层呈单支座悬臂梁弯曲，喇叭口上由于岩层的不同步弯曲，地表沿层面产生裂隙;移动边界线沿边界角向外弯曲;地表移动曲线呈现波浪形，规律性不强，而沿层面的移动曲线则平缓、规则、规律性强，说明了急倾斜开采岩层沿法向弯曲的移动方式。王金安、冯锦艳教授等采用分型几何学对离散元计算得出的急倾斜煤层开采覆岩裂隙发育进行了分析。高延法教授提出了岩移“四带”模型等，对解释和计算导水裂隙带的形状和高度具有较大的帮助。刘红元教授等在研究采动影响下覆岩垮落的动态发展过程中应用自行开发的岩层破断过程分析系统（SFPA2D），模拟了开挖后岩梁悬露在重力作用下发生离层、弯曲、沉降、端部和中部开裂直至冒落的全过程，再现来了采动影响下覆岩破坏的动态发展过程。并且为了验证数值模拟的正确性，也做了相似材料模拟。

从总体上看，无疑这些研究成果将会对导水裂隙带发育规律的研究奠定很好的基础，给煤矿开采带来巨大的经济效益，但是在具有煤层多、煤层厚、倾角相对较大的鹤岗矿区还未开采展过类似的工作，并且在这样的条件下开采，采动覆岩中导水裂隙带的形成过程及机理具有一定的特殊性，而现有的经验公式预测方法已不适用鹤岗矿区的需要。因此，在鹤岗矿区开展导水裂隙带发育高度的探测，研究其形成过程及机理，确定其发育高度是目前急需解决的新课题。

2.导水裂隙带高度探测的必要性

（1）鹤岗矿区地层构造复杂，部分煤层开采厚度大，倾角变化大，并且以往对于鹤岗矿区覆岩破坏规律的研究分析较少，造成鹤岗矿區矿井顶板突水风险危害更为严重，而且随着各生产矿井进入深部开采，部分矿井的采煤工作面位于强富水含水层或采空区积水或河流及积水坑等水体之下，煤层开采所形成的导水裂隙带能波及上部水体导致突水，经统计鹤岗矿区矿井发生水害事故38起，其中记载与导水裂隙带有关的事故有13起，占水害事故的34.2%，造成了巨大的经济损失。因此开展鹤岗矿区“导水裂隙带高度”的探测研究工作，查明矿区导水裂隙带发育高度及变化规律，对保障煤矿安全生产提供基础地质资料已迫在眉睫。

（2）虽然国内研究导水裂隙带高度的经验公式被大多数矿山采用，但是在具有煤层多、煤层厚、倾角相对较大的鹤岗矿区还未开采展过类似的工作，并且在这样的条件下开采，采动覆岩中导水裂隙带的形成过程及机理具有一定的特殊性，而现有的经验公式预测方法已不适用鹤岗矿区的需要。

综上所述，针对鹤岗矿区巨厚煤层导水裂隙带高度探测有着非常重要的意义。

3.导水裂隙带工作开展情况

对于鹤岗矿区防治水工作中面临的问题，2013年7月以来，中国煤炭地质总局华盛水文地质勘察工程公司通过地表钻孔对鹤岗矿区进行了导水裂隙带发育高度探测做了专题研究;2016年借鉴龙口矿业公司通过井下钻孔探测导水裂隙带的先进方法来指导鹤岗矿区导水裂隙带探测工作，7月份已经在峻德矿探测成功，规划到2020年末将陆续对井下适合条件的地点进行导水裂隙带探测，再将中国煤炭地质总局华盛水文地质勘察工程公司研究导水裂隙带发育高度的成果与井下探测相结合，最终总结出适合鹤岗矿区巨厚煤层导水裂隙带发育高度规律，确定其发育高度，推导其预测公式，保障矿井安全生产。

4.结语

深入研究覆岩破坏导水裂隙带的发育高度和分布形态，尤其是导水裂隙带高度的科学合理确定，对选择煤层合理的工作面参数和支护形式，合理设计防水煤柱尺寸，改进和完善采煤方法，避免煤炭资源浪费，提高煤炭资源回收率，保障矿井安全生产，保护矿区生态环境都具有重要的科学研究意义和应用价值。

作者简介：

王天明，1985年1月出生，男，工程师，2011年毕业于黑龙江科技学院资源勘查专业，双学士学位，现工作于黑龙江龙煤鹤岗矿业公司新陆煤矿，主要从事地测技术及管理工作。