煤礦地下水庫儲水空間構(gòu)成分析及計算方法

龐義輝，李全生，曹光明，周保精

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013; 2.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102211; 3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

我國西部礦區(qū)煤炭資源的大規(guī)模、高強度開采為我國經(jīng)濟發(fā)展提供了可靠的能源保障，但同時也導(dǎo)致西部生態(tài)脆弱礦區(qū)水資源破壞嚴(yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每開采1 t煤炭約產(chǎn)生2 t礦井水，并且礦井水的有效利用率僅約為25%，導(dǎo)致我國每年的礦井水損失量高達(dá)60億t以上[1-4]。

針對西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭開采與水資源保護的矛盾，顧大釗等[5-8]提出了利用煤礦采空區(qū)建立地下水庫的保水開采理念，不僅可以實現(xiàn)對礦井水的儲存與調(diào)用，還可以利用采空區(qū)冒落的矸石對礦井水進行過濾、沉淀、吸附、離子交換等自凈化處理，解決了傳統(tǒng)保水開采技術(shù)(充填開采、條帶開采、限高開采等)存在的效率低、效益差、資源采出率低等問題。由于煤礦地下水庫主要是利用采空區(qū)冒落巖體的空隙進行儲水，其有效儲水空間與工作面頂板巖層的斷裂結(jié)構(gòu)、垮落塊度、堆積形態(tài)、壓實程度等密切相關(guān)，地下水庫的水頭標(biāo)高還直接影響隔水煤柱與人工壩體的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[9]通過建立覆巖采動裂隙分布的“O”形圈理論模型，研究了覆巖垮落帶空隙量的理論計算方法，通過計算采空區(qū)破碎巖體的空隙數(shù)量，研究了地下水庫儲水量的數(shù)學(xué)表達(dá)式。文獻(xiàn)[10]提出了煤礦地下水庫儲水系數(shù)的概念，得出了儲水系數(shù)、頂板巖層垮落空間體積與庫容的關(guān)系式。文獻(xiàn)[11]基于采動體與受動體系統(tǒng)的能量與動量守恒關(guān)系，建立了“采動-爆裂”物理模型，得出了工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度與開采工藝參數(shù)的關(guān)系。文獻(xiàn)[12]基于大柳塔煤礦地下水庫建設(shè)實踐，分析了分布式地下水庫儲水容量(靜態(tài)水量、動態(tài)水量)與水頭標(biāo)高、人工壩體穩(wěn)定性的關(guān)系。文獻(xiàn)[13-16]通過對大量實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、理論與數(shù)值模擬計算，得出了工作面開采技術(shù)參數(shù)對上覆巖層斷裂結(jié)構(gòu)、導(dǎo)水裂隙帶高度等的影響，對煤礦地下水庫儲水空間的確定具有一定的理論與實踐指導(dǎo)意義。

上述研究成果主要從采空區(qū)冒落巖體的空隙分布規(guī)律方面研究了煤礦地下水庫庫容的影響因素、計算方法，為煤礦地下水庫建設(shè)提供了理論支持。由于儲水系數(shù)是一個多參量影響的“時-空”四維變量，難以通過理論計算方法進行準(zhǔn)確預(yù)測，導(dǎo)致現(xiàn)有煤礦地下水庫庫容計算困難。煤礦地下水庫是近幾年神東礦區(qū)煤炭開采水資源保護的創(chuàng)新成果，地下水庫儲水空間的構(gòu)成、儲水空間體積的計算等尚缺乏理論依據(jù)。為了解決現(xiàn)有儲水系數(shù)難以確定導(dǎo)致煤礦地下水庫儲水空間計算困難的問題，筆者嘗試通過對工作面頂、底板巖層的斷裂結(jié)構(gòu)及垮落巖層的垂直位移軌跡進行理論與模擬分析，利用各分界巖層垂直位移量的差值計算頂板巖層斷裂前、后的空間體積變化，得出煤礦地下水庫的有效儲水空間。

