西部礦區(qū)厚基巖特大采高工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征

張村任趙鵬韓鵬華何祥陳見(jiàn)行郭亮

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083;2.國(guó)家能源集團(tuán)有限責(zé)任公司煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100011;3.安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,安徽淮南 232000

隨著我國(guó)東部煤炭資源的逐漸枯竭,煤炭開(kāi)發(fā)重心已經(jīng)向西部礦區(qū)(晉、陜、蒙、寧、甘、新)轉(zhuǎn)移。西部礦區(qū)具有儲(chǔ)量大、煤質(zhì)優(yōu)良、煤層埋藏淺、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、煤層平坦等特點(diǎn),高強(qiáng)度開(kāi)采已成為西部礦區(qū)的主要開(kāi)采方式。但高強(qiáng)度開(kāi)采造成了覆巖和地表的嚴(yán)重破壞,部分礦區(qū)甚至出現(xiàn)覆巖裂隙貫通地表,導(dǎo)致突水、潰沙等事故,嚴(yán)重威脅著礦井生產(chǎn)安全,對(duì)地表生態(tài)也造成惡劣影響[1-4]。因此,如何全面掌握開(kāi)采煤層覆巖損傷情況、有效預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度和形態(tài),是確保礦井安全生產(chǎn)、保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的研究重點(diǎn)。

導(dǎo)水裂隙帶高度是反映覆巖損傷程度的重要指標(biāo)之一,同時(shí)也是防治礦井突水、潰沙的常用指標(biāo),其主要受采煤工藝、面長(zhǎng)、推進(jìn)速度、采深、采高、硬巖比例系數(shù)、傾角、巖層結(jié)構(gòu)等因素的影響[5-8]。導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)測(cè)主要依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》(簡(jiǎn)稱(chēng)“三下”規(guī)程)中的經(jīng)驗(yàn)公式,但“三下”規(guī)程僅基于采高和巖性兩參量進(jìn)行預(yù)測(cè)[9],很難適用于西部礦區(qū)。因此,眾多學(xué)者針對(duì)西部礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[10-14]通過(guò)收集我國(guó)煤礦導(dǎo)水裂隙帶大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸分析方法,推導(dǎo)出針對(duì)不同開(kāi)采條件下的經(jīng)驗(yàn)公式。王云廣等[15]論述了高強(qiáng)度開(kāi)采覆巖的破壞變形特征及其區(qū)域環(huán)境影響,給出了高強(qiáng)度開(kāi)采覆巖“兩帶”高度計(jì)算公式。黃萬(wàn)朋等[16]分析了覆巖結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)特征,提出了基于覆巖組合結(jié)構(gòu)與巖層拉伸變形的計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法。此外,主關(guān)鍵層的層位與結(jié)構(gòu)是影響導(dǎo)水裂隙帶高度的決定因素,許家林[17]、王連國(guó)[18]、王志強(qiáng)[19]、王曉振[20]、吳鋒鋒[21]等分別以關(guān)鍵層理論為基礎(chǔ)建立了不同導(dǎo)水裂隙帶高度判定方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬逐漸成為實(shí)驗(yàn)室研究的主要手段。何祥等[22]提出了損傷比的概念,通過(guò)FLAC3D模擬對(duì)比了導(dǎo)水裂隙帶與損傷比在開(kāi)采過(guò)程中的變化趨勢(shì),給出了上灣礦12401 工作面合理的參數(shù)選擇,從源頭上減緩高強(qiáng)度開(kāi)采對(duì)覆巖及地表的影響。郝憲杰等[23]基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)巖體進(jìn)行了破裂度(RFD)閾值劃分并構(gòu)建相似模型和數(shù)值模型,認(rèn)為RFD 指標(biāo)可以很好地評(píng)測(cè)神東典型淺埋條件下采動(dòng)裂隙帶的發(fā)育特征。李全生等[24]基于Hoek-Brown 準(zhǔn)則,以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)確定了烏蘭木倫礦的巖體力學(xué)參數(shù),并運(yùn)用FLAC3D研究了煤層開(kāi)采引起的覆巖破壞特征。朱廣安等[25]利用FLAC3D對(duì)采空區(qū)的全壓實(shí)過(guò)程進(jìn)行了模擬,論述了開(kāi)采過(guò)程中“兩帶”的發(fā)育規(guī)律。導(dǎo)水裂隙帶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法主要有鉆孔沖洗液漏失量法、鉆孔電視、電法探測(cè)等。文獻(xiàn)[26-29]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和工程對(duì)比等方法,說(shuō)明鉆孔沖洗液漏失量和鉆孔彩色電視法兩種傳統(tǒng)手段仍是目前最為可靠的技術(shù)手段。除了導(dǎo)水裂隙帶高度,其發(fā)育形狀也是反映上覆巖層損傷程度的重要指標(biāo)?！叭隆币?guī)程[9]基于大量鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),認(rèn)為導(dǎo)水裂隙帶為“馬鞍形”。張安斌等[30]利用數(shù)值模擬分析、模擬試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)得出巨厚松散層下導(dǎo)水裂隙帶范圍呈“不對(duì)稱(chēng)梯形”狀。張通等[31]利用FLAC3D對(duì)薄基巖厚松散層煤層開(kāi)采進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)裂隙帶空間形態(tài)為“帽”狀。

