回采工作面裂隙帶高度的探測研究

張劍飛，翟培合，王 敏，王 磊，任曉芳

（1.王坪煤電集團公司，山西 懷仁 038300；2.山東科技大學(xué) 地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510；3.山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030013）

20世紀60年代前，我國煤炭開采主要集中在開采條件較好地區(qū)，但已有了水體下的采煤嘗試，對導(dǎo)水裂隙帶的研究處于認識階段[1]。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，煤礦開采深度和廣度上日趨擴大，我國很多煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，受到多種水體威脅和突水事故。形成其生產(chǎn)和科研的一大課題。

淺部開采時，部分煤礦受到第四系含水層的嚴重威脅。煤層采出后，上覆巖層要有破壞和位移，并有明顯的分帶性，覆巖破壞會出現(xiàn)3個帶[2]：冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。目前，探測導(dǎo)水帶高度的方法主要有：數(shù)值模擬，經(jīng)驗公式，相似模擬，高密度電法，超聲成像法。本文從山西某礦實際出發(fā)，結(jié)合開采工藝和巖石性質(zhì)，運用軟件FLAC3D,經(jīng)驗公式、注水試驗公式的三種方法探討該工作面的導(dǎo)水裂隙帶高度。

1 開采條件

山西某礦煤層賦存淺，主要受第四系含水層的威脅。該礦揭露的二煤平均煤厚3.45 m，平均埋深300 m，工作面傾向140 m，走向1 500 m,基本無夾矸石，煤質(zhì)較好，煤層走向近東西向，傾向北，煤層傾角7°～11°，屬近水平煤層，該煤層的頂板水主要為第四系裂隙水，煤層頂板為泥巖和砂巖，屬于中硬巖層。

2 覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的計算

2.1 數(shù)值模擬

三維連續(xù)體快速拉格朗日分析（FLAC3D）是由美國Itasca Consulting Group Inc開發(fā)的三維顯式有限差分法程序，它可模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)行為；能較好模擬地質(zhì)材料在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的力學(xué)行為，分析漸進破壞和失穩(wěn)，特別適于模擬大變形。

地質(zhì)背景及數(shù)值模型為工作面煤層頂?shù)装鍘r石性質(zhì)為參考，原巖地應(yīng)力為大地靜力場。各巖層之間為整合接觸，巖層內(nèi)部為連續(xù)介質(zhì)；因此模型中不考慮地下水活動的影響。地面為自由邊界，模型左、右邊界均施加水平約束，底邊界均施加水平及垂直約束。模型設(shè)置：長2 000 m、寬908 m、高121 m（根據(jù)實際鉆孔柱狀圖計算，限于篇幅從略），劃分105 600個單元及112 995個節(jié)點。煤層頂?shù)装鍘r層參數(shù)和抗拉強度根據(jù)本次試驗所得到的具體數(shù)值進行賦值，如表1所示，工作面的計算厚度為3.45 m。模型相關(guān)計算見圖1-5。分析格圖做出以下結(jié)論：隨著工作面的推進，上覆巖層的破壞程度逐漸增加，但當工作面推進到一定距離后，上覆巖層破壞程度的增加梯度趨于變緩，該工作面都采完后，其最終導(dǎo)致裂縫帶的高度大致為39.7 m。

2.2 注水實驗

這是采用鉆孔雙端封堵測漏裝置探測兩帶高度的較新的一種探測方法，既可在井下采區(qū)附近巷道或峒室內(nèi)向采煤工作面采空區(qū)上方小口仰孔中探測,也可在觀測煤層上方已掘進的專用巷道內(nèi)布置的下垂孔中進行探測[4]。該礦工作面布置兩個鉆孔，鉆孔1傾斜60°，鉆孔2傾斜45°，每推進1 m注水1次，相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如表2所示。

表1 計算巖層組物理力學(xué)性質(zhì)指標

圖1 工作面推進距離剖面0 m時塑性破壞范圍

圖2 工作面推進距離剖面20 m時塑性破壞范圍

圖4 工作面開采完后最大主應(yīng)力色譜圖

圖5 工作面開采完后最小主應(yīng)力色譜圖

由表2相關(guān)數(shù)據(jù)得知：鉆孔1導(dǎo)水裂隙帶主要集中在29～45 m之間，鉆孔2導(dǎo)水裂隙帶主要集中在30～57 m之間，根據(jù)傾斜角度分別算出垂直導(dǎo)水裂隙帶高度為38.97m，40.3m。綜合導(dǎo)水裂隙帶高度為40.3m。

2.3 經(jīng)驗公式

根據(jù)新出版的《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》中的經(jīng)驗公式和工作面平均煤厚3.45 m.得出水裂隙帶厚度為（37.82±5.6）m。

3 結(jié)論

①用FLAC3D模擬覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度是可行的，與注水試驗得出的導(dǎo)水帶高出入不是很大，得出該礦導(dǎo)水帶高度為40.3 m。②本文在現(xiàn)場特定的地質(zhì)、開采等條件下，數(shù)值模擬方法得到的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度要比經(jīng)驗公式所得結(jié)果更接近實測結(jié)果。③鉆孔雙端封堵測漏裝置探測兩帶高度的方法經(jīng)濟方便，適應(yīng)性較強，準確性較高，值得推廣。

表2 注水實驗相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

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