1 煤礦地下水庫儲水空間構(gòu)成分析

根據(jù)工作面煤層開挖導(dǎo)致不同層位上覆巖層發(fā)生“冒落—斷裂—損傷—彎曲下沉”等現(xiàn)象，傳統(tǒng)礦壓理論將其劃分為垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶等“三帶”結(jié)構(gòu)[17]。根據(jù)裂隙帶內(nèi)不同層位巖層的裂隙發(fā)育程度、破斷結(jié)構(gòu)等差異，可將裂隙帶細(xì)分為塊體鉸接帶和似連續(xù)帶[18]，即將工作面上覆巖層細(xì)分為垮落帶(Caved zone)、塊體鉸接帶(Block hinged zone)、似連續(xù)帶(Quasi-continuous zone)、彎曲下沉帶(Continuous deformation zone)。由于煤礦地下水庫主要利用采空區(qū)冒落、斷裂巖層的空隙、裂隙空間進行礦井水儲存，根據(jù)采空區(qū)冒落巖體的裂隙與空隙分布集度，筆者將垮落帶與塊體鉸接帶確定為煤礦地下水庫的主要儲水空間。

圖1 覆巖斷裂結(jié)構(gòu)與儲水空間構(gòu)成分析Fig.1 Overlying rock fracture structure and water storage space composition analysis1—垮落帶;2—塊體鉸接帶;3—似連續(xù)帶;4—彎曲下沉帶;5—塊體鉸接帶儲水空間;6—垮落帶儲水空間;7—底板底臌變形

通過對煤礦地下水庫儲水空間的構(gòu)成進行分析，筆者提出了基于覆巖垂直位移軌跡分析的地下水庫儲水空間計算方法，得出了垮落帶與塊體鉸接帶儲水空間的計算表達(dá)式:

(1)

2 分界巖層的垂直位移軌跡分析

2.1 垮落帶分界巖層的垂直位移軌跡分析

垮落帶巖層的高度不僅與煤層開采厚度有關(guān)，還受頂板巖層的巖性、力學(xué)參數(shù)、厚度等影響，垮落帶最大高度可按下式計算:

(2)

式中，∑h為垮落帶高度，m;M為開采高度，m;Kp為垮落帶巖層碎脹系數(shù)，一般取1.1～1.4。

將塊體鉸接帶底部巖層視為垮落帶與塊體鉸接帶的分界巖層，則采空區(qū)垮落帶巖層垮落后的空間體積主要由垮落帶與塊體鉸接帶分界巖層的垂直位移軌跡線、垮落帶頂板巖層的斷裂線及工作面開采邊界線等組成。

以我國西部神東礦區(qū)近水平煤層(煤層傾角<1°)地下水庫為研究對象，則不同頂?shù)装鍘r層巖性、厚度、工作面開采技術(shù)參數(shù)等組合條件下，垮落帶巖層對采空區(qū)的充填效果存在較大差異，導(dǎo)致塊體鉸接帶下部巖層的斷裂塊度、水平擠壓力及回轉(zhuǎn)角等均不同，直接影響塊體鉸接帶底部分界巖層可能形成的結(jié)構(gòu)。基于砌體梁理論與臺階巖梁理論[19-22]，將塊體鉸接帶底部巖層可能形成的斷裂結(jié)構(gòu)形式細(xì)分為砌體梁鉸接結(jié)構(gòu)、臺階巖梁結(jié)構(gòu)及完全垮落3種情況，并對3種斷裂情況進行受力分析，得到垮落帶分界巖層的垂直位移軌跡曲線，如圖2所示。

圖2 頂板分界巖層結(jié)構(gòu)及位移軌跡線Fig.2 Roof boundary rock structure and displacement trace curve