綜上所述,現(xiàn)階段對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的研究已經(jīng)取得了豐富的成果,但絕大多數(shù)是基于特定工程背景的研究。在西部礦區(qū),目前大多研究局限于淺埋深、薄基巖、厚煤層等地質(zhì)背景,對(duì)于埋深中等且基巖厚的特大采高工作面覆巖裂隙發(fā)育高度研究較少。除此之外,研究人員大多關(guān)注導(dǎo)水裂隙帶高度,而忽略對(duì)導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)發(fā)育的研究?；诖?本文以上灣煤礦12401 特大采高(8.8 m)工作面為背景,采用多種方法綜合研究該工作面高強(qiáng)度開(kāi)采下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和形態(tài),力求掌握其覆巖損傷規(guī)律。

1 工程概況

上灣煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西南部。1-2煤是上灣煤礦主采煤層,煤厚7.56～10.79 m,傾角1°～5°。12401 綜采面是1-2煤四盤(pán)區(qū)首采工作面,推進(jìn)長(zhǎng)度5 250 m,工作面長(zhǎng)度300 m,工作面布置如圖1(a)所示。地表風(fēng)積沙層厚度為0～27 m,上覆蓋層總厚度為124～244 m,平均埋深200 m,設(shè)計(jì)開(kāi)采高度8.6 m(最大8.8 m),推進(jìn)速度平均10 m/d。覆巖結(jié)構(gòu)以不同粒徑的砂巖為主,直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖,基本頂為細(xì)粒砂巖;主關(guān)鍵層為粗粒砂巖,厚度23 m,距離煤層約70 m,工作面對(duì)應(yīng)的綜合柱狀圖如圖1(b)所示。

圖1 12401 工作面平面布置圖與對(duì)應(yīng)的鉆孔柱狀圖Fig.1 Panel layout and borehole columnar of the panel 12401

2 導(dǎo)水裂隙帶高度的理論預(yù)測(cè)

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度對(duì)礦井生產(chǎn)安全、水資源存儲(chǔ)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。目前,經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)法使用最為方便,被現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員廣泛采納。鑒于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式具有特定地質(zhì)條件的局限性,研究人員采用統(tǒng)計(jì)方法提出大量改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)公式。本文匯總了不同地質(zhì)條件下基于不同影響因素的典型經(jīng)驗(yàn)公式,并以12401 工作面開(kāi)采參數(shù)及賦存特征為基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比研究,結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以看出,上灣礦12401 工作面導(dǎo)水裂隙帶最大高度在55.37～196.44 m 之間,所得結(jié)果范圍太大,最高值已經(jīng)發(fā)育至地表,最小值都沒(méi)有達(dá)到主關(guān)鍵層。

