同忻煤矿工作面导水裂隙带高度发育规律分析

＊王星瑶

（晋能控股煤业集团同忻煤矿山西有限公司 山西 037000）

煤矿开采过程中，防治水工作一直是煤矿安全的必要环节之一，其中工作面导水裂隙带发育规律是煤矿预测矿井水害发生的关键参数，故掌握工作面覆岩导水裂隙带发育规律对于存在水害风险的矿井尤为重要。

对于导水裂隙发育规律的获取，煤矿科研工作者们进行了大量研究，方法大致可分为：理论经验公式、模拟仿真以及现场工程测量三种手段。李博等针对采用多元回归分析的方法计算得出更加贴近现场经验公式的理论计算方法。来兴平等针对厚松散层下三软煤层工作面上方导水裂隙发育问题，采用了物理模拟、仿真计算、公式推导以及工业性验证等多元方法得出科学可靠的现场开采参数。李超峰基于三次函数多项式曲线拟合的方法得到了黄陇煤田工作面宽、高双因素经验预测公式，提高了预测公式的精确程度。由此可见，要精确地获取、预测工作面导水裂隙发育规律，通常需要结合多种研究手段。

同忻煤矿煤层开采属于特厚煤层且井田内上部侏罗系采空区内存在老空区积水现象，水文地质条件复杂，为加强对井田内上部侏罗系矿井老空区内突水情况的预测，保证工作人员井下工作环境的安全可靠，采用多元手段、因地制宜地获取导水裂隙发育情况是现阶段煤矿安全的发展趋势，本文就同忻煤矿8204工作面顶板存在老空区问题，结合理论计算、数值仿真以及现场实测等多种手段，得出工作面导水裂隙相关特征及规律研究结论为该矿后续工作面防治水提供科学、准确的参考，保证了井下作业的安全。

1.地质及工程概述

同忻煤矿8204工作面开采煤层为石炭系3～5#煤层，煤层厚度7.27～25.80m，平均厚度16.06m，属于特厚煤层。老顶质地偏硬为砂质泥岩、粗砂岩，约为11.56m；直接顶质地较软为高岭质泥岩，约为3.41m。

8204工作面北接未开采煤体，南接第二盘区的胶带、运输、回风三条大巷，西部为未开采煤体、东为8203工作面回采结束的采空区。平均水涌出量为0.06m3/min，峰值流量为0.10m3/min。

采区上部为同家梁煤矿未采完实体煤层，部分对应区域为采空区，且层间距为165～181m，相对较近，且存在积水问题。根据同家梁、永定庄矿充水性图及探放水孔疏放情况综合分析，8204工作面上覆侏罗系煤层采空区无大面积积水。针对上覆侏罗系采空区共计施工探放水孔20个，正在施工中，出水钻孔8个，累计疏放上覆采空区积水2000m3，现阶段针对上方采空区内积水排放问题初步已经解决，采空区内水预计已经无法对煤矿正常安全生产造成影响。但不排除局部低洼处仍有残留积水，故精确获取导水裂隙发育规律有很高的实际意义。

2.导水裂隙带高度公式计算

(1)规程中导水裂隙带高度公式计算

经过大量的现场实际测量汇总以及国家相关领域专家总结得出针对煤炭资源开采相关《规程》中包含了以顶板岩石物理力学特征为主导因素的导水裂隙带计算公式见表1，根据同忻煤矿煤层顶板岩性及强度可知，类型为坚硬，公式选择为：

表1 岩石性质为主导因素的导高经验公式

式中，Hli为根据经验预测实际导高，m；M为煤开采的实际厚度，m。

两个不同煤系采区上下相距165～181m。3～5#层8204面煤层平均厚度16.06m，依照式（1），带入煤层厚度最大值27.55m，得出实际导高为69.7～87.5m，远小于两采区之间距离。

(2)综放导水裂隙带高度公式计算

同忻煤矿根据多年的综放开采技术经验总结，以及现场地质条件变化规律，得出了适用于当地开采方法的导高经验公式如下：

带入煤层厚度最大值27.55m，得出导水裂隙带高度148.6～171.5m，与规程中得出数据差距较大，其结果大于与上方采空区之间的距离，经过长时间的煤矿开采活动产生的覆岩导水裂隙存在形成上下之间矿井水突出的通道，从而发生矿井水突出以及相关的矿井水灾害。上部岩石中含水层水量较低，无法造成大规模矿井突水事件，但上层采空区中水量充足，如不及时疏导，可能会导致煤矿安全事故发生。在生产过程中要随时注意对采空区积水的探查，生产时必须抽排掉，确保煤矿生产安全。

3.数值模拟分析

(1)模型建立

根据8204工作面现场条件，采用FLAC3D软件构建数值计算模型，将地层物理力学参数相应带入并建立模型。模型X×Y×Z为360m×200m×250m，采区的煤层地质构造较为单一，且底板起伏较小，煤层倾角对其影响较小，因此，将该采区岩层简化为水平。本构模型采用莫尔-库仑破坏准则，共建立181440个单元和191552个节点。

(2)推进距离对导水裂隙发育的影响

设置推进距离观测方案分别为60m、120m、180m、240m。通过数值模拟仿真软件模拟现场煤层开采过程，并在相对应的时刻，得出推进距离因素影响下，采场覆岩应力及塑性区分布规律，如图1所示，研究不推进距离因素影响下煤层开采覆岩导水裂隙带应力-塑性区环境可知。

图1 推进过程采场覆岩应力-塑性区云图

①工作面不同开采长度条件下的覆岩塑性破坏特征，与不同采高条件下的覆岩塑性破坏特征大同小异，同样位于煤层直接顶上方，大致呈剪切破坏，而在更高处则呈拉伸与剪切互存的塑性破坏特征。

②在工作面推进过程中，采场的变形破坏强烈程度往往边界要高于中心位置。这是覆岩垮落过程中中心位置应力会转移到边界使其应力集中，导致边界位置裂隙发育以及围岩破坏情况最明显。

③随着工作面推进距离的增加，覆岩高导发育高度也呈持续上升的规律。当工作面开采推进距离分别为60m、120m、180m、240m时，实际导高分别为36.5m、92.5m、130.5m、159m。由此可见，数据与综放开采导水裂隙带经验公式相吻合，同时适当地控制工作面开采长度对于降低覆岩“两带”发育高度具有重要意义。

4.工程实践

为验证理论数值的正确性，在同忻煤矿8204工作面采用了实际测量的方式来确保导水裂隙带高度的正确性，现场采用钻孔冲洗液漏失量的方法来实际获取导高数据。在工作面推进距离为60m、120m、180m、240m时布置4个测站A1、A2、A3、A4对应上述方案，具体参数如图2。

图2 推进距离与导高之间的关系

A1：当推进距离为60m时，钻孔深度到33.5m，冲洗液漏失量由0.38m3/h增长至2.43m3/h，冲洗液漏失量有所增大。A2：当推进距离为120m时，钻孔深度到90.1m，冲洗液漏失量由0.33m3/h增长至4.43m3/h，冲洗液漏失量大幅增大。A3：当推进距离为180m时，钻孔深度到135.66m，冲洗液漏失量由0.57m3/h增长至4.33m3/h，冲洗液漏失量有所增大，A4：当推进距离为240m时，钻孔深度到162.42m，冲洗液漏失量由0.21m3/h增长至2.01m3/h，冲洗液漏失量有所增大。结果表明：本文得出的导水裂隙带高度计算结果与现场结果基本吻合，验证了该计算具有很高的可靠性。