余吾矿南五采区煤层顶板导水裂隙带高度预测研究

彭洪涛，周俊杰

（1.潞安化工集团 余吾煤业有限公司，山西 长治 046103；2.河北工程大学 地球科学与工程学院，河北 邯郸 056038）

0 引言

矿井开采中，煤层覆岩运动规律及其导水裂隙带发育高度的预测与探测，直接影响着矿井回采工作面工作效率及支护方式。特别是上覆岩层的岩体力学性质较弱或者富含一定的矿井水，随着开采工作的不断推进，煤层顶板支护和岩体破坏增强，导水裂隙带发育高度和影响距离制约着矿井支护方式和开采效率[1-2]。如何准确高效分析和评价煤层开采活动对煤层覆岩运动的影响，是确定支护方式和手段的关键，也是对煤层顶板破坏深度确定的方法。针对覆岩运动破坏特征分析，钱鸣高院士和宋振骐院士分别提出“砌体梁”和“传递岩梁”结构模型，为国内外众多学者研究采动破坏理论[3-4]。目前，导水裂隙带高度预测常采用经验公式法、模拟实验法和现场探测等多种方法相结合的研究方法。李民峰对陕北矿区利用相似材料模拟分析覆岩中裂隙带呈现的空间分布特征，认为理论分析与相似模拟结果一致[5]；王沛楠利用理论计算、数值模拟和现场实测方法，研究矿井特厚煤层顶板破坏深度和控制理论[6]；乔倩等采用回归分析方法预测不同主控因素下导水裂隙带发育高度预测公式[7]；魏克敏等运用有限差分法，对太平煤矿多煤层采场围岩及其裂隙带分布特征进行研究[8]；多种煤矿开采工程实践表明，矿井需要精细确定煤层开采中的顶板裂隙带高度分布特征及预测方法。

在余吾煤矿南五采区的矿井地质条件分析与评价基础上，采用经验公式计算、计算机数值模拟计算、相似材料模拟实测计算方式，得到了不同预测方式下南五采区工作面开采时顶板覆岩运动特征及煤层顶板裂隙带发育高度数据。利用多种方法预测的导水裂隙带发育高度，结合矿井其它区域的导水裂隙带发育高度实测的数据，采用回归分析方法，修订南五采区工作面煤层厚度与导水裂隙带最大发育高度的经验方程，预测了南五采区导水裂隙带发育高度值。

1 概 况

余吾矿井位于屯留北侧，现主采二叠系下统山西组3 号煤层，平均埋藏深550～600 m，最大埋深大于800 m。煤层厚度5.00～7.25 m，平均5.99 m。煤层稳定，顶板一般为泥岩、粉砂质泥岩，底板为黑色泥岩、粉砂岩，老底为中细粒砂岩。南五采区存在的充水通道主要有断层或构造破碎带、陷落柱、封闭不良钻孔以及3 号煤层开采形成的导水裂隙等。

综合水文地质分析认为，矿井正常涌水量为303 m3/h，最大涌水量为340 m3/h。矿井内太原组灰岩含水层、山西组及下石盒子组砂岩裂隙含水层是影响3 号煤开采的主要含水层，上石盒子组砂岩裂隙含水层距离3 煤较远，且之间有隔水层，厚度较大，为次要含水层。

2 导水裂隙带高度预测

2.1 导水裂隙带发育高度经验公式计算

利用矿井和相邻矿井相同煤层裂隙带探查并预测成果，建立矿井及其相似矿井地质条件的裂隙带发育高度理论计算公式，并利用该计算模型，进行矿井类似地质条件区开采煤层的裂隙带发育高度的预测。

依据余吾煤业关于3 号煤层顶板岩石力学测试的结果，覆岩主要为中硬岩。结合煤层赋存的具体条件和特征以及矿井采煤方式，依据《煤矿防治水细则》 中综放开采导水裂隙带高度计算公式，对3 号煤采动裂隙高度进行预计：

式中：Hli为导水裂隙带高度，m；M 为煤层累计采厚，取6 m。

由公式（1）计算得，南五采区工作面以6 m厚度进行开采时，导水裂隙带发育最大高度为82.58 m。

2.2 计算机模拟预测裂隙带发育高度

2.2.1 模型及参数

依据地质资料，采用FLAC3D 软件，构建工作面地质模型，工作面的长宽约为1 700 m×296 m，钻孔1305 揭露3 号煤层厚度6.4 m。3 号煤层顶板中直接顶岩性主要为泥岩隔水层；基本顶主要岩性为中、细砂岩含水层；与基本顶临近的上覆岩层岩性主要是中、细砂岩与砂质泥岩的互层。

确定模型尺寸参数X=600 m，Y=500 m，Z=192 m，模型网络共剖分单元数700 000 个，节点数724 271 个，所有单元类型均为8 节点六面体单元。模型从下到上分为19 层，各分层的物理参数见表1，初始模型如图1 所示。开采参数中开采宽度设置为300 m，开采厚度设置为6 m。

