近距離煤層采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)值模擬研究＊

仇圣華 曹福輝 楊志錫 劉 猛 鄭景龍 種欲偉

（1.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，上海市奉賢區(qū)，201418）（2.山東豐源遠(yuǎn)航煤業(yè)有限公司，山東省滕州市，277518）

近距離煤層采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)值模擬研究＊

仇圣華1曹福輝2楊志錫1劉 猛2鄭景龍2種欲偉2

（1.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，上海市奉賢區(qū)，201418）（2.山東豐源遠(yuǎn)航煤業(yè)有限公司，山東省滕州市，277518）

山東趙坡煤礦為安全開采煤炭資源，采用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法，分別研究了單獨(dú)開采12下＃煤層后及全采12下＃煤層、14＃煤層兩近距離煤層后覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度。采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的兩值分別為33.7 m和41.2 m；采用計(jì)算機(jī)模擬方法計(jì)算出的兩值分別為35.6 m、41.7m。兩種計(jì)算方法所得結(jié)果基本一致。

近距離煤層 導(dǎo)水裂隙帶高度 數(shù)值模擬 覆巖破壞 “三帶”高度

1 工程概況

山東趙坡煤礦于1994年12月正式投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力30萬t/a，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力69萬t/a。采用立井開拓方式、走向長(zhǎng)壁采煤法采煤，全部垮落法管理頂板。該礦主采煤層有9＃、12下＃、14＃、15上＃、16＃、17＃煤層。其中9＃煤層、12下＃煤層的頂板均為五灰?guī)r，底板分別為泥巖、砂巖互層與八灰?guī)r；14＃煤層的頂板主要是八灰?guī)r，底板為泥巖、砂巖互層；15上＃煤層的頂板主要是九灰，底板為粉細(xì)泥灰煤互層；16＃煤層、17＃煤層的頂板分別是十下灰?guī)r、十一灰，底板為泥質(zhì)、粉砂巖互層。各可采或局部可采煤層的厚度、層間距及煤層結(jié)構(gòu)等情況見表1。

目前，該礦已開采12下＃、14＃煤層。煤層采后覆巖要發(fā)生破壞、位移，出現(xiàn)冒落帶、裂隙帶和彎曲帶，簡(jiǎn)稱“三帶”。冒落帶和裂隙帶稱為導(dǎo)水裂隙帶。為科學(xué)預(yù)測(cè)該礦在12下＃、14＃煤層開采后覆巖破壞導(dǎo)水裂隙帶的高度，現(xiàn)對(duì)其開展數(shù)值模擬研究。

表1 可采煤層特征一覽表

2 煤層開采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計(jì)

2.1 煤層開采后覆巖冒（垮）落帶高度

趙坡煤礦12下＃、14＃煤層為單一煤層開采，其中12下＃煤層最大厚度1.89 m，平均厚度1.20 m，規(guī)劃設(shè)計(jì)破底開采厚度為1.40 m；14＃煤層最大厚度0.95 m，平均厚度0.68 m，規(guī)劃設(shè)計(jì)破底開采厚度為1.70 m。根據(jù)原國家煤炭工業(yè)局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)程”）中冒（垮）落帶最大高度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式：

∑M——采厚，m。

對(duì)于12下＃煤層，根據(jù)式（1），按煤層最大厚度值計(jì)算，冒（垮）落帶高度6.78±2.2 m；按規(guī)劃設(shè)計(jì)破底采厚1.4 m計(jì)算，冒（垮）落帶高度5.47±2.2 m。

對(duì)于14＃煤層，根據(jù)式（1），按煤層最大厚度值計(jì)算，冒（垮）落帶高度4.05±2.2 m；按規(guī)劃設(shè)計(jì)破底采厚1.7 m計(jì)算，冒（垮）落帶高度6.3±2.2 m。

