不同采厚下的导水裂隙带发育高度研究

张志伟

（晋能控股煤业集团永定庄煤业公司，山西 大同 037003）

矿井水害是煤矿安全生产的灾害之一，由于煤矿开采地质条件复杂多变，给煤矿的安全高效开采带来重大的挑战。矿井水害主要来自于覆岩水体的威胁，尤其是煤层上覆岩层性质以及富含水体对开采含水层下压煤有着重要影响。一般情况下，受采动作用的影响，煤岩体发生损伤破坏，易引起岩层的断裂破坏，造成含水层中的水渗透下流，因此，依据上覆岩断裂破坏程度，可将其分为冒落带、导水裂隙带以及弯曲带。其中，冒落带处于岩层的最下方，并紧邻煤层；裂隙带区域内的裂隙发育自下而上，且逐步扩展又逐步衰减；弯曲带处于裂隙带上面，并延伸至地层的表面[1]。鉴于此，面对这些复杂的矿井水害，防治水技术就显得尤为关键。

防治水主要包括“控、疏、排”举措。“控”要求合理优化回采厚度、速度及工作面宽度等参数，以保证工作面的涌水量始终可控；“疏”首先需采用物探探查，即对顶板富水异常区域、裂隙发育等异常部位进行探查，若存在富水异常区域，还要对其采用钻探探查验证，比如对富水异常区开展疏降工作；“排”要求建立工作面排水机制以及采区排水系统，以保证矿井任一工作面具备抗灾、防灾的能力，实现矿井最大涌水量的排水需求，进而保证煤炭开采的安全性[2]。因此，本文主要分析不同采厚高度（3 m、6 m、9 m）时，综放开采工作面的垂直位移变化情况，并应用好采煤防治水技术，进而延长矿井服务的年限，保证煤矿开采的安全性。

1 安全煤岩柱简介

安全煤岩柱包括防砂煤岩柱和防水煤岩柱。其中，防砂煤岩柱是指在松散弱含水层的底界面到煤层开采上限之间，为避免流砂石流入井下而留设的岩层和煤块区域，允许导水裂隙带波及松散弱或者已经疏降的松散强含水层，但不允许垮落带接近松散层底部的现象，所以防砂煤岩柱高度要等于或大于最大垮落带高度及保护层厚度两者之和。而防水煤岩柱是指开采产生的导水裂隙带不允许波及水体，所以防水煤岩柱高度同样也要等于或大于最大导水裂隙带高度及保护层厚度两者之和，若出现松散含中等或强含水层，并与基岩直接相接触，且基岩风化带同样含水层情况，防水煤岩柱高度应等于或大于最大导水裂隙带高度、保护层厚度以及基岩风化带深度三者之和[3]。

2 不同采厚下的导水裂隙带发育高度研究

矿井中，当煤层开挖采出后，上覆岩会产生破坏移动，造成直接顶掉落至采空区，再加上岩石的碎胀性，使得开采后的煤层具有有限的岩层垮落高度。当垮落的岩石将整个采空区填满后，新平衡状态的岩体就会产生，垮落的区域则构成垮落带。垮落带具有导水性，而位于垮落带之上的是裂隙带，当岩体的剪切、弯曲以及水平变形出现裂缝和破断时，裂隙的导水性就比较强，因此，将垮落带、裂隙带统称为“两带”。此外，还有弯曲下沉带，其是指位于裂缝带的顶部到地表区间的岩层，因岩体变形比较小，其影响矿井涌水量的程度比较小。因此，本文主要分析采厚高度分别为3 m、6 m、9 m时，综放开采工作面的垂直位移变化情况。

下页图1是采厚高度是3 m时，综放开采工作面推进200 m上覆岩层的垂直位移变化图。从图1可知，导水裂隙高度是30.5 m。

图1 采厚是3 m时工作面推进200 m上覆岩层的垂直位移变化图

下页图2是采厚高度是6 m时，综放开采工作面推进200 m上覆岩层的垂直位移变化图。从图2可知，导水裂隙高度是61.5 m。

图2 采厚是6 m时工作面推进200 m上覆岩层的垂直位移变化图

下页图3是采厚高度是9 m时，综放开采工作面推进200 m上覆岩层的垂直位移变化图。从图3可知，导水裂隙高度是71.6 m。

图3 采厚是9 m时工作面推进200 m上覆岩层的垂直位移变化图

由图1、图2和图3对比可知，上覆岩层的垂直位移随着煤层开采厚度的增大而增大，且下沉盆地也因煤层的开采而显著增大，这也表明在同一地质状况下，在一定的区间内，采动影响范围及下沉盆地随着采厚的增大而增大。在采厚较小时，导水裂隙带发育高度随着采高的增大而显著增大，当出现裂隙带发育至松散层时，继续增大采高，裂隙带反而会缓慢发育。主要原因是采高较小时，煤层开采出后位于关键层之下的脆性岩层出现垮落，并填满整个采空区，产生平衡的应力状态；当采高继续增大，并达到一定程度时，关键层出现断裂，造成松散层的破坏并形成裂隙带，再加上松散层的天然塑性体性质，使得采高继续增大后，松散层内的裂隙带缓慢发育。

此外，根据文献[4]中提到的适用中硬性覆岩的综放开采导水裂隙带高度计算公式进行分析，即：

式中：Hli是导水裂隙带高度，m；M为采厚，m。

对于不同采厚获取的导水裂隙高度，相比采用公式（1）中“+”计算得到的结果要小，而当采用“-”时，结果相近。因此，本文采用计算导水裂隙带高度，比采用“+”计算，防砂岩柱降低9.2 m，防水岩柱降低22.9 m，提高了开采上限。

3 结论

1）上覆岩层的垂直位移随着煤层开采厚度的增大而增大，且下沉盆地也因煤层的开采而显著增大。

2）当采厚较小时，导水裂隙带发育高度随着采高的增大而显著增大，当出现裂隙带发育至松散层时，继续增大采高，裂隙带反而缓慢发育。

3）通过合理采取优化措施，缩小了煤岩柱安全高度，提高了开采上限。