2.1.1 砌體梁鉸接結(jié)構(gòu)分界巖層垂直位移軌跡

當(dāng)冒落的頂板巖層對采空區(qū)充填效果較好，上部巖層斷裂后將形成較穩(wěn)定的砌體梁鉸接結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。假設(shè)斷裂塊體為規(guī)則的矩形塊體，巖體A、巖塊B、巖塊C、巖塊D共同形成砌體梁承載結(jié)構(gòu)，且塊體頂點為鉸接點，則可將工作面開切眼處與終采線處的分界巖層位移軌跡線視為近似對稱的多線段，工作面中部巖層則近似為水平直線。假設(shè)B巖塊的回轉(zhuǎn)角為β1，C巖塊的回轉(zhuǎn)角為β2，建立如圖2(a)所示坐標(biāo)系，對砌體梁結(jié)構(gòu)各鉸接巖塊的空間位置關(guān)系進行分析，建立開切眼處分界巖層的垂直位移軌跡多線段方程為

(3)

式中，M為開采煤層厚度，m;h1為冒落巖層的初始厚度，m;h2為砌體梁鉸接結(jié)構(gòu)巖層的初始厚度，m;Lb為B塊體的斷裂長度，m;Lc為C塊體的斷裂長度，m。

2.1.2 臺階巖梁結(jié)構(gòu)分界巖層垂直位移軌跡

通過對淺埋煤層工作面進行現(xiàn)場實測和模擬分析發(fā)現(xiàn)，煤層開采過程中頂板巖層存在沿支架架后切落的現(xiàn)場(滑落失穩(wěn))，如圖2(b)所示，巖塊C完全垮落在垮落帶的矸石上，巖塊B則隨工作面推進逐漸發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，頂板巖層斷裂呈現(xiàn)出“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)。假設(shè)垮落塊體均為規(guī)則的矩形塊體，建立如圖2(b)所示平面坐標(biāo)系，通過對“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)各巖塊的空間位置關(guān)系進行分析，建立其左側(cè)分界巖層的垂直位移軌跡方程為

(4)

2.1.3 完全垮落形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的垂直位移軌跡

當(dāng)煤層埋深較淺時，上覆塊體鉸接帶巖層難以形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，隨著工作面推進及時間推移，垮落帶分界巖層的B塊體將逐步發(fā)生失穩(wěn)并完全垮落在垮落帶的矸石上，如圖2(c)所示，此時垮落帶分界巖層的位移軌跡線為近似水平線。

2.2 塊體鉸接帶分界巖層的垂直位移軌跡分析

基于砌體梁理論力學(xué)模型與關(guān)鍵層理論，塊體鉸接帶為排列整齊、碎脹系數(shù)較小(一般為1.1)的斷裂塊體，其高度可用下式計算:

(5)

式中，∑hj為塊體鉸接帶高度，m;ld為基本頂周期來壓步距，m;Kj為塊體鉸接帶碎脹系數(shù);θmax為基本頂結(jié)構(gòu)塊的最大回轉(zhuǎn)角，(°)。

塊體鉸接帶與似連續(xù)帶的分界巖層為似連續(xù)帶的底部巖層，該巖層雖然發(fā)生了破裂損傷，但仍然保持似連續(xù)的整體結(jié)構(gòu)，因此，可以將該巖層發(fā)生破壞的極限撓曲線視為分界巖層的位移軌跡線，如圖3所示。塊體鉸接帶分界巖層受到的上部巖層載荷可按下式計算[23-24]:

(6)

式中，fc1為由均值載荷q1至峰值載荷的變化量，N/m2；fc2為由均值載荷q2至峰值載荷的變化量，N/m2；xc1為由峰值載荷至右側(cè)均值載荷q1的距離，m；xc2為由峰值載荷至左側(cè)均值載荷q2的距離，m；l為峰值載荷與下部巖層斷裂線的水平距離；L為分界巖層跨距的一半。

由于工作面的推進長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分界巖層的厚度，沿工作面長度方向取單位寬度巖層進行計算，基于結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，可將其視為受到對稱載荷的彈性基礎(chǔ)梁，建立如圖所示坐標(biāo)系，以分界巖層發(fā)生破壞的極限撓度為邊界條件，可建立塊體鉸接帶分界巖層的撓曲線方程:

c3x+c4(l≤x≤L)

(7)

