裕兴煤矿15205工作面“两带”发育高度研究

王博

（山西煤炭运销集团裕兴煤业有限公司，山西 晋城 048000）

0 引言

由于煤层采出后，会造成上覆岩层的移动破坏，根据采空区覆岩移动的破坏程度，在采空区上方形成“三带”，即垮落带、裂缝带和弯曲带。“两带”一般指的是垮落带和裂缝带，又称为“导水裂缝带”，意指上覆岩层含水层位于“两带”范围内，将会导致岩体水通过岩体破断裂缝流入采空区和回采工作面。“两带”高度和岩性与煤层采高有关，覆岩岩性越坚硬，“两带”高度越大。因此准确地确定“两带”高度，对解决水体下采煤问题及下解放层开采瓦斯突出煤层有特别重要的意义[1]。根据研究方法原理的不同，可以将导水裂缝带高度的研究方法分为4 类：确定性预测法、统计学预测法、非线性预测法和现场实测法[2]。赵兵朝等[3]以榆阳矿区薛庙滩煤矿为工程背景，通过理论分析、相似材料模拟实验等方法，确定出薛庙滩煤矿煤层开采后导水裂缝带发育高度为167.21 m，为进一步研究榆阳矿区“保水开采”奠定了理论基础；孙润等[4]以屯兰矿28120 工作面为研究对象，通过理论分析、FLAC3D 数值模拟和井下仰孔压水试验等方法，确定出屯兰矿28120 工作面导水裂隙带最大发育高度为54.50 m；黄汉富等[5]通过理论分析、UDEC 数值模拟等方法模拟研究了采动裂隙发育和煤层群采动相互影响的演变过程，分析了3-1 煤顶板岩层采动裂隙的发育规律与预计高度，为该区的矿压控制与保水开采提供了有益参考；冯超等[6]以小保当延安组四段2-2 煤层的先期开采工作面为工程背景，采用经验公式法、理论分析法、FLAC3D数值模拟法以及物理模拟法等方法，分别预测了小保当井田2-2 煤层采动条件下导水裂隙带发育高度并对其结果进行对比验证。最终确定小保当2-2 煤层采动条件下覆岩导水裂隙带发育高度154 m，为解决小保当井田在煤矿开采时所引起的煤矿安全事故提供参考依据；舒宗运等[7]以郭家河煤矿的1305综放工作面为工程背景，通过采用地表钻孔冲洗液漏失量观测、钻孔彩色电视观测和UDEC 数值模拟等方法，对特厚煤层综放开采条件下的“两带”高度进行研究；刘英锋[8]等以大佛寺煤矿为试验矿井，采用钻孔电视系统和钻孔简易水文观测法，探测深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂缝带发育高度，并对导水裂缝带演化特征进行相似模拟和数值模拟试验研究，最终确定大佛寺煤矿深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂缝带发育高度为170.80～192.12 m。

本文以裕兴煤矿15205 工作面为工程实例，根据现场实际情况，通过3DEC 数值模拟和现场实测等方法，综合确定15205 工作面覆岩“两带”发育高度，为裕兴煤矿类似地质采矿条件下地表水体及含水层下工作面开采时提供参考依据。

1 概况

裕兴煤矿15205 工作面为15 号煤层二采区15203 工作面的接替采面，工作面倾斜长154～220 m，走向长1 096 m，地面标高+1 127—1 388 m，井下标高+904—925 m，平均采深约343 m，煤层平均厚度4.18 m，煤层倾角4°～5°。由于井田内广泛为黄土覆盖区，根据钻孔及区域资料可知该井田地层由老至新为：奥陶系中统峰峰组（O2f），石炭系中统本溪组（C2b），石炭系上统太原组（C3t），二叠系下统山西组（P1s），二叠系下统下石盒子组（P1x），二叠系上统上石盒子组（P2s），第四系中、上更新统（Q2+3）。

通过对15205 工作面水文地质资料分析总结可知，工作面上部地表无大的水体，工作面回采期间正常的涌水量为20～30 m3/h，最大涌水量为25～35 m3/h，顶板以灰岩、细砂岩和泥岩为主，岩性属于中等坚硬岩层。总体而言，15205 工作面地质条件简单，工作面覆岩中存在大量的原生裂隙，顶板裂隙发育，满足裕兴煤矿15 号煤层现场“两带”高度探测的需要。

2 “两带”发育高度研究

2.1 经验公式计算

由于导水裂缝带的发育高度主要取决于地层结构、岩石力学性质和开采方法，根据钻孔区域工作面钻孔柱状图可知，煤层平均厚度为4.18 m，根据《煤矿防治水细则（解读）》内中硬岩层开采导水裂隙带高度计算公式：

可计算出的导水裂缝带高度范围为40.98～63.96 m，因此主要对覆岩采动破坏高度在40.98～63.96 m 的覆岩破坏情况进行控制研究。

2.2 数值模拟计算

为得到工作面上覆岩层破坏情况，研究覆岩“两带”发育高度规律，通过采用3DEC 数值模拟软件，以工作面内的钻孔作为建模依据，考虑工作面上覆岩层岩性和模型边界对模拟计算的影响，为使模型在走向方向上达到充分采动，确定模型长600 m，高100 m，建立数值模型如图1所示。

图1 3DEC数值模型Fig.1 Numerical model of 3DEC

根据钻孔柱状图可知煤层上覆岩层岩性主要为砂质泥岩、细粒砂岩、中粒砂岩、泥岩、粉砂岩、石灰岩等，因此为更加真实的反映出煤炭开采引起的上覆岩层破坏垮落的运动状态，结合实际情况，将工作面分16 次进行分步开挖，每次开挖步距为30 m，截取模拟开挖过程中30、60 和120 m 的竖直方向位移云图和覆岩裂隙特征图，如图2、图3所示。

