杨伙盘煤矿3-1煤层开采覆岩导水裂隙带高度研究

王飞

（榆林市杨伙盘矿业有限公司，陕西 神木 719300）

0 引 言

榆神府矿区浅埋煤层群煤炭资源储量丰富，由于其煤炭资源赋存具有埋藏浅、基岩薄、层间距小和可采层数多的特征[1]，下煤层开采时极容易引发上煤层采空区积水以及地表雨季降水涌入工作面的现象[2]，对下煤层安全生产构成威胁，因此，采用理论分析结合地表钻探的方法对杨伙盘煤矿3-1煤层覆岩导水裂隙带发育进行实测研究，对矿井水灾害防治具有重要的意义。张杰[3]采用相似模拟实验的方法研究了榆树湾煤矿浅埋厚基岩条件下保水开采覆岩三带发育规律。侯恩科[4]采用相似模拟和数值模拟的方法对柠条塔煤矿2-2煤层开采覆岩破坏规律及裂隙发育特征进行了研究。李海军[5]、张哲鹏[6]、蔚保宁[7]采用现场实测和物理模拟、数值模拟的方法分别研究了浅埋煤层开采覆岩裂隙带发育规律。蔚保宁[7]、智国军[8]采用工程钻探的方法对煤层群开采覆岩导水裂隙带发育高度进行了研究。王连国[9-10]基于不同岩性承载能力和变形特征，构建了一种预计导水裂隙带发育高度的力学模型。薛雄飞[11]采用瞬变电磁法对浅埋煤层导水裂缝带高度进行了预测研究。

尽管榆神府矿区覆岩导水裂隙带发育已经进行了许多研究，针对于杨伙盘煤矿浅埋近距离煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度的实测研究较少，因此，有必要对杨伙盘煤矿开采覆岩导水裂隙带发育高度进行实测研究，为矿井防治水工作提供指导。

1 工程概况

杨伙盘煤矿30116工作面位于井田中西部，东为杨伙盘村、回风立井西北侧，西为李家渠，中北部和南部为周家梁村，3个村庄的南部。上覆地层厚度为0~161.58 m，基岩厚度为42.87~161.58 m，松散层厚度为0~35.19 m，平均厚度25 m。3-1煤层厚度1.84~2.2 m，平均厚度为2.2 m，煤层倾角为1°，上部为2-2煤20307、20308工作面采空区，煤层厚度2.4 m，两煤层间距为25 m，煤层赋存特征见表1。30116工作面覆岩岩性柱状图如图1所示。煤层顶板岩层抗压强度一般为20~45 MPa，属于中硬岩层，参照中硬岩层的计算公式，对其开采后上覆岩层垮落带与裂隙带的高度进行计算。

图1 30116工作面覆岩岩性柱状图Fig.1 Overlying strata lithology histogram of No.30116 Face

表1 煤层赋存情况Table 1 Coal seam occurrence conditions

2 导水裂隙带高度理论预计

2.1 《三下开采规范》中导水裂隙带高度预计

根据2017版《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》（简称三下开采规范）中对于覆岩垮落带和导水裂隙带高度的计算。

带入表1开采参数可得出，当仅开采2-2煤层时，垮落带高度为10.13 m，裂隙带高度为40.98 m，裂采比为17.1，3-1煤开采完后，垮落带高度为11.84 m，裂隙带与2-2煤层裂隙带贯通，此时3-1煤导水裂隙带高度为74 m，裂采比为33.64，说明3-1煤层初次来压后上覆岩层导水裂隙带已经发育至土层底部，随着工作面推进距离的增大，导水裂隙带发育至地表。

2.2 《煤矿防治水综合技术手册》中导水裂隙带高度预计

根据2003版《煤矿防治水综合技术手册》中对于覆岩垮落带和导水裂隙带高度的计算，给出了2种计算方法。

（1）过去常用的导水裂隙带计算公式[12]。

式中：h1为顶板垮落带高度；M为煤层厚度；α为煤层倾角；Ks为岩石碎胀系数；h2为裂隙带高度。不同岩层碎胀系数见表2。

带入表1开采参数可得出，当仅开采2-2煤层时，垮落带高度为8 m，裂隙带高度为24 m，裂采比为10。3-1煤开采完后，垮落带高度为7.33 m，与2-2煤层导水裂隙带贯通，此时3-1煤导水裂隙带高度为60.91 m，裂采比为27.69，3-1煤层初次来压后导水裂隙带已经发育风化岩层处，随着工作面推进距离的增大，导水裂隙带发育至地表。