表1 模型各分层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of each layer of the model

图1 计算机数值模拟初始模型Fig.1 Initial model of computer numerical simulation

2.2.2 模拟结果研究

针对采区工作面布置，模拟不同推进距离下煤岩层应力、应变空间分布特征，如图2 所示。由计算机模拟的塑性区分布图可以看到，工作面推进200 m 时，采空区上部主要为剪切破坏，其次为拉伸破坏，岩性为泥岩，塑性区形状呈平顶拱型，导水裂隙带发育高度约为89 m；工作面推进300 m时，导水裂隙带发育高度约为101 m，导水裂隙带发育高度增加变缓，岩性为粗砂岩，塑性区形状平顶拱型；工作面推进400 m 时，导水裂隙带发育高度约为103 m，导水裂隙带发育高度基本不再增加，岩性为粗砂岩，塑性区形状平顶拱型。

图2 不同推进距离下煤岩层应力、应变空间分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of stress and strain of coal strata under different advancing distances

根据不同采区工作面推进距离下数值模拟塑性区发育高度值，绘制南五采区导水裂隙带发育高度曲线，如图3 所示。采高6 m 时，余吾矿南五采区导水裂隙带最大发育高度为103 m，裂采比约17.2。

图3 南五采区工作面导水裂隙带发育高度曲线Fig.3 The development height curve of water flowing fractured zone in the working face of South No.5 mining area

2.3 相似材料导水裂隙带发育高度预测

相似材料模型按照1∶200 的比例，推进长度为320 m，以砂子为骨料，石膏、碳酸钙为粘结材料铺设模型，根据铺设岩层的抗压强度选择配比方式，再根据模型的大小及岩层厚度计算出砂子、石膏、碳酸钙和水的用量。

模型在开挖320 m 后，岩层的采动破坏特征如图4 所示。开采过程中裂隙富集区主要集中在前后煤壁，裂隙的发育程度随着开采工作面的推进，而逐渐发育，且采空区越大，裂隙的密度就越大。采厚6 m 的模型，导水裂隙带发育的最大高度为105 m 左右；上覆岩层的破断角，在开切眼一侧为69.1°，在工作面另一端为70.8°；冒落带高度为38.2 m，冒采比为6.37，导水裂隙带高度为105 m，裂采比为17.5。

图4 相似材料模型覆岩采动破坏特征Fig.4 Mining failure characteristics of overburden rock in similar material model

3 导水裂隙带发育高度综合分析

在理论公式计算、数值模拟及物理模拟的基础上，结合矿井其他区域及相似条件的其他矿井实测数据，分析认为，南五采区3 号煤层采高6 m，通过理论公式计算导水裂隙带最大高度为82.58 m；计算机数值模拟的最大裂隙高度为103 m；相似材料模拟最大裂隙高度为105 m 左右。结合矿井在其它工作面（S2106、S2107）进行的导水裂隙带高度现场探查结果（表2），可以看到，该矿井在采高6 m 左右时，导水裂隙带的发育高度远超过经验公式的计算值。

表2 矿井其他采区裂隙高度现场探测结果Table 2 Field detection results of fracture height in other mining areas

导水裂隙带发育高度的综合分析，余吾煤矿矿井裂隙发育最大高度已不能将经验公式预测值作为发育高度预测的主要依据。综合对比经验公式、数值模拟、相似材料模拟以及矿井其他采区裂隙高度现场探查值，基于工程安全考虑，以多种发育高度预测成果与以往矿井现场探查成果进行一元线性拟合。煤矿煤层采厚与裂隙高度散点图如图5 所示。

图5 余吾煤矿煤层采厚与裂隙高度散点图Fig.5 Scatter plot of coal seam mining thickness and fracture height in Yuwu Mine

通过数据一元回归分析，得到矿井煤层采厚（M）与导水裂隙带最大发育高度（H）的公式：

综合分析南五采区及周围钻孔资料，3 号煤厚度范围为5.44（钻孔LA010）～6.4 m（钻孔1306），则最大导水裂隙带高度范围为106.9～118.7 m。当南五采区工作面采高为6 m 时，最大导水裂隙带高度为103.1～113.9 m。

4 结论

（1）依据相似矿井地质条件分析，利用经验公式法确定余吾矿南五采区工作面以6 m 厚度进行开采时，导水裂隙带发育最大高度为82.58 m。

（2）不同导水裂隙带发育高度预测结果不同，计算机数值模拟采高6 m 时，南五采区导水裂隙带最大发育高度为103 m，裂采比约17.2；室内相似材料模拟预测的导水裂隙带发育最大高度为105 m左右，裂采比为17.5。

（3）通过多种方法预测导水裂隙带高度数据，结合实测数据，进行数据拟合分析，采用综合数据拟合公式预测的导水裂隙带高度为采高为6 m时，南五采区最大导水裂隙带高度为103.1～113.9 m。