式中，Ml為x=l截面的彎矩;Ql為x=l截面的剪力;E為巖層的彈性模量;I為彈性基礎(chǔ)梁橫截面的慣性矩。

圖3 分界巖層載荷及撓曲線分析模型Fig.3 Boundary rock load and skew curve analyze model

基于斷裂力學(xué)理論，當(dāng)梁體內(nèi)的最大拉應(yīng)力大于巖層的極限抗拉強度時，彈性基礎(chǔ)梁將發(fā)生斷裂破壞，判據(jù)如下:

(8)

式中，Mmax為梁體的最大彎矩;W為梁體的抗彎截面系數(shù);σt為巖層的極限抗拉強度。

將式(8)代入式(7)，可得塊體鉸接帶巖層發(fā)生破壞的極限撓曲線，即塊體鉸接帶分界巖層的垂直位移軌跡曲線方程。

2.3 底板巖層底臌變形的垂直位移軌跡分析

工作面采空區(qū)底板巖層受到垮落帶巖層的載荷、塊體鉸接帶及上部巖層結(jié)構(gòu)傳遞的載荷、儲存在采空區(qū)的礦井水壓力、底板下部巖層的礦山壓力，如圖4所示。由于工作面的推進長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作面長度，取工作面長度方向單位寬度的底板巖層，可將其視為兩端固支梁進行計算。

假設(shè)底板巖層受到的垮落帶巖層與礦井水的分布載荷為q1，上部巖層通過冒落巖層傳遞至底板巖層的載荷為q2，受到下部巖層礦山壓力的分布載荷為q3，假設(shè)上述載荷對底板巖層形成的合力為Fh，底板巖層的極限撓度為δ，則可得底板巖層的撓曲線方程:

(9)

式中，a為合力作用點距坐標(biāo)原點的距離，m;b為合力作用點距終采線的距離，m。

圖4 底板底臌變形的撓曲線分析模型Fig.4 Floor heave deformation’s skew curve analyze model

底板巖層的撓曲線方程即為底板巖層底臌變形的垂直位移軌跡方程。

2.4 地下水庫有效儲水空間計算

基于上述各分界巖層的垂直位移軌跡曲線分析結(jié)果，工作面采空區(qū)垮落帶與塊體鉸接帶巖層垮落后的空間體積(V1,V2)可利用其位移軌跡線之差進行計算，其計算表達(dá)式為

(10)

式中，f1(x)為垮落帶與塊體鉸接帶分界巖層的位移軌跡線;f2(x)為塊體鉸接帶與似連續(xù)帶分界巖層的位移軌跡線;f3(x)為底板巖層底臌變形曲線。

假設(shè)頂板巖層的斷裂角為α，工作面走向推進長度為Lt，工作面長度為Lg，如圖5所示，計算可得垮落帶與塊體鉸接帶巖層斷裂之前的初始體積為

(11)

式中，Lmi為垮落帶第i層巖層沿工作面推進方向的垮落長度，m;Hmi為垮落帶第i層巖層的厚度，m;αmi為垮落帶第i層巖層的斷裂角，(°);Lkj為塊體鉸接帶第j層巖層沿工作面推進方向的垮落長度，m;Hkj為塊體鉸接帶第j層巖層的厚度，m;αkj為塊體鉸接帶第j層巖層的斷裂角，(°);i取1,2,3,…,n;j取1,2,3,…,n。

圖5 頂板巖層斷裂前的初始體積計算Fig.5 Initial volume of roof before fracture

將式(10),(11)代入式(1)，可得垮落帶巖層的有效儲水空間、塊體鉸接帶巖層的有效儲水空間及煤礦地下水庫的總儲水空間。

3 地下水庫儲水空間分析計算

煤礦地下水庫的庫容不僅與工作面煤層開采厚度、埋深、頂?shù)装鍘r層巖性、厚度、工作面開采技術(shù)參數(shù)、采動應(yīng)力場分布規(guī)律等有關(guān)，其垮落巖層的裂隙分布規(guī)律還隨著時間的推移而不斷發(fā)生變化，因此，煤礦地下水庫的儲水空間是一個“時-空”四維變量。為了分析煤礦地下水庫的儲水空間在三維空間與一維時間的變化規(guī)律，以大柳塔煤礦活雞兔井1-2煤層地下水庫建設(shè)實踐為基礎(chǔ)，采用UDEC數(shù)值模擬軟件分析了煤礦地下水庫儲水空間的時-空演化規(guī)律。