表1 典型經(jīng)驗(yàn)公式統(tǒng)計(jì)Table 1 Typical empirical equations statistic

一方面,上述公式雖然是統(tǒng)計(jì)公式,但針對(duì)的仍然是特定賦存條件或者某一類(lèi)賦存條件,很難具有普適性;另一方面,本文研究工作面開(kāi)采參數(shù)與地質(zhì)條件的特殊性,具有特大采高(最大8.8 m)、厚基巖、中等埋深等特點(diǎn),與傳統(tǒng)的典型地質(zhì)條件存在一定的差異。此外,由于覆巖破壞的復(fù)雜性,實(shí)際開(kāi)采參數(shù)與設(shè)計(jì)開(kāi)采參數(shù)存在一定差異,覆巖力學(xué)行為的不確定因素也導(dǎo)致了理論預(yù)測(cè)的偏差。因此,本文進(jìn)一步從數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)兩個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比研究。

3 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育數(shù)值模擬

3.1 模型構(gòu)建

為了進(jìn)一步直觀地顯示覆巖損傷特征,采用FLAC3D數(shù)值模型對(duì)上灣礦12401 工作面覆巖破壞特征、上覆巖層移動(dòng)及地表移動(dòng)進(jìn)行模擬分析。如圖2所示,工作面走向長(zhǎng)度400 m,工作面傾向長(zhǎng)度300 m,工作面東西側(cè)均留設(shè)50 m 寬邊界煤柱。由于實(shí)際巖層較多,為了簡(jiǎn)化模型,建模時(shí)將厚度較薄、性質(zhì)相近的巖層合并在一起。本文所建模型高度235.3 m,其中煤層開(kāi)采厚度8.8 m,埋深201.9 m。模型底部、前后、左右設(shè)置固定邊界,模型頂部為自由面,模擬地表。

圖2 開(kāi)采數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

FLAC3D采用的是有限差分計(jì)算模型,并不能實(shí)現(xiàn)裂隙發(fā)育的模擬。據(jù)此,文獻(xiàn)[22]對(duì)摩爾-庫(kù)倫模型τ=c+σtanφ進(jìn)行改進(jìn),構(gòu)建了新的巖體極限損傷本構(gòu)方程如下:

式中,σij為靜水壓力;G 為巖體剪切模量,隨損傷程度而變化,變量;G0為基體的剪切模量,常量;Eijkl為基體的彈性常數(shù)張量;εkl為基體的應(yīng)變張量;δij為Kronecker 符號(hào)。

將式(1)嵌入FLAC3D模型,用塑性區(qū)范圍描述導(dǎo)水裂隙帶,文獻(xiàn)[22]中對(duì)緊鄰上灣礦的補(bǔ)連塔煤礦12511 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度和形態(tài)進(jìn)行了模擬和實(shí)測(cè)對(duì)比(圖3),驗(yàn)證了該巖體極限損傷本構(gòu)模型描述導(dǎo)水裂隙帶的合理性。在分析上灣煤礦12401 工作面覆巖損傷破壞特征時(shí),數(shù)值模型中煤巖層采用文獻(xiàn)[22]改進(jìn)的摩爾-庫(kù)倫模型,采空區(qū)采用雙屈服模型,具體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

圖3 基于新?lián)p傷本構(gòu)模型的補(bǔ)連塔12511 工作面實(shí)測(cè)驗(yàn)證Fig.3 Experimental verification based on the constitutive model of the panel 12511 in Bulianta coal mine

表2 模型中巖層的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physico-mechanical parameters of strata in the model

表3 采空區(qū)單元雙屈服模型力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of the double yield gob elements

3.2 模擬參數(shù)校驗(yàn)

統(tǒng)計(jì)學(xué)中的假設(shè)檢驗(yàn)和回歸分析法可以研究2 個(gè)變量之間是否存在相關(guān)關(guān)系及數(shù)量規(guī)律,并用數(shù)學(xué)公式表達(dá)變量之間的關(guān)系[34]。數(shù)值模擬得到的地表點(diǎn)下沉數(shù)據(jù)與SD1鉆孔在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的下沉數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4所示。利用回歸分析驗(yàn)證兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性,并由方差分析法檢驗(yàn)?zāi)M開(kāi)采數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有無(wú)顯著性影響,分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析模型匯總Table 4 Numerical simulation data and measured data analysis model