（2）矿井水文地质规程确定的经验计算公式。

带入表1开采参数可得出，当仅开采2-2煤层时，垮落带高度为9.6 m，裂隙带高度为38.9，裂采比为16.21，裂隙带未发育至地表。3-1煤开采完后，垮落带高度为8.8 m，导水裂隙带已与2-2煤层导水裂隙带贯通，此时3-1煤导水裂隙带高度为66.3 m，裂采比为30.14，随着工作面推进距离的增大，导水裂隙带发育至地表。

综上所述，依据《三下开采规范》和《煤矿防治水综合技术手册》对杨伙盘煤矿30116工作面开采过程中垮落带和导水裂缝带发育高度进行理论分析，计算结果见表2。

表2 覆岩两带高度发育计算表Table 2 Calculation table of two zone development height of overlying strata

3 导水裂隙带高度实测

3.1 观测方案设计

根据杨伙盘煤矿3-1煤采掘工程平面图、井上下对照图，以30116工作面为研究对象进行采动覆岩的裂隙发育及“三带”发育高度进行观测研究。30116工作面宽度240 m，埋深平均为100 m。30116工作面上覆采空区分布特征及钻孔位置，如图2所示。

图2 30116工作面上覆采空区分布特征及钻孔位置Fig.2 The design of overlying goaf distribution characteristics and drilling position of No.30116 Face

20307工作面采空区回风顺槽、回撤巷与30116工作面主运顺槽重叠区域呈等腰直角三角形，为避免回采巷道对采空区垮落影响，将1号钻孔位置布置在该区域中心点，与周围3条巷道距离均为57 m，满足钻孔位置设计要求。30116工作面与20308工作面采空区完全重叠，此时30116工作面已回采至过20308工作面切眼90 m处，故将2号钻孔位置选取布置在工作面中部，同时仍要避免20308工作面切眼及回采巷道的影响，结合现场实际情况，将2号点的位置取在距20308工作面切眼52 m处同时又处在20308工作面中部的位置。

钻孔位置具体参数为，1号钻孔设计位置距离30116工作面切眼680 m，距离30116主运顺槽57 m，经度37 455 723，纬度4 325 166。钻孔地表标高1 200 m，煤层底板标高1 080 m。2号钻孔设计位置距离30116工作面切眼897 m，距离30116主运顺槽93 m，经度37 455 918，纬度4 325 243。钻孔地表标高1 184 m，煤层底板标高1 080 m。

3.2 30116工作面钻孔窥视结果分析

如图3所示，1号钻孔距离孔口3.88 m处有纵向裂隙出现，裂隙张开度较大，如图3（a）所示，距孔口16.17 m处环状横向裂隙发育，如图3（b）所示，孔深30 m范围内均为黄土组成的松散层，并且松散层中存在环状和纵向裂隙，由此可得出采动后覆岩裂隙带高度已经发育至地表。钻孔66~75 m孔壁较为破碎，66.94 m处为纵向裂隙发育，破坏范围发育至67.31 m，67.31 m处有较大横向裂隙发育。72~74.5 m纵向裂隙发育密集，破坏范围更大，约为2.5 m，如图3（c）所示。孔深85~95 m，随着钻孔深度增大，孔壁岩层破碎程度加大，孔壁处横裂隙、纵向裂隙均均有发育，分析认为2-2煤层覆岩垮落带发育范围为66~75 m，垮落带高度约为9 m。在孔深达到90.2 m处孔壁发育横向裂缝，且有明显离层现象。当钻孔深度达到94.93 m处时，孔壁破碎严重，横向裂隙与纵向裂隙并存，如图3（d）所示。分析认为3-1煤采空区覆岩垮落带发育范围为104~118 m，垮落带高度14 m。

图3 1号钻孔内裂隙发育特征Fig.3 Fracture development characteristics in No.1 drilling hole

4 结 论

（1）《三下开采规程》计算得出，2-2煤层垮落带高度为10.13 m，垮采比为4.22，裂隙带为40.98 m，裂采比为17.1。3-1煤层垮落带高度为11.84 m，垮采比为5.38，裂隙带为74 m，裂采比为33.64。

（2）《煤矿防治水综合技术手册》计算得出，2-2煤层垮落带高度为8~9.6 m，垮采比为4，裂隙带为24~38.9 m，裂采比为10~16.21；3-1煤层垮落带高度为7.33~8.8 m，垮采比为3.67，裂隙带为60.91~66.3 m，裂采比为27.69~30.14。

（3）钻孔窥视得到2-2煤垮落带高度9 m，垮采比为4.2，3-1煤垮落带高度14 m，垮采比为6.4，导水裂隙带随着工作面的推进均已发育至地表。