鶴崗礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度探測意義

摘 要：鶴崗礦區(qū)自日偽時期就已經(jīng)開始生產(chǎn)采煤，經(jīng)過長時間的煤炭開采，淺部資源日益枯竭，陸續(xù)進(jìn)入深部區(qū)開采。在煤層的開采過程中煤層開采引起覆巖移動變形破壞形成導(dǎo)水裂隙，可使位于開采影響范圍內(nèi)的地表水、地下水、老窯及采空區(qū)積水潰入井下，不但嚴(yán)重危及礦井安全生產(chǎn)，而且嚴(yán)重?fù)p害礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，尤其是采用綜放開采的開采方式，這種危害表現(xiàn)的更為突出。

關(guān)鍵詞：鶴崗礦區(qū);導(dǎo)水裂隙帶;探測

1.引言：

鶴崗礦區(qū)隸屬黑龍江龍煤鶴崗礦業(yè)有限責(zé)任公司，位于黑龍江省鶴崗市市區(qū)東部，礦區(qū)煤炭資源豐富，儲量約30億噸。煤田儲存條件良好，煤系地層厚達(dá)800-1200米，含煤43層，其中大于3.5米的厚煤層占75.5%，厚度超過5米的有9層，超過10米的有3層，但是在具有煤層多、煤層厚、傾角相對較大的鶴崗礦區(qū)還未開采展過類似的工作。

2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代至80年代，為適應(yīng)水體下采煤技術(shù)的迫切需要，開展了大量的用專門的觀測孔來研究開采導(dǎo)水裂隙帶高度，并就觀測孔中水位變化及水的漏失量等方法，提出了有效和無效導(dǎo)水裂隙的區(qū)分。同時進(jìn)行試驗性研究工作，特別是相似材料模擬技術(shù)也得到了較快發(fā)展。我國許多礦區(qū)在裂隙高度現(xiàn)在觀測資料和試驗研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤層的采出厚度、巖體的強(qiáng)度類型等，總結(jié)出不同覆巖類型條件下，煤層采出厚度與冒高、裂高相關(guān)關(guān)系式，并以此來指導(dǎo)實際生產(chǎn)，總體上說該階段仍處在經(jīng)驗積累階段，如劉天泉教授（1981）等對水平煤層、緩傾斜煤層、急傾斜煤層開采引起的覆巖破壞規(guī)律與地表移動規(guī)律作了深入的研究，提出了導(dǎo)水裂隙帶概念，建立了垮落帶與導(dǎo)水裂隙帶計算公式，為提高煤層開采上限，減少煤層資源損失作出了很大貢獻(xiàn)。李增琪（1983）應(yīng)用積分變換法推導(dǎo)出層狀巖層移動的解析解;楊倫、于廣明（1987）的巖層二次壓縮理論，將地表沉陷與巖層的物理力學(xué)性質(zhì)聯(lián)系起來;張玉卓（1989）應(yīng)用邊界元法研究了斷層影響下地表移動規(guī)律及提出了巖層移動的錯位理等;其研究特點為：①以覆巖體工程地質(zhì)環(huán)境和巖體力學(xué)環(huán)境為主要研究內(nèi)容;②以導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與巖體強(qiáng)度類型之間的關(guān)系為研究重點;③研究方法雖然仍以定性描述和分析為主，但已向定量化研究邁出可喜的一步。

20世紀(jì)80年代以來，我國開展了許多水體下采煤的專題性研究，取得了不少突破性進(jìn)展，鄧喀中提出了開采沉陷的結(jié)構(gòu)效應(yīng);吳立新、王金莊建立了條帶開采覆巖破壞的托板理論;楊碩建立了開采沉陷的力學(xué)模式;麻鳳海應(yīng)用離散元法研究了巖層移動的時空過程;趙經(jīng)徹等應(yīng)用內(nèi)外應(yīng)力場理論對分層開采、網(wǎng)下綜放、全厚綜放三種不同開采條件下冒落巖層厚度、導(dǎo)水裂隙高度、地表沉陷特征以及支承壓力大小及分布特點進(jìn)行分析和探討，建立了相應(yīng)的計算模型;康永華依據(jù)興隆莊煤礦大量的現(xiàn)場實測資料，總結(jié)了中硬巖厚煤層長臂冒落開采條件下炮采、綜采湖綜放開采方法對導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度及其分布形態(tài)的影響，提出減小初次開采厚度可以降低導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的觀點;對綜采重復(fù)開采的覆巖破壞高度、范圍、形態(tài)及發(fā)育特點等進(jìn)行了全面分析;許延春、李俊成等人依據(jù)項目實測“兩帶”高度成果，收集40余個“兩帶”孔的綜放開采工作面不同硬度類型覆巖的兩帶高度數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計回歸分析的方法，得出了適用于綜放開采工作面中硬、軟弱覆巖條件下的“兩帶”高度計算的經(jīng)驗公式，并進(jìn)行了適用性分析;黃慶享運(yùn)用特制的相似材料立體精細(xì)模擬實驗系統(tǒng)，對淺埋煤層開采引起頂板的空間結(jié)構(gòu)特征和裂縫分布規(guī)律進(jìn)行了研究;張永波等利用相似材料模擬實驗?zāi)M采動巖體裂隙的形成過程和分布狀態(tài)，運(yùn)用分形幾何理論研究采空區(qū)冒落帶、裂隙帶和彎沉帶巖體裂隙分布的分形規(guī)律;涂敏等通過對厚松散層及超薄覆巖的含、隔水層及基巖風(fēng)氧化帶工程巖組性質(zhì)的分析，采用相似模擬試驗與數(shù)值模擬等手段研究不同采放比條件下覆巖最大冒高和有效導(dǎo)水高度;戴華陽、王金壯教授認(rèn)為急傾斜煤層開采后巖層破壞移動方式為：層梁沿煤巖層呈單支座懸臂梁彎曲，喇叭口上由于巖層的不同步彎曲，地表沿層面產(chǎn)生裂隙;移動邊界線沿邊界角向外彎曲;地表移動曲線呈現(xiàn)波浪形，規(guī)律性不強(qiáng)，而沿層面的移動曲線則平緩、規(guī)則、規(guī)律性強(qiáng)，說明了急傾斜開采巖層沿法向彎曲的移動方式。王金安、馮錦艷教授等采用分型幾何學(xué)對離散元計算得出的急傾斜煤層開采覆巖裂隙發(fā)育進(jìn)行了分析。高延法教授提出了巖移“四帶”模型等，對解釋和計算導(dǎo)水裂隙帶的形狀和高度具有較大的幫助。劉紅元教授等在研究采動影響下覆巖垮落的動態(tài)發(fā)展過程中應(yīng)用自行開發(fā)的巖層破斷過程分析系統(tǒng)（SFPA2D），模擬了開挖后巖梁懸露在重力作用下發(fā)生離層、彎曲、沉降、端部和中部開裂直至冒落的全過程，再現(xiàn)來了采動影響下覆巖破壞的動態(tài)發(fā)展過程。并且為了驗證數(shù)值模擬的正確性，也做了相似材料模擬。