2.2 煤層開采后覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度

根據(jù)《規(guī)程》以及煤層開采參數(shù)和地質(zhì)采礦條件，導(dǎo)水裂縫帶高度可按下式計(jì)算：

式中：HLi——導(dǎo)水裂縫帶高度，m；

∑M——采厚，m。

一般地，根據(jù)式（2）計(jì)算的結(jié)果值比根據(jù)式（3）計(jì)算出的值小。出于安全角度考慮，這里采用式（3）計(jì)算。因該礦12下＃、14＃兩層煤間距為2.47 m，小于14＃煤層作為單一煤層按規(guī)劃設(shè)計(jì)采厚開采的覆巖跨落帶高度，故12下＃與14＃兩層煤采后導(dǎo)水裂縫帶高度需按近距離煤層開采計(jì)算。

湯翠沒有和他吵，反正時(shí)間還早，她有耐心搞清楚侯大同的想法。一千萬不可能，可人家真的帶著一嶄嶄鈔票來了，你侯大同還能給扔出去？

根據(jù)《規(guī)程》，近距離煤層開采的綜合開采厚度按下式計(jì)算：

式中：Mz1－2——綜合開采厚度，m；

M1——上層煤采厚，m；

M2——下層煤采厚，m；

h1－2——上下煤之間法線距離，m；

y2——下層煤的冒高與采厚比。

對(duì)12下＃煤層按規(guī)劃設(shè)計(jì)破底采厚1.4 m計(jì)算，根據(jù)式（3），其采后覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度HLi為33.7 m。

對(duì)14＃煤層按規(guī)劃設(shè)計(jì)破底采厚1.7 m計(jì)算，根據(jù)式（4），近距離煤層12下＃、14＃煤綜合開采厚度M12－14為2.43 m。

這樣，根據(jù)式（3）得近距離煤層12下＃、14＃煤層采后覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度HLi12－14為41.2 m。

3 近距離煤層采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算機(jī)模擬模型的建立

緩傾斜、傾斜煤層開采后，其在傾向方向位移量大于其在走向方向位移量。根據(jù)該礦具有代表性的地質(zhì)剖面圖，且以“17－25點(diǎn)”為基點(diǎn)，在水平方向取600 m長(zhǎng)，垂直方向取430 m長(zhǎng)，建立該礦煤層開采覆巖破壞的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算模型，見圖1。

本計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算模型按平面應(yīng)變條件建立，且模型上表面為自由面，側(cè)面可產(chǎn)生垂直方向的變形，底面不產(chǎn)生垂直方向的變形。

圖1 計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算模型示意圖

3.2 回采工作面參數(shù)

該礦12下＃、14＃煤層均采用對(duì)拉工作面進(jìn)行開采。其中，回采12下＃煤層時(shí)布置的上工作面長(zhǎng)80 m，下工作面長(zhǎng)75 m；回采14＃煤層時(shí)布置的上工作面長(zhǎng)85 m，下工作面長(zhǎng)80 m。上、下材料巷高2.0 m，寬2.2 m；運(yùn)輸巷高2.0 m，寬2.6 m。上材料巷旁所留護(hù)巷煤柱長(zhǎng)、寬分別為6 m；護(hù)巷硐室寬2 m，長(zhǎng)6 m。采厚均為規(guī)劃設(shè)計(jì)值。

地層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值如表2所示。

表2 地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值

3.3 計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果

該礦單獨(dú)開采12下＃煤層后，其覆巖位移計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果如圖2所示；開采近距離煤層12下＃、14＃煤層后，覆巖位移計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖2可得，按規(guī)劃設(shè)計(jì)采厚，單獨(dú)開采12下＃煤層后冒落帶最小2.7 m，最大6.7 m，平均4.7 m，導(dǎo)水裂隙帶高度平均值為35.6 m；由圖3可得，按規(guī)劃設(shè)計(jì)采厚，開采近距離煤層12下＃、14＃煤層后冒落帶最小6.4 m，最大8.8 m，平均7.6 m，導(dǎo)水裂隙帶高度平均值為41.7 m。

4 兩種方法計(jì)算結(jié)果比較分析

（1）按規(guī)劃設(shè)計(jì)采厚，單獨(dú)開采12下＃煤層時(shí)，根據(jù)《規(guī)程》中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得冒落帶為5.47±2.2 m，導(dǎo)水裂隙帶高33.7 m。