圖4 模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig.4 Numerical simulation data and measured data

由表4可知,校正后R2接近1,表明模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)線性相關(guān),F顯著性統(tǒng)計(jì)量(0.001)小于0.05,回歸效果顯著;F值(0.01)小于F臨界值(4.96),即在顯著水平0.05 下,數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)下沉數(shù)據(jù)無(wú)顯著性影響,說(shuō)明模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。表明在數(shù)值模擬中參數(shù)選取是合理的,利用FLAC3D數(shù)值模擬研究特大采高工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育特征是可行的、科學(xué)的。

3.3 模擬結(jié)果分析

不同推進(jìn)距離條件下覆巖三維損傷形態(tài)如圖5所示。在推進(jìn)過(guò)程中,塑性區(qū)呈“拱形”(三維“殼形”)發(fā)育,邊界以剪切破壞為主。隨著推進(jìn)距離的增加,塑性區(qū)的破壞范圍同步擴(kuò)大。當(dāng)推進(jìn)距離為250 m 時(shí),風(fēng)積沙出現(xiàn)剪切破壞,即地表出現(xiàn)裂縫,此時(shí)塑性區(qū)高度為111.28 m,并未與地表貫通,如圖5(d)所示。當(dāng)推進(jìn)距離達(dá)到280～300 m時(shí),導(dǎo)水裂隙帶的高度和表面破壞的范圍進(jìn)一步增加,模型邊界也出現(xiàn)拉伸破壞,如圖5(e)(f)所示;此時(shí)覆巖和地表均達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài),導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)也轉(zhuǎn)變?yōu)椤榜R鞍形”即三維“盆狀形”,高度達(dá)114.84～133.32 m,高差18.48 m,裂采比13.05～15.15。由于導(dǎo)水裂隙帶平均高度達(dá)124.08 m,而該工作面埋深124～244 m,且覆巖巖性較為均勻,因此在埋深較淺處(埋深124 m 區(qū)域)導(dǎo)水裂隙帶有可能直接貫通地表,形成“兩帶”損傷模式,造成地表的臺(tái)階下沉,對(duì)礦區(qū)生態(tài)造成巨大危害,應(yīng)對(duì)此部分區(qū)域重點(diǎn)保護(hù)防范。

圖5 塑性區(qū)發(fā)育過(guò)程Fig.5 The development process of plastic zone

導(dǎo)水裂隙帶高度在非充分采動(dòng)階段隨推進(jìn)距離呈臺(tái)階形增長(zhǎng),具體如圖6所示,并且結(jié)合圖1(b),該工作面上覆巖層巖性為中硬巖層,但在部分區(qū)域存在軟弱巖層,導(dǎo)致覆巖巖性差異較大。當(dāng)塑性區(qū)發(fā)育至軟弱巖層時(shí),采動(dòng)裂隙發(fā)育速度較快,而厚硬完整頂板巖層采動(dòng)裂隙發(fā)育速度較慢。這表明厚硬巖層對(duì)于導(dǎo)水裂隙發(fā)育具有控制作用,但導(dǎo)水裂隙突破厚硬巖層后,很容易貫穿其上覆的軟弱巖層。在推進(jìn)250～280 m 時(shí),由于壓實(shí)作用采空區(qū)中部覆巖破壞趨于穩(wěn)定,高度為114.84 m,此時(shí)工作面臨近“見(jiàn)方”,達(dá)到近似充分采動(dòng)[35]。在工作面推進(jìn)280～300 m 內(nèi),覆巖裂隙不再向上發(fā)育,又由于上覆厚硬砂巖對(duì)采動(dòng)影響的減緩和抑制,覆巖破壞高度在此過(guò)渡范圍內(nèi)增長(zhǎng)緩慢,最終穩(wěn)定在124.08 m,此時(shí)達(dá)到完全充分采動(dòng)。