從總體上看，無疑這些研究成果將會對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的研究奠定很好的基礎(chǔ)，給煤礦開采帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但是在具有煤層多、煤層厚、傾角相對較大的鶴崗礦區(qū)還未開采展過類似的工作，并且在這樣的條件下開采，采動覆巖中導(dǎo)水裂隙帶的形成過程及機(jī)理具有一定的特殊性，而現(xiàn)有的經(jīng)驗公式預(yù)測方法已不適用鶴崗礦區(qū)的需要。因此，在鶴崗礦區(qū)開展導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的探測，研究其形成過程及機(jī)理，確定其發(fā)育高度是目前急需解決的新課題。

2.導(dǎo)水裂隙帶高度探測的必要性

（1）鶴崗礦區(qū)地層構(gòu)造復(fù)雜，部分煤層開采厚度大，傾角變化大，并且以往對于鶴崗礦區(qū)覆巖破壞規(guī)律的研究分析較少，造成鶴崗礦區(qū)礦井頂板突水風(fēng)險危害更為嚴(yán)重，而且隨著各生產(chǎn)礦井進(jìn)入深部開采，部分礦井的采煤工作面位于強(qiáng)富水含水層或采空區(qū)積水或河流及積水坑等水體之下，煤層開采所形成的導(dǎo)水裂隙帶能波及上部水體導(dǎo)致突水，經(jīng)統(tǒng)計鶴崗礦區(qū)礦井發(fā)生水害事故38起，其中記載與導(dǎo)水裂隙帶有關(guān)的事故有13起，占水害事故的34.2%，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此開展鶴崗礦區(qū)“導(dǎo)水裂隙帶高度”的探測研究工作，查明礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度及變化規(guī)律，對保障煤礦安全生產(chǎn)提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料已迫在眉睫。

（2）雖然國內(nèi)研究導(dǎo)水裂隙帶高度的經(jīng)驗公式被大多數(shù)礦山采用，但是在具有煤層多、煤層厚、傾角相對較大的鶴崗礦區(qū)還未開采展過類似的工作，并且在這樣的條件下開采，采動覆巖中導(dǎo)水裂隙帶的形成過程及機(jī)理具有一定的特殊性，而現(xiàn)有的經(jīng)驗公式預(yù)測方法已不適用鶴崗礦區(qū)的需要。

綜上所述，針對鶴崗礦區(qū)巨厚煤層導(dǎo)水裂隙帶高度探測有著非常重要的意義。

3.導(dǎo)水裂隙帶工作開展情況

對于鶴崗礦區(qū)防治水工作中面臨的問題，2013年7月以來，中國煤炭地質(zhì)總局華盛水文地質(zhì)勘察工程公司通過地表鉆孔對鶴崗礦區(qū)進(jìn)行了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探測做了專題研究;2016年借鑒龍口礦業(yè)公司通過井下鉆孔探測導(dǎo)水裂隙帶的先進(jìn)方法來指導(dǎo)鶴崗礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶探測工作，7月份已經(jīng)在峻德礦探測成功，規(guī)劃到2020年末將陸續(xù)對井下適合條件的地點進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶探測，再將中國煤炭地質(zhì)總局華盛水文地質(zhì)勘察工程公司研究導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的成果與井下探測相結(jié)合，最終總結(jié)出適合鶴崗礦區(qū)巨厚煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度規(guī)律，確定其發(fā)育高度，推導(dǎo)其預(yù)測公式，保障礦井安全生產(chǎn)。

4.結(jié)語

深入研究覆巖破壞導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度和分布形態(tài)，尤其是導(dǎo)水裂隙帶高度的科學(xué)合理確定，對選擇煤層合理的工作面參數(shù)和支護(hù)形式，合理設(shè)計防水煤柱尺寸，改進(jìn)和完善采煤方法，避免煤炭資源浪費，提高煤炭資源回收率，保障礦井安全生產(chǎn)，保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境都具有重要的科學(xué)研究意義和應(yīng)用價值。

作者簡介：

王天明，1985年1月出生，男，工程師，2011年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院資源勘查專業(yè)，雙學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)工作于黑龍江龍煤鶴崗礦業(yè)公司新陸煤礦，主要從事地測技術(shù)及管理工作。