北汭河下導(dǎo)水裂隙帶高度與防水煤柱厚度的計(jì)算研究

楊興春+王甲偉

摘 要：水體下開(kāi)采煤層的防水安全性問(wèn)題主要取決于導(dǎo)水裂隙帶高度的確定，通過(guò)變形分析法與經(jīng)驗(yàn)公式法分別計(jì)算出導(dǎo)水裂隙帶高度，從而計(jì)算出防水煤柱厚度。計(jì)算結(jié)果為陳家溝煤礦3204工作面水體下安全開(kāi)采提供了理論依據(jù)，也為同類(lèi)地質(zhì)采礦條件下的覆巖導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算和防水煤柱厚度計(jì)算提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變形分析法；經(jīng)驗(yàn)公式法；導(dǎo)水裂隙帶高度；防水煤柱厚度

3204工作面位于陳家溝煤礦+1050m水平以下的三采區(qū)西翼第二區(qū)段，東端與三采區(qū)三條下山保護(hù)煤柱相鄰，西端與采區(qū)邊界保護(hù)煤柱相鄰。煤質(zhì)為煤5層，地面標(biāo)高1519米至1590米，工作面標(biāo)高977米至1011米，地面位置橫穿小陰溝，謝家溝，唐家洼，狼溝，狼溝嘴等地段，地面無(wú)民房及建筑物。本工作面屬于大型復(fù)合水體下開(kāi)采，上覆巖層及地表水體，既有地表北河水體，也有上第三系甘肅群中下部含水層（Ngn），其主要分布在井田北部的北 河河谷之下，由灰白色、淺棕紅色砂礫巖組成。為了獲得導(dǎo)水裂隙帶高度及防水煤柱留設(shè)厚度，通過(guò)變形分析法和經(jīng)驗(yàn)公式法理論計(jì)算，為3204工作面水體下安全開(kāi)采提供可靠的理論及技術(shù)依據(jù)。

1 確定導(dǎo)水裂隙帶高度

由于煤層開(kāi)采結(jié)束后導(dǎo)水裂隙帶的高度是開(kāi)采尺寸、巖層巖性、地層力學(xué)結(jié)構(gòu)及特征煤層賦存條件等因素共同作用的結(jié)果，其中開(kāi)采尺寸和上覆巖層的巖性是影響應(yīng)力傳遞、釋放和重新分布的決定性因素，所以從力學(xué)角度可計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度。又因?yàn)榭色@得實(shí)際多個(gè)綜放工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)值，通過(guò)數(shù)學(xué)方法分析，利用經(jīng)驗(yàn)公式也能計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度。

1.1 變形分析法確定導(dǎo)水裂隙帶高度

本次計(jì)算3204工作面導(dǎo)水裂隙帶高度以37勘探線的3703鉆孔資料為計(jì)算基礎(chǔ)，列出該計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（表1）。

1.1.1 覆巖載荷計(jì)算

用固支梁力學(xué)模型來(lái)分析水平拉伸變形，如圖1所示。

1.3 結(jié)果對(duì)比分析

導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算結(jié)果表明：3204工作面按變形分析法計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶最大高度為138.82m，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶最大高度為139.65m，誤差率為0.5%，所得結(jié)果相差不大，都不會(huì)超過(guò)5#煤上部中侏羅統(tǒng)的厚度，即不會(huì)波及覆巖主要含水層。由于導(dǎo)水裂隙帶與含水層之間的覆巖中泥巖占了很大的比例，這部分巖體滲透性差，具有良好的隔水性和再生隔水性，減弱了主要含水層和煤系砂巖之間的水利聯(lián)系，從而可以確定3204工作面開(kāi)采不會(huì)引起北河水直接潰入井下，威脅井下安全。

2 防水煤柱留設(shè)

