综采工作面覆岩导水裂隙带发育高度研究

王彦敏，蔡先伟，江东海，黄万朋

(1.济宁矿业集团有限公司 霄云煤矿，山东 济宁 272213；2.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590)

导水裂隙带发育高度是确定防水煤岩柱尺寸、提高开采上限、制定矿井防治水措施的一个重要参数指标，对水体下安全开采、预防矿井水害具有重要作用[1-2]。王延蒙等[3]为了得出司马煤矿薄基岩区导水裂隙带的发育高度，对薄基岩分布特征及岩层力学特性进行了分析，进而利用经验公式计算出了导水裂隙带发育高度，同时运用数值模拟软件对煤层开采进行了模拟。朱伟[4]为研究厚松散含水层薄基岩下厚煤层综放开采的安全性，从黏土采动隔水性和近第四系底部导水裂隙带发育特征两个方面进行了讨论，实现了地表水体和第四系松散含水层水体下的综放安全开采。李万阳[5]基于兴源矿四采区薄基岩区，煤层开采受上覆第四系底部含水层水害的威胁，制定了采区综采面薄基岩区分段科学控制采高，防止第四系底部突水的技术方案。

为准确获得综采工作面导水裂隙带发育高度，以霄云煤矿受水害影响的1314工作面为研究背景，通过工程地质调查、理论分析、数值模拟，现场实测等手段，对工作面导水裂隙带发育高度进行研究，为该矿井相似采矿条件下的工作面导水裂隙带高度及防治水研究提供一定的参考依据。

1 工程地质概况

1314工作面为山东省济宁市霄云煤矿一采区东翼第6个工作面，工作面北为1312工作面采空区，南为村庄保护煤柱，西至1314胶带联络巷(第四系防水保护煤柱)，东侧为采区边界煤柱。工作面回采3号煤层，底板标高-558.7～-654.4 m，工作面长216 m，推进长度910 m，煤层厚度2.1～4.3 m，平均采高3.5 m.工作面内发育两条火成岩侵入岩体，在工作面内延伸距离较长，对工作面回采有一定影响；发育2条煤层冲刷变薄区，其中1条冲刷变薄区范围较大，煤层较薄，对工作面回采影响较大。工作面顶板及上覆岩层主要为中砂岩、细砂岩、粉砂岩，粗砂岩、含砾中砂岩、含砾粗砂岩等。图1为1314工作面采掘工程平面图。

图1 1314工作面采掘工程平面

2 导水裂隙带发育高度理论分析

1314工作面上覆岩层主要为中砂岩、细砂岩、粉砂岩、粗砂岩、含砾中砂岩、含砾粗砂岩等，采用厚度加权计算上覆岩层单轴抗压强度平均值小于40 MPa，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》要求，1314工作面上覆岩层属于“中硬”岩层，可用公式(1)计算导水裂隙带高度[6]：

(1)

式中：HIi为导水裂隙带发育高度，m；M为工作面采高，取3.5 m.

经计算，1314工作面回采后导水裂隙带发育高度为32.44～43.64 m.

3 数值模拟研究

3.1 数值模拟计算模型建立

根据霄云煤矿1314工作面地质概况和煤层及顶底板特征，运用有限差分软件FLAC3D建立数值模拟计算模型，其中工作面长度方向为X方向，工作面推进方向为Y方向，埋深为Z方向。建立的数值模型尺寸为长×宽×高=600 m×300 m×240.5 m，模型共包括145 908个单元，含有151 668个网络节点。煤层上方(Z方向)共建立岩层厚度150 m，其余岩层(430 m)自重以垂向载荷的形式施加在模型边界上，施加载荷为10.75 MPa.建立的数值模拟计算模型见图2.建立模型所用的各岩层力学参数见表1.

图2 数值模拟计算模型

表1 各岩层力学参数

3.2 数值模拟计算结果分析

待模型各岩层参数赋值后，首先进行模型平衡计算，模型平衡后，初始化模型各个方向的位移与速度，得到初始平衡模型，平衡后进行工作面回采模拟。工作面回采模拟完成后，导水裂隙带内岩层裂隙的形成发育是由于岩层的弯曲下沉造成的，因此通过分析工作面上覆岩层拉应力分布特征可较好研究导水裂隙带发育高度，图3为不同推进距离时拉应力场分布图。

图3 不同推进距离时拉应力场分布图(m)

由图3可以看出：随着工作面的推进，工作面上覆岩层内的拉应力范围高度在逐渐增高，且随着工作面推进，拉应力高度增长速率在逐渐减小：当工作面推进30 m时，拉应力高度为11.94 m；当工作面推进40 m时，拉应力高度为24.14 m，增加了102.2%；当工作面推进50 m时，拉应力高度为33.24 m，增加了37.7%；当工作面推进60 m时，拉应力高度为36.47 m，增加了9.7%；当工作面推进70 m时，拉应力高度为38.72 m，增加了6.2%；当工作面推进80 m时，拉应力高度为38.72 m，高度不再增加。工作面上覆岩层拉应力分布特征可较好反应导水裂隙带发育高度，因此，数值模拟得出：1314工作面回采后导水裂隙带发育高度为38.72 m.

4 导水裂隙带发育高度实测

采用井下导高观测仪在1314工作面进行导水裂隙带高度观测，在轨道巷内施工2个观测钻孔，其中观测钻孔1倾角40°，孔深85 m，观测钻孔2倾角45°，孔深80 m.图4为观测钻孔布置图。

图4 观测钻孔布置示意

由钻孔孔底起自上而下逐段测试每段钻孔的注水漏失量，通过注水漏失量可得到可靠的导水裂隙带发育高度上限，表2为两钻孔注水漏失量。

表2 两钻孔注水漏失量

由表2可以看出：钻孔1在垂高为39.5 m、钻孔2垂高为38.4 m时，两钻孔的注水漏失量均突然增大至20 L/min以上，说明钻孔此时由弯曲下沉带进入了导水裂隙带，因此钻孔注水漏失量突然增大。2个导水裂隙带高度观测钻孔，均比较准确地测试出了1314工作面导水裂隙带发育高度的上限值，观测成果相互印证，可以得到较为可靠的导水裂隙带发育高度结果。为了保证较高的安全系数，取最大值作为最终结果，最终确定1314工作面回采后导水裂隙带发育高度现场实测结果为39.5 m，裂采比为11.29.

5 结 语

1) 霄云煤矿1314工作面上覆岩层主要为中砂岩、细砂岩、粉砂岩、粗砂岩、含砾中砂岩、含砾粗砂岩等，属“中硬”岩层，经理论计算得出回采后导水裂隙带发育高度为32.44～43.64 m.

2) 采用有限差分软件FLAC3D数值模拟计算得出：随着工作面推进，导水裂隙带高度逐渐增加，当工作面推进至70 m时，导水裂隙带高度不再增加，维持在38.72 m.

3) 采用井下导高观测仪实测工作面回采后导水裂隙带发育高度，为保证安全，取最大值作为实测最终结果，即导水裂隙带发育高度为39.5 m，裂采比为11.29.