圖6 塑性區(qū)高度變化過(guò)程Fig.6 The plastic zone height development process

4 導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)分析

在開(kāi)采期間通過(guò)鉆孔沖洗液漏失量、水位、鉆孔彩色電視觀測(cè)結(jié)果及鉆進(jìn)記錄等,對(duì)上灣礦12401 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了探測(cè)。本次探測(cè)共布置3 個(gè)鉆孔:采前孔SD1距回風(fēng)平巷175 m,距運(yùn)輸平巷125 m;采后孔SD2位于工作面中心位置;SD3孔與東側(cè)回風(fēng)平巷的距離31.8 m,分別距煤層頂板167 m、172 m。3 個(gè)鉆孔的孔深分別為187.43 m、177.25 m、182.52 m,孔斜不大于5°。

4.1 導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)

根據(jù)觀測(cè)結(jié)果,繪制了SD2和SD3鉆孔沖洗液消耗量及鉆孔水位隨鉆進(jìn)深度的變化曲線,并截取孔內(nèi)電視成像圖,如圖7所示。

由圖7(a)可知,采后孔SD2與采前孔SD1沖洗液消耗量在孔深0～48.92 m 范圍內(nèi)基本一致,而SD2鉆孔在深48.92～64.32 m 范圍內(nèi)沖洗液漏失量突然從0.022 L/s 迅速升至1.12 L/s,至孔深71.66 m 時(shí)鉆孔沖洗液循環(huán)中斷,至此鉆孔沖洗液全部漏失, 鉆孔水位從6.27 m 迅速下降至72.61 m,水位降至井底,判定孔深48.92 m 處為導(dǎo)水裂隙帶頂界。結(jié)合SD2孔內(nèi)電視觀測(cè)結(jié)果,在孔深47.54 m 處巖層開(kāi)始發(fā)育縱向裂隙,向下裂隙發(fā)育增多,下部伴有交錯(cuò)型裂隙,局部有垮塌現(xiàn)象,判斷巖層進(jìn)入裂隙帶范圍。故認(rèn)為孔深48.23 m (平均值)處為SD2孔所處位置裂隙帶頂界。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.7 Field measurement result

由圖7(b)可知,SD3鉆孔在孔深0～35.67 m范圍內(nèi)沖洗液消耗量很少,而在孔深35.67～47.67 m 范圍,沖洗液消耗量突然從0.19 L/s 迅速升至2.44 L/s,同時(shí)鉆孔水位從3.15 m 迅速降至井底,認(rèn)為孔深35.67 m 處為導(dǎo)水裂隙帶頂界。結(jié)合SD3孔內(nèi)電視觀測(cè)結(jié)果,從孔深42.82 m 開(kāi)始發(fā)育縱向裂隙,向下裂隙發(fā)育增多,伴有交錯(cuò)型裂隙,局部有垮塌現(xiàn)象,而孔深至128 m 時(shí)井內(nèi)垮塌嚴(yán)重,堵塞井孔,探頭無(wú)法繼續(xù)探測(cè)。故認(rèn)為孔深39.24 m(平均值)處為SD3孔所處位置裂隙帶頂界。

綜上分析可知:SD2孔、SD3孔導(dǎo)水裂隙帶頂部埋深分別為48.23 m、39.24 m。根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算公式[28]:

式中,h為裂隙帶頂點(diǎn)處的孔深;W為裂隙帶巖層的壓縮值,通常取W=0.2M。

根據(jù)工作面推過(guò)鉆孔時(shí)采高8.49 m,通過(guò)計(jì)算得出,SD2孔處導(dǎo)水裂隙帶高度為120.47 m,裂采比為14.19;SD3孔處導(dǎo)水裂隙帶高度為134.46 m,裂采比為15.84。SD2、SD3孔鉆孔沖洗液在裂隙帶內(nèi)均已漏失殆盡,因此無(wú)法探測(cè)垮落帶高度,也說(shuō)明了8.8 m 特大采高條件下覆巖裂隙張開(kāi)度較大,連通性較好。