根據(jù)規(guī)定，單向抗壓強(qiáng)度為10～20MPa的巖層劃分為軟弱巖層（表3），應(yīng)按軟弱覆巖類(lèi)型預(yù)測(cè)煤層采后的導(dǎo)水裂縫帶高度，則 3204 工作面保護(hù)層的厚度選3A或者4A，由于工作面保護(hù)層內(nèi)均為隔水性良好的泥巖，則理論研究和實(shí)踐均表明保護(hù)層的選取厚度明顯偏大，根據(jù)保護(hù)層巖性、含隔水性綜合確定3204工作面保護(hù)層厚度取5倍采厚即57.5；根據(jù)陳家溝煤礦已經(jīng)完成的巨厚煤層綜放開(kāi)采地表裂縫深度探測(cè)研究項(xiàng)目結(jié)論，采用80m作為開(kāi)采引起地裂縫深度的最大值；根據(jù)變形分析法獲得最大導(dǎo)水裂隙帶高度為138.82m，經(jīng)驗(yàn)公式法獲得最大導(dǎo)水裂隙帶高度為139.65m，取最大值139.65m。經(jīng)計(jì)算，陳家溝煤礦3204工作面防水安全煤巖柱高度Hsh為277.15m。

3 結(jié)束語(yǔ)

以37勘探線的3703鉆孔資料為計(jì)算基礎(chǔ)，通過(guò)變形分析方法對(duì)陳家溝煤礦3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了理論計(jì)算，結(jié)果表明：陳家溝煤礦煤5層覆層中巖層序號(hào)為34的粗粒砂巖，能夠有效的起到阻隔導(dǎo)水裂隙帶向上進(jìn)一步發(fā)展的作用，得出產(chǎn)生臨界值點(diǎn)的高度即為“兩帶”的頂點(diǎn)為138.82m；以科研數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，利用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)得出經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式法也對(duì)3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了理論計(jì)算，得出3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為139.65m。兩者所得結(jié)果相差不大，取最大值計(jì)算防水煤柱的厚度為277.15m，為華亭礦區(qū)水體下安全開(kāi)采提供了理論依據(jù)，也為同類(lèi)地質(zhì)采礦條件下的覆巖導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算和防水煤柱厚度計(jì)算提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]（蘇）格維爾茨曼，于振海，劉天泉，譯.水體下安全采煤[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1980

[2]范志勝.變形分析法在計(jì)算覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度的應(yīng)用[J].煤炭工程，2012，1：98～99.

[3]許延春，李俊成，劉世奇，等.綜放開(kāi)采覆巖“兩帶”高度的計(jì)算公式及適用性分析[J].煤炭開(kāi)采，2011，16（4）：4～7.

[4]余學(xué)義，周楊，楊子星，等.特厚煤層分層綜放開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)研究[C].煤炭開(kāi)采新理論與新技術(shù)——中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)開(kāi)采專(zhuān)業(yè)委員會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2010：78～80.

[5]成樞，孫振鵬，朱魯，等.導(dǎo)水裂隙帶高度的探測(cè)研究[J].礦山測(cè)量，1999（4）.

[6]余學(xué)義.甘肅華亭陳家溝煤礦特厚煤層分層綜放開(kāi)采覆巖冒裂帶高度觀測(cè)研究報(bào)告[R].西安：西安科技大學(xué)，2009.endprint

摘 要：水體下開(kāi)采煤層的防水安全性問(wèn)題主要取決于導(dǎo)水裂隙帶高度的確定，通過(guò)變形分析法與經(jīng)驗(yàn)公式法分別計(jì)算出導(dǎo)水裂隙帶高度，從而計(jì)算出防水煤柱厚度。計(jì)算結(jié)果為陳家溝煤礦3204工作面水體下安全開(kāi)采提供了理論依據(jù)，也為同類(lèi)地質(zhì)采礦條件下的覆巖導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算和防水煤柱厚度計(jì)算提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變形分析法；經(jīng)驗(yàn)公式法；導(dǎo)水裂隙帶高度；防水煤柱厚度

3204工作面位于陳家溝煤礦+1050m水平以下的三采區(qū)西翼第二區(qū)段，東端與三采區(qū)三條下山保護(hù)煤柱相鄰，西端與采區(qū)邊界保護(hù)煤柱相鄰。煤質(zhì)為煤5層，地面標(biāo)高1519米至1590米，工作面標(biāo)高977米至1011米，地面位置橫穿小陰溝，謝家溝，唐家洼，狼溝，狼溝嘴等地段，地面無(wú)民房及建筑物。本工作面屬于大型復(fù)合水體下開(kāi)采，上覆巖層及地表水體，既有地表北河水體，也有上第三系甘肅群中下部含水層（Ngn），其主要分布在井田北部的北 河河谷之下，由灰白色、淺棕紅色砂礫巖組成。為了獲得導(dǎo)水裂隙帶高度及防水煤柱留設(shè)厚度，通過(guò)變形分析法和經(jīng)驗(yàn)公式法理論計(jì)算，為3204工作面水體下安全開(kāi)采提供可靠的理論及技術(shù)依據(jù)。