3.1 覆巖斷裂結(jié)構(gòu)及分界巖層垂直位移軌跡計算

大柳塔煤礦活雞兔井位于鄂爾多斯聚煤盆地的東北部，12303-1工作面開采1-2號煤層，煤層厚度為3.20～4.80 m，平均厚度為 3.78 m，平均普氏硬度系數(shù)為f=3.3，屬于堅硬煤層。頂板巖層主要為粉砂巖、細(xì)砂巖等砂巖互層，底板巖層主要為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，煤層頂?shù)装鍘r層賦存情況如圖6所示，煤層平均傾角小于1°，埋深約為103 m，地質(zhì)構(gòu)造簡單，采用一次采全厚開采方法。

圖6 煤層鉆孔柱狀Fig.6 Coal seam bored column

基于1-2號煤層賦存情況及頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)，見表1，采用UDEC數(shù)值模擬軟件分析了煤層開挖后上覆巖層的斷裂結(jié)構(gòu)及各分界巖層的垂直位移軌跡曲線。

表1上覆巖層物理力學(xué)參數(shù)
Table1Overlyingrockphysicalandmechanicparameter

巖性密度/(kg·m-3)黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)體積模量/GPa剪切模量/GPa抗拉強度/MPa風(fēng)積沙1 7000.022010.004.620.20細(xì)粉砂巖2 4306.75386.955.513.92粉砂巖2 4507.07386.885.594.18細(xì)砂巖2 4106.46387.315.483.51粗砂巖2 3405.81397.284.582.24煤層1 3201.10309.035.161.36

工作面煤層開采厚度為3.8 m，走向推進長度為914 m，數(shù)值模擬計算過程每次開挖5 m，通過對煤層開挖后上覆巖層的斷裂形態(tài)進行分析發(fā)現(xiàn)，垮落帶高度約為5.58 m，主要包括細(xì)粉砂巖及粗粒砂巖的下部巖層;塊體鉸接帶高度約為30.52 m，主要為粗砂巖、細(xì)砂巖及粉砂巖;由于煤層埋深較淺，似連續(xù)帶巖層的裂隙直接擴展至地表，上覆巖層并未出現(xiàn)明顯的彎曲下沉帶，沿工作面推進方向各分界巖層的位移軌跡曲線如圖7所示。

圖7 分界巖層位移軌跡曲線Fig.7 Boundary rock displacement trace curves

通過對各分界巖層的位移軌跡曲線進行分析，各分界巖層在開切眼位置和終采線位置的位移軌跡線存在一定差異，但總體呈現(xiàn)對稱分布?？迓鋷Х纸鐜r層的位移量最大，而塊體鉸接帶分界巖層與地表風(fēng)積沙層的位移量則相差不大，這主要是由于煤層埋深較淺，塊體鉸接帶巖層呈現(xiàn)臺階巖梁斷裂結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致塊體鉸接帶下部巖層出現(xiàn)了較大的位移。雖然塊體鉸接帶上部的裂隙帶巖層出現(xiàn)了明顯的破裂損傷，但其仍然保持整體結(jié)構(gòu)，所以塊體鉸接帶分界巖層與地表風(fēng)積沙層的位移量相差不大。

3.2 地下水庫儲水空間的“時-空”演化分析

基于上述煤礦地下水庫儲水空間理論計算方法，各分界巖層的垂直位移量將直接影響地下水庫的庫容。為了計算煤礦地下水庫的庫容，分別對各分界巖層的垂直位移曲線進行擬合分析，12303-1工作面開切眼與終采線處垮落帶分界巖層的位移擬合曲線如圖8所示。