4.2 導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)特征

通過(guò)上述分析結(jié)果已知,上灣煤礦12401 工作面在充分采動(dòng)下破壞高度為120.47～134.46 m,裂采比為14.19～15.84。采空區(qū)中部鉆孔(SD2孔)實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度低于靠近回風(fēng)平巷一側(cè)的鉆孔(SD3孔)實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度,表明該工作面開(kāi)采后的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育形態(tài)為“馬鞍形”,與數(shù)值模擬結(jié)果相符合,如圖8所示。

圖8 導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)實(shí)測(cè)與模擬對(duì)照Fig.8 Comparison between measured and numerical simulated shape of the water-conducting fracture zone

4.3 多種手段結(jié)果對(duì)比分析

表5給出了各經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定的導(dǎo)水裂隙帶最大高度,并結(jié)合表1進(jìn)行了誤差分析。各經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)值總體上偏小,相對(duì)誤差均大于10%,特別是基于東部礦區(qū)地質(zhì)條件的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果誤差在50% 左右,表明東西部礦區(qū)賦存特征相差很大。表1中基于神東礦區(qū)的預(yù)測(cè)公式相對(duì)誤差較小,但預(yù)測(cè)結(jié)果偏大,這主要是由于神東礦區(qū)基巖薄、埋深淺,這類(lèi)條件對(duì)于采高非常敏感,而本文采高最大達(dá)到8.8 m,進(jìn)而造成預(yù)測(cè)結(jié)果偏大,這進(jìn)一步說(shuō)明本文的特大采高、厚基巖、中等埋深的地質(zhì)條件剛好介于以往東西部礦區(qū)地質(zhì)條件,現(xiàn)有的預(yù)測(cè)公式都很難應(yīng)用于此類(lèi)開(kāi)采條件。

表5 不同方法結(jié)果對(duì)比Table 5 The comparison of different method results

基于數(shù)值模擬計(jì)算方法得到導(dǎo)水裂隙帶高度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值相差1.14～5.63 m,相對(duì)誤差小于5%,表明本文的數(shù)值模擬結(jié)果能夠很好地預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。此外,本文數(shù)值模擬結(jié)果的裂隙帶發(fā)育形態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)一致,實(shí)現(xiàn)工作面推進(jìn)過(guò)程中裂隙發(fā)育規(guī)律的準(zhǔn)確獲取。

5 結(jié) 論

(1) 采用鉆孔沖洗液漏失量、孔內(nèi)水位及孔內(nèi)電視觀測(cè)等方法對(duì)上灣煤礦12401 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了研究,該工作面在高強(qiáng)度開(kāi)采下導(dǎo)水裂隙帶高度為120.47～134.46 m,裂采比為14.19～15 .84。

(2) 數(shù)值模擬分析了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育過(guò)程,并結(jié)合鉆孔實(shí)測(cè),揭示了8.8 m 特大采高下導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律,得出上灣煤礦12401 工作面在非充分開(kāi)采狀態(tài)下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育形態(tài)為“拱形”(三維“殼形”),而在充分采動(dòng)狀態(tài)下呈兩邊高、中間底的“馬鞍形”(三維“盆狀形”),且在工作面推進(jìn)過(guò)程中裂隙帶高度成臺(tái)階形上升。

(3) 對(duì)比分析了裂隙帶發(fā)育高度的統(tǒng)計(jì)公式與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,表明現(xiàn)階段針對(duì)我國(guó)東西部典型地質(zhì)條件獲得的預(yù)測(cè)公式很難適用于本文的特大采高、厚基巖、中等埋深的地質(zhì)條件?；谖鞑康V區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果明顯偏大,而基于東部礦區(qū)的預(yù)測(cè)公式則顯著偏小,而本文的數(shù)值模擬與鉆孔實(shí)測(cè)結(jié)果最為接近(相對(duì)誤差小于5% ),說(shuō)明本文的數(shù)值模擬方法能夠很好地模擬特大采高工作面覆巖裂隙發(fā)育特征。