1 確定導(dǎo)水裂隙帶高度

由于煤層開(kāi)采結(jié)束后導(dǎo)水裂隙帶的高度是開(kāi)采尺寸、巖層巖性、地層力學(xué)結(jié)構(gòu)及特征煤層賦存條件等因素共同作用的結(jié)果，其中開(kāi)采尺寸和上覆巖層的巖性是影響應(yīng)力傳遞、釋放和重新分布的決定性因素，所以從力學(xué)角度可計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度。又因?yàn)榭色@得實(shí)際多個(gè)綜放工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)值，通過(guò)數(shù)學(xué)方法分析，利用經(jīng)驗(yàn)公式也能計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度。

1.1 變形分析法確定導(dǎo)水裂隙帶高度

本次計(jì)算3204工作面導(dǎo)水裂隙帶高度以37勘探線的3703鉆孔資料為計(jì)算基礎(chǔ)，列出該計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（表1）。

1.1.1 覆巖載荷計(jì)算

用固支梁力學(xué)模型來(lái)分析水平拉伸變形，如圖1所示。

1.3 結(jié)果對(duì)比分析

導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算結(jié)果表明：3204工作面按變形分析法計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶最大高度為138.82m，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶最大高度為139.65m，誤差率為0.5%，所得結(jié)果相差不大，都不會(huì)超過(guò)5#煤上部中侏羅統(tǒng)的厚度，即不會(huì)波及覆巖主要含水層。由于導(dǎo)水裂隙帶與含水層之間的覆巖中泥巖占了很大的比例，這部分巖體滲透性差，具有良好的隔水性和再生隔水性，減弱了主要含水層和煤系砂巖之間的水利聯(lián)系，從而可以確定3204工作面開(kāi)采不會(huì)引起北河水直接潰入井下，威脅井下安全。

2 防水煤柱留設(shè)

根據(jù)規(guī)定，單向抗壓強(qiáng)度為10～20MPa的巖層劃分為軟弱巖層（表3），應(yīng)按軟弱覆巖類(lèi)型預(yù)測(cè)煤層采后的導(dǎo)水裂縫帶高度，則 3204 工作面保護(hù)層的厚度選3A或者4A，由于工作面保護(hù)層內(nèi)均為隔水性良好的泥巖，則理論研究和實(shí)踐均表明保護(hù)層的選取厚度明顯偏大，根據(jù)保護(hù)層巖性、含隔水性綜合確定3204工作面保護(hù)層厚度取5倍采厚即57.5；根據(jù)陳家溝煤礦已經(jīng)完成的巨厚煤層綜放開(kāi)采地表裂縫深度探測(cè)研究項(xiàng)目結(jié)論，采用80m作為開(kāi)采引起地裂縫深度的最大值；根據(jù)變形分析法獲得最大導(dǎo)水裂隙帶高度為138.82m，經(jīng)驗(yàn)公式法獲得最大導(dǎo)水裂隙帶高度為139.65m，取最大值139.65m。經(jīng)計(jì)算，陳家溝煤礦3204工作面防水安全煤巖柱高度Hsh為277.15m。

3 結(jié)束語(yǔ)

以37勘探線的3703鉆孔資料為計(jì)算基礎(chǔ)，通過(guò)變形分析方法對(duì)陳家溝煤礦3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了理論計(jì)算，結(jié)果表明：陳家溝煤礦煤5層覆層中巖層序號(hào)為34的粗粒砂巖，能夠有效的起到阻隔導(dǎo)水裂隙帶向上進(jìn)一步發(fā)展的作用，得出產(chǎn)生臨界值點(diǎn)的高度即為“兩帶”的頂點(diǎn)為138.82m；以科研數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，利用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)得出經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式法也對(duì)3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了理論計(jì)算，得出3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為139.65m。兩者所得結(jié)果相差不大，取最大值計(jì)算防水煤柱的厚度為277.15m，為華亭礦區(qū)水體下安全開(kāi)采提供了理論依據(jù)，也為同類(lèi)地質(zhì)采礦條件下的覆巖導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算和防水煤柱厚度計(jì)算提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]（蘇）格維爾茨曼，于振海，劉天泉，譯.水體下安全采煤[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1980

[2]范志勝.變形分析法在計(jì)算覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度的應(yīng)用[J].煤炭工程，2012，1：98～99.