由图2竖直方向位移云图可知覆岩离层的发育规律：开挖至30 m 时，覆岩开始出现移动，煤层上方8.06 m 处出现离层；开挖至60 m 时，覆岩发生大面积垮落，离层再次向上发育，在煤层上方40.95 m 处出现离层；开挖至120 m 时，离层明显闭合。由此可知随着工作面的不断向前推动，上方岩层不断破坏垮落，出现离层的位置也不断增高，但在竖直方向上随着远离采场，离层发育情况逐渐减弱，直至闭合。

图2 开挖30、60、120 m竖直方向位移云图Fig.2 Vertical direction displacement cloud chart with 30,60,120 m excavation

由图3覆岩裂隙特征图可知覆岩竖向裂隙发育规律：竖向裂隙呈现出先开裂后闭合的特征。开挖至30 m 时，采动影响较小，覆岩内部只有少量竖向开裂裂隙产生；开挖至60 m 时，覆岩内部产生大量竖向裂隙，在采空区中部上覆岩层裂隙呈现出闭合趋势；在开挖至120 m 时，原有的部分开裂裂隙逐步演化为闭合裂隙，在采空区中部形成裂隙闭合区域。

图3 开挖30、60、120 m覆岩裂隙特征Fig.3 Fracture characteristics of overburden rock with 30,60,120 m excavation

通过3DEC 数值模拟综合分析覆岩离层和竖向裂隙发育规律，可知该工作面导水裂缝带高度约为51.32 m。

3 “两带”发育高度观测

为了对“两带”发育高度进行观测，在15 号煤层15205 工作面附近，位于二采区北翼辅运巷与胶带巷之间的联络巷内布置2 个钻孔（1 号钻孔和2 号钻孔），钻孔施工要素见表1。

表1 钻孔施工要素Table 1 Drilling construction elements

3.1 双端堵水测漏装置观测结果

通过采用双端堵水测漏装置对1 号钻孔和2 号钻孔进行注水漏失量观测，可得到1 号钻孔和2 号钻孔各段岩层的注水漏失量，如图4所示。

图4 钻孔观测成果Fig.4 Borehole observation result

由图4可知，钻孔观测范围内各段岩层的注水漏失量可以明显分为2 个区域，即漏失量较大的II段区域与漏失量较小的I 段区域和III 段区域。根据钻孔内由下到上的观测顺序，可以发现在I 段钻孔区域内和III 段钻孔区域内，两区域岩层裂隙不发育，隔水性较强，受采动影响较小，岩层整体性较强；在II 段钻孔区域内，各岩层段的渗透量都明显大于4 L/min，岩层的漏失量较大，说明此时钻孔已经穿入裂缝带内，此区域岩层内受采动影响产生的次生裂隙较为发育，岩层的导水性能较强。通过2 个观测孔的观测成果相互印证，可以比较准确地测试出导水裂缝带的上限值，得到较为可靠的导水裂缝带发育高度：1 号孔54.45 m、2 号孔54.20m，H（平均） =54.325 m。

3.2 钻孔成像轨迹仪观测结果

通过采用ZKXG100-T/T(B)矿用钻孔成像轨迹仪对1 号钻孔和2 号钻孔进行观测可知，1 号钻孔从开孔往上孔深52.17 m 处就进入了裂隙区，裂隙较为发育，横向和竖向裂隙交叉分布，岩层破坏严重，从78.95 m 往上直至孔底，孔壁保持较完整，部分孔壁出现原生微小裂隙，岩层的渗透率较小，所观察结果与漏失规律基本一致；2 号钻孔从开孔往上孔深73.36 m 处就进入了裂隙区，裂隙较为发育，由于该处进入裂隙发育区域，岩层出现明显破坏。从82.25 m 往上，裂隙基本不再发育，孔壁保持较完整，岩层的渗透率较小，所观察结果与漏失规律基本一致。

综合1 号和2 号钻孔窥视结果，两钻孔所观测到的导水裂隙带高度分别发育至孔深75.53 m 和82.25m 处，高度分别为53.4 m 和55.0 m，平均为54.2 m，与两端封堵测漏装置观测到的结果基本一致。

4 “两带”发育高度综合分析

通过3DEC 数值模拟、双端堵水测漏及钻孔成像轨迹仪实测，可知15 号煤层15205 工作面的覆岩导高值见表2。

表2 15205 工作面覆岩导高综合分析Table 2 Comprehensive analysis of overburden rock height of No.15205 Face

由表2可知，采用3DEC 数值模拟、双端堵水测漏装置及钻孔成像轨迹仪分析确定的导水裂缝带高度差距较小，对各方法确定的导水裂缝带高度结果进行了相互验证，取双端堵水测漏装置和钻孔成像轨迹仪2 种技术方法所测的较大值，为54.45 m。

综上所述，裕兴煤矿15205 工作面覆岩导水裂缝带的高度为54.45 m。观测断面处的工作面煤层采厚M＝4.18 m，工作面的导高与采厚之比为54.45/4.18≈13.02 倍。

5 结论

（1） 裕兴煤矿15205 工作面平均采高4.1 m，采场覆岩顶板中泥岩较多，为软弱偏中硬地层，由公式计算可知导水裂缝带高度范围为40.98～63.96 m。

（2） 通过3DEC 数值模拟、双端堵水侧漏装置和钻孔成像轨迹仪综合分析可知覆岩导水裂缝带高度为54.45 m，导高和采厚之比为13.02 倍。

（3） 采用3DEC 数值模拟、双端堵水侧漏装置和钻孔成像轨迹仪得到的“两带”高度较为一致，为裕兴煤矿类似地质条件下工作面开采提供参考依据。