通過對擬合結(jié)果進行分析，垮落帶分界巖層的垂直位移擬合曲線與上述臺階巖梁的理論計算曲線基本吻合，開切眼處擬合曲線斜率的絕對值明顯高于終采線處(0.172 60>0.051 38)，且穩(wěn)定結(jié)構(gòu)塊體的最大位移量也明顯高于終采線處(3.75>2.97)，說明開切眼處垮落帶巖層的壓實程度要明顯大于終采線處，開切眼處垮落帶巖層的儲水量則顯著低于終采線處，即在同一水平標(biāo)高處，垮落帶巖層的儲水空間(空隙、裂隙體積)由開切眼處向終采線處逐漸降低，這主要是由于開切眼處垮落帶巖層受到上部巖層的壓實時間及壓實程度較終采線處更大。

對塊體鉸接帶分界巖層在開切眼處及終采線處的垂直位移軌跡曲線進行擬合分析，如圖9所示。

圖8 垮落帶分界巖層垂直位移擬合曲線Fig.8 Caved zone boundary rock vertical displacement fitting curves

圖9 塊體鉸接帶分界巖層垂直位移擬合曲線Fig.9 Block hinged zone boundary rock displacement fitting curves

塊體鉸接帶分界巖層的垂直位移軌跡擬合曲線在開切眼及終采線處均呈現(xiàn)類似“倒拋物線”形狀，其儲水空間變化規(guī)律與垮落帶相似，即由開切眼處向終采線處逐漸降低，但變化幅度明顯下降。

由于1-2號煤層埋深較淺，且工作面未出現(xiàn)地應(yīng)力異常區(qū)，煤層底板變形量較小，底板變形對地下水庫儲水空間的影響可忽略不計。

為了分析時間因素對煤礦地下水庫儲水空間的影響，當(dāng)工作面煤層開挖模擬結(jié)束后，將數(shù)值模型繼續(xù)計算了4萬時步、6萬時步、10萬時步，垮落帶分界巖層與塊體鉸接帶分界巖層的垂直位移軌跡變化規(guī)律如圖10所示。

圖10 分界巖層垂直位移軌跡的時間效應(yīng)Fig.10 Time effect of boundary rock vertical displac-ement curves

通過對垮落帶分界巖層、塊體鉸接帶分界巖層垂直位移軌跡曲線的時間效應(yīng)進行模擬分析，隨著時間推移(增加4萬時步)，垮落帶分界巖層自開切眼至工作面推進550 m處，其垂直位移量變化幅度較小，但自550 m至終采線附近，其垂直位移量增幅顯著增大。隨著時間繼續(xù)增加(由4萬時步再增加6萬時步、10萬時步)，分界巖層的垂直位移量增幅逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。

塊體鉸接帶分界巖層的垂直位移軌跡曲線總體呈現(xiàn)類似規(guī)律，只是在工作面煤層開挖結(jié)束初期，其分界巖層的位移量整體出現(xiàn)了明顯增加，說明在工作面開采結(jié)束的初期，塊體鉸接帶巖層出現(xiàn)了明顯離層，隨著時間的繼續(xù)推移，塊體鉸接帶分界巖層的垂直位移量也趨于穩(wěn)定。

4 工程驗證

為了驗證上述煤礦地下水庫儲水空間計算方法的可行性及計算結(jié)果的可靠性，以大柳塔煤礦活雞兔井煤礦地下水庫建設(shè)為例，進行煤礦地下水庫儲水空間的計算及水庫現(xiàn)場放水試驗。

大柳塔煤礦活雞兔井12303-1工作面長度240 m，走向推進長度914 m，平均開采高度3.8 m，基于上述覆巖斷裂結(jié)構(gòu)及垂直位移軌跡曲線計算結(jié)果，確定垮落帶高度約為5.58 m，塊體鉸接帶高度約為30.52 m，底板巖層基本無底臌現(xiàn)象。按照式(10)，(11)對垮落帶與塊體鉸接帶的有效儲水空間進行計算，確定垮落帶分界巖層與底板巖層之間的空間體積約為1 613 331 m3，垮落帶巖層的初始體積約為1 162 827 m3，即垮落帶巖層有效儲水空間約為450 504 m3，其平均儲水系數(shù)約為0.279。