[3]許延春，李俊成，劉世奇，等.綜放開(kāi)采覆巖“兩帶”高度的計(jì)算公式及適用性分析[J].煤炭開(kāi)采，2011，16（4）：4～7.

[4]余學(xué)義，周楊，楊子星，等.特厚煤層分層綜放開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)研究[C].煤炭開(kāi)采新理論與新技術(shù)——中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)開(kāi)采專(zhuān)業(yè)委員會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2010：78～80.

[5]成樞，孫振鵬，朱魯，等.導(dǎo)水裂隙帶高度的探測(cè)研究[J].礦山測(cè)量，1999（4）.

[6]余學(xué)義.甘肅華亭陳家溝煤礦特厚煤層分層綜放開(kāi)采覆巖冒裂帶高度觀測(cè)研究報(bào)告[R].西安：西安科技大學(xué)，2009.endprint

摘 要：水體下開(kāi)采煤層的防水安全性問(wèn)題主要取決于導(dǎo)水裂隙帶高度的確定，通過(guò)變形分析法與經(jīng)驗(yàn)公式法分別計(jì)算出導(dǎo)水裂隙帶高度，從而計(jì)算出防水煤柱厚度。計(jì)算結(jié)果為陳家溝煤礦3204工作面水體下安全開(kāi)采提供了理論依據(jù)，也為同類(lèi)地質(zhì)采礦條件下的覆巖導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算和防水煤柱厚度計(jì)算提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變形分析法；經(jīng)驗(yàn)公式法；導(dǎo)水裂隙帶高度；防水煤柱厚度

3204工作面位于陳家溝煤礦+1050m水平以下的三采區(qū)西翼第二區(qū)段，東端與三采區(qū)三條下山保護(hù)煤柱相鄰，西端與采區(qū)邊界保護(hù)煤柱相鄰。煤質(zhì)為煤5層，地面標(biāo)高1519米至1590米，工作面標(biāo)高977米至1011米，地面位置橫穿小陰溝，謝家溝，唐家洼，狼溝，狼溝嘴等地段，地面無(wú)民房及建筑物。本工作面屬于大型復(fù)合水體下開(kāi)采，上覆巖層及地表水體，既有地表北河水體，也有上第三系甘肅群中下部含水層（Ngn），其主要分布在井田北部的北 河河谷之下，由灰白色、淺棕紅色砂礫巖組成。為了獲得導(dǎo)水裂隙帶高度及防水煤柱留設(shè)厚度，通過(guò)變形分析法和經(jīng)驗(yàn)公式法理論計(jì)算，為3204工作面水體下安全開(kāi)采提供可靠的理論及技術(shù)依據(jù)。

1 確定導(dǎo)水裂隙帶高度

由于煤層開(kāi)采結(jié)束后導(dǎo)水裂隙帶的高度是開(kāi)采尺寸、巖層巖性、地層力學(xué)結(jié)構(gòu)及特征煤層賦存條件等因素共同作用的結(jié)果，其中開(kāi)采尺寸和上覆巖層的巖性是影響應(yīng)力傳遞、釋放和重新分布的決定性因素，所以從力學(xué)角度可計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度。又因?yàn)榭色@得實(shí)際多個(gè)綜放工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)值，通過(guò)數(shù)學(xué)方法分析，利用經(jīng)驗(yàn)公式也能計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度。

1.1 變形分析法確定導(dǎo)水裂隙帶高度

本次計(jì)算3204工作面導(dǎo)水裂隙帶高度以37勘探線的3703鉆孔資料為計(jì)算基礎(chǔ)，列出該計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（表1）。