顯然，按規(guī)劃設(shè)計(jì)開采厚度，單獨(dú)開采12下＃煤層時(shí)，其冒落帶高度計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果平均值比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果平均值減少了0.77 m，其導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果平均值比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果平均值增加了1.9 m。

（2）按規(guī)劃設(shè)計(jì)采厚，開采近距離煤層12下＃、14＃煤層后，根據(jù)《規(guī)程》經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算冒落帶為6.3±2.2 m，導(dǎo)水裂隙帶高41.2 m。

顯然，按規(guī)劃設(shè)計(jì)開采厚度，開采近距離煤層12下＃、14＃煤層后，其冒落帶高度計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果平均值比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果平均值增加了1.3 m，其導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果平均值比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果平均值增加了0.5 m。

5 結(jié)論

（1）采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，按規(guī)劃設(shè)計(jì)開采厚度開采12下煤層時(shí)，其導(dǎo)水裂隙帶高度最大值為33.7 m；按規(guī)劃設(shè)計(jì)開采厚度，開采近距離煤層12下＃、14＃煤層后，導(dǎo)水裂隙帶高度最大值為41.2 m。

（2）采用計(jì)算機(jī)模擬方法計(jì)算，按規(guī)劃設(shè)計(jì)開采厚度開采12下＃煤層時(shí)，其導(dǎo)水裂隙帶高度最大值為35.6 m；按規(guī)劃設(shè)計(jì)開采厚度，開采近距離煤層12下＃、14＃煤層后，導(dǎo)水裂隙帶高度最大值為41.7 m。

可見，采用計(jì)算機(jī)模擬方法、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得導(dǎo)水裂隙帶高度最大值基本一致。按規(guī)劃設(shè)計(jì)開采厚度、單獨(dú)開采12下＃煤層與按規(guī)劃設(shè)計(jì)開采厚度、開采近距離煤層12下＃與14＃煤層后，上覆巖層冒落帶高度、導(dǎo)水裂隙帶高度均略有增加。研究成果對(duì)該礦井安全開采煤炭資源具有重大的指導(dǎo)作用。

［1］ 王雙美.導(dǎo)水裂隙帶高度研究方法概述［J］.江蘇地質(zhì)，2006（1）

［2］ 劉保衛(wèi).采場(chǎng)上覆巖層“三帶”高度與巖性的關(guān)系［J］.煤炭技術(shù)，2009（8）

［3］ 呂霽，孫世國.特厚煤層綜放開采上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度研究［J］.中國煤炭，2010（1）

［4］ 欒元重等，近距煤層開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010（1）

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［7］ 劉增輝等，利用數(shù)值模擬方法確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2006（5）

Numerical simulation on height of water conducted zone in after－mining overlying strata in close－distance coal seams

Qiu Shenghua1，Cao Fuhui2，Yang Zhixi1，Liu Meng2，Zheng Jinglong2，Zhong Yuwei2
（1.College of Urban Construction and Safety Engineering，Shanghai Institute of Technology，F(xiàn)engxian，Shanghai 201418，China；2.Shandong Fengyuan Yuanhang Coal Co.，Ltd.，Tengzhou，Shandong 277518，China）

In order to achieve the safe mining，Zhaopo Mine applies two methods of empirical formula and numerical simulation to study the height of water conducted zone in after－mining overlying strata in two circumstances including No.12（lower）coal seam is exploited alone，and the close－distance seams of No.12（lower）seam and No.14 seam are completely exploited.The two values of 33.7 m and 41.2 m are obtained from the empirical formula，and 35.6 m and 41.7 m from the numerical simulation.The two results are nearly consistent.

close－distance coal seams，height of water conducted zone，numerical simulation，overlying strata failure，height of"three zones"

TD823

A

上海市教委重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目（J51502）；《安全土木特色建設(shè)》項(xiàng)目（405zk090115001）

仇圣華（1967－），男，漢族，2002年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位；副教授，高級(jí)工程師。現(xiàn)從事地下結(jié)構(gòu)工程及工程管理方面教學(xué)與研究工作，公開發(fā)表論文20多篇。

（責(zé)任編輯 張毅玲）