塊體鉸接帶分界巖層與垮落帶分界巖層垂直位移曲線之間的空間體積約為4 680 264 m3，塊體鉸接帶巖層的初始體積約為4 394 880 m3，即塊體鉸接帶巖層的有效儲水空間約為285 384 m3，平均儲水系數(shù)約為0.061。

綜合上述計算結(jié)果，確定大柳塔煤礦活雞兔井12303-1工作面地下水庫垮落帶與塊體鉸接帶的有效儲水空間共計為735 888 m3，即煤礦地下水庫的極限儲水量約為735 888 m3，其中垮落帶的平均儲水系數(shù)明顯高于塊體鉸接帶，為煤礦地下水庫的主要儲水空間。

為了驗證上述計算方法的可行性與可靠性，對大柳塔煤礦活雞兔井12303-1工作面地下水庫進行了現(xiàn)場放水試驗。由于該地下水庫的實際水頭標(biāo)高低于垮落帶分界巖層的高度，該地水庫主要利用垮落帶巖層空隙進行儲水，并未利用塊體鉸接帶巖層的儲水空間。通過對活雞兔井12303-1工作面地下水庫進行放水試驗，利用放水量反求垮落帶巖層的儲水系數(shù)，通過對比儲水系數(shù)來驗證上述計算結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。

通過工作面巷底標(biāo)高勾繪煤層底板等值線，利用cass軟件計算地下水庫的實際儲水面積，利用水頭標(biāo)高計算工作面的實際儲水空間。經(jīng)現(xiàn)場實測計算，地下水庫垮落帶的儲水空間約為425 921.8 m3，地下水庫實際放出水量約為127 776.6 m3，平均儲水系數(shù)約為0.3，理論計算結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合(垮落帶平均儲水系數(shù)的理論計算結(jié)果為0.279)。

目前，神東礦區(qū)已經(jīng)成功建設(shè)煤礦地下水庫35座，不僅提供了礦區(qū)95%以上的工業(yè)用水[25]，而且實現(xiàn)了礦區(qū)不同季節(jié)水資源的儲存與調(diào)配，極大的緩解了西部礦區(qū)煤炭開采與水資源保護的矛盾，上述基于覆巖垂直位移軌跡分析的煤礦地下水庫儲水空間確定方法為西部礦區(qū)煤礦地下水庫儲水量的計算提供了理論指導(dǎo)。

5 結(jié) 論

(1)基于工作面頂板巖層的斷裂分帶結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，確定煤礦地下水庫的主要儲水空間為垮落帶與塊體鉸接帶巖層的裂隙、空隙與離層空間。

(2)基于工作面上覆巖層斷裂結(jié)構(gòu)及受力狀態(tài)分析結(jié)果，確定了垮落帶分界巖層、塊體鉸接帶分界巖層及底板巖層的垂直位移軌跡曲線理論計算方程，利用各分界巖層的垂直位移軌跡曲線空間關(guān)系，計算垮落帶與塊體鉸接帶垮落巖層的初始體積及垮落后體積，確定垮落帶與塊體鉸接帶的有效儲水空間。

(3)垮落帶、塊體鉸接帶分界巖層的垂直位移軌跡曲線總體呈對稱分布，開切眼處垮落帶分界巖層擬合曲線斜率的絕對值及最大垂直位移量均明顯高于終采線處，在同一標(biāo)高處，垮落帶的儲水空間自開切眼向終采線處逐漸增大。

(4)隨著時間推移，垮落帶分界巖層、塊體鉸接帶分界巖層的垂直位移量增幅均呈現(xiàn)先增大后減少的現(xiàn)象，但塊體鉸接帶分界巖層的初期位移量增幅明顯高于垮落帶分界巖層，垮落帶的有效儲水空間明顯大于塊體鉸接帶。