1.1.1 覆巖載荷計(jì)算

用固支梁力學(xué)模型來(lái)分析水平拉伸變形，如圖1所示。

1.3 結(jié)果對(duì)比分析

導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算結(jié)果表明：3204工作面按變形分析法計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶最大高度為138.82m，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶最大高度為139.65m，誤差率為0.5%，所得結(jié)果相差不大，都不會(huì)超過(guò)5#煤上部中侏羅統(tǒng)的厚度，即不會(huì)波及覆巖主要含水層。由于導(dǎo)水裂隙帶與含水層之間的覆巖中泥巖占了很大的比例，這部分巖體滲透性差，具有良好的隔水性和再生隔水性，減弱了主要含水層和煤系砂巖之間的水利聯(lián)系，從而可以確定3204工作面開(kāi)采不會(huì)引起北河水直接潰入井下，威脅井下安全。

2 防水煤柱留設(shè)

根據(jù)規(guī)定，單向抗壓強(qiáng)度為10～20MPa的巖層劃分為軟弱巖層（表3），應(yīng)按軟弱覆巖類(lèi)型預(yù)測(cè)煤層采后的導(dǎo)水裂縫帶高度，則 3204 工作面保護(hù)層的厚度選3A或者4A，由于工作面保護(hù)層內(nèi)均為隔水性良好的泥巖，則理論研究和實(shí)踐均表明保護(hù)層的選取厚度明顯偏大，根據(jù)保護(hù)層巖性、含隔水性綜合確定3204工作面保護(hù)層厚度取5倍采厚即57.5；根據(jù)陳家溝煤礦已經(jīng)完成的巨厚煤層綜放開(kāi)采地表裂縫深度探測(cè)研究項(xiàng)目結(jié)論，采用80m作為開(kāi)采引起地裂縫深度的最大值；根據(jù)變形分析法獲得最大導(dǎo)水裂隙帶高度為138.82m，經(jīng)驗(yàn)公式法獲得最大導(dǎo)水裂隙帶高度為139.65m，取最大值139.65m。經(jīng)計(jì)算，陳家溝煤礦3204工作面防水安全煤巖柱高度Hsh為277.15m。

3 結(jié)束語(yǔ)

以37勘探線的3703鉆孔資料為計(jì)算基礎(chǔ)，通過(guò)變形分析方法對(duì)陳家溝煤礦3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了理論計(jì)算，結(jié)果表明：陳家溝煤礦煤5層覆層中巖層序號(hào)為34的粗粒砂巖，能夠有效的起到阻隔導(dǎo)水裂隙帶向上進(jìn)一步發(fā)展的作用，得出產(chǎn)生臨界值點(diǎn)的高度即為“兩帶”的頂點(diǎn)為138.82m；以科研數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，利用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)得出經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式法也對(duì)3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了理論計(jì)算，得出3204工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為139.65m。兩者所得結(jié)果相差不大，取最大值計(jì)算防水煤柱的厚度為277.15m，為華亭礦區(qū)水體下安全開(kāi)采提供了理論依據(jù)，也為同類(lèi)地質(zhì)采礦條件下的覆巖導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算和防水煤柱厚度計(jì)算提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]（蘇）格維爾茨曼，于振海，劉天泉，譯.水體下安全采煤[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1980

[2]范志勝.變形分析法在計(jì)算覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度的應(yīng)用[J].煤炭工程，2012，1：98～99.

[3]許延春，李俊成，劉世奇，等.綜放開(kāi)采覆巖“兩帶”高度的計(jì)算公式及適用性分析[J].煤炭開(kāi)采，2011，16（4）：4～7.

[4]余學(xué)義，周楊，楊子星，等.特厚煤層分層綜放開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)研究[C].煤炭開(kāi)采新理論與新技術(shù)——中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)開(kāi)采專(zhuān)業(yè)委員會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2010：78～80.

[5]成樞，孫振鵬，朱魯，等.導(dǎo)水裂隙帶高度的探測(cè)研究[J].礦山測(cè)量，1999（4）.

[6]余學(xué)義.甘肅華亭陳家溝煤礦特厚煤層分層綜放開(kāi)采覆巖冒裂帶高度觀測(cè)研究報(bào)告[R].西安：西安科技大學(xué)，2009.endprint