同忻煤礦工作面導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育規(guī)律分析

＊王星瑤

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻煤礦山西有限公司 山西 037000）

煤礦開(kāi)采過(guò)程中，防治水工作一直是煤礦安全的必要環(huán)節(jié)之一，其中工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律是煤礦預(yù)測(cè)礦井水害發(fā)生的關(guān)鍵參數(shù)，故掌握工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律對(duì)于存在水害風(fēng)險(xiǎn)的礦井尤為重要。

對(duì)于導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律的獲取，煤礦科研工作者們進(jìn)行了大量研究，方法大致可分為：理論經(jīng)驗(yàn)公式、模擬仿真以及現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)量三種手段。李博等針對(duì)采用多元回歸分析的方法計(jì)算得出更加貼近現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)公式的理論計(jì)算方法。來(lái)興平等針對(duì)厚松散層下三軟煤層工作面上方導(dǎo)水裂隙發(fā)育問(wèn)題，采用了物理模擬、仿真計(jì)算、公式推導(dǎo)以及工業(yè)性驗(yàn)證等多元方法得出科學(xué)可靠的現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采參數(shù)。李超峰基于三次函數(shù)多項(xiàng)式曲線擬合的方法得到了黃隴煤田工作面寬、高雙因素經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式，提高了預(yù)測(cè)公式的精確程度。由此可見(jiàn)，要精確地獲取、預(yù)測(cè)工作面導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律，通常需要結(jié)合多種研究手段。

同忻煤礦煤層開(kāi)采屬于特厚煤層且井田內(nèi)上部侏羅系采空區(qū)內(nèi)存在老空區(qū)積水現(xiàn)象，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，為加強(qiáng)對(duì)井田內(nèi)上部侏羅系礦井老空區(qū)內(nèi)突水情況的預(yù)測(cè)，保證工作人員井下工作環(huán)境的安全可靠，采用多元手段、因地制宜地獲取導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況是現(xiàn)階段煤礦安全的發(fā)展趨勢(shì)，本文就同忻煤礦8204工作面頂板存在老空區(qū)問(wèn)題，結(jié)合理論計(jì)算、數(shù)值仿真以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等多種手段，得出工作面導(dǎo)水裂隙相關(guān)特征及規(guī)律研究結(jié)論為該礦后續(xù)工作面防治水提供科學(xué)、準(zhǔn)確的參考，保證了井下作業(yè)的安全。

1.地質(zhì)及工程概述

同忻煤礦8204工作面開(kāi)采煤層為石炭系3～5#煤層，煤層厚度7.27～25.80m，平均厚度16.06m，屬于特厚煤層。老頂質(zhì)地偏硬為砂質(zhì)泥巖、粗砂巖，約為11.56m；直接頂質(zhì)地較軟為高嶺質(zhì)泥巖，約為3.41m。

8204工作面北接未開(kāi)采煤體，南接第二盤(pán)區(qū)的膠帶、運(yùn)輸、回風(fēng)三條大巷，西部為未開(kāi)采煤體、東為8203工作面回采結(jié)束的采空區(qū)。平均水涌出量為0.06m3/min，峰值流量為0.10m3/min。

采區(qū)上部為同家梁煤礦未采完實(shí)體煤層，部分對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)，且層間距為165～181m，相對(duì)較近，且存在積水問(wèn)題。根據(jù)同家梁、永定莊礦充水性圖及探放水孔疏放情況綜合分析，8204工作面上覆侏羅系煤層采空區(qū)無(wú)大面積積水。針對(duì)上覆侏羅系采空區(qū)共計(jì)施工探放水孔20個(gè)，正在施工中，出水鉆孔8個(gè)，累計(jì)疏放上覆采空區(qū)積水2000m3，現(xiàn)階段針對(duì)上方采空區(qū)內(nèi)積水排放問(wèn)題初步已經(jīng)解決，采空區(qū)內(nèi)水預(yù)計(jì)已經(jīng)無(wú)法對(duì)煤礦正常安全生產(chǎn)造成影響。但不排除局部低洼處仍有殘留積水，故精確獲取導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律有很高的實(shí)際意義。

2.導(dǎo)水裂隙帶高度公式計(jì)算

(1)規(guī)程中導(dǎo)水裂隙帶高度公式計(jì)算

經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量匯總以及國(guó)家相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜铱偨Y(jié)得出針對(duì)煤炭資源開(kāi)采相關(guān)《規(guī)程》中包含了以頂板巖石物理力學(xué)特征為主導(dǎo)因素的導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算公式見(jiàn)表1，根據(jù)同忻煤礦煤層頂板巖性及強(qiáng)度可知，類(lèi)型為堅(jiān)硬，公式選擇為：

表1 巖石性質(zhì)為主導(dǎo)因素的導(dǎo)高經(jīng)驗(yàn)公式

式中，Hli為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)實(shí)際導(dǎo)高，m；M為煤開(kāi)采的實(shí)際厚度，m。

兩個(gè)不同煤系采區(qū)上下相距165～181m。3～5#層8204面煤層平均厚度16.06m，依照式（1），帶入煤層厚度最大值27.55m，得出實(shí)際導(dǎo)高為69.7～87.5m，遠(yuǎn)小于兩采區(qū)之間距離。

(2)綜放導(dǎo)水裂隙帶高度公式計(jì)算

同忻煤礦根據(jù)多年的綜放開(kāi)采技術(shù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，以及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件變化規(guī)律，得出了適用于當(dāng)?shù)亻_(kāi)采方法的導(dǎo)高經(jīng)驗(yàn)公式如下：

帶入煤層厚度最大值27.55m，得出導(dǎo)水裂隙帶高度148.6～171.5m，與規(guī)程中得出數(shù)據(jù)差距較大，其結(jié)果大于與上方采空區(qū)之間的距離，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的煤礦開(kāi)采活動(dòng)產(chǎn)生的覆巖導(dǎo)水裂隙存在形成上下之間礦井水突出的通道，從而發(fā)生礦井水突出以及相關(guān)的礦井水災(zāi)害。上部巖石中含水層水量較低，無(wú)法造成大規(guī)模礦井突水事件，但上層采空區(qū)中水量充足，如不及時(shí)疏導(dǎo)，可能會(huì)導(dǎo)致煤礦安全事故發(fā)生。在生產(chǎn)過(guò)程中要隨時(shí)注意對(duì)采空區(qū)積水的探查，生產(chǎn)時(shí)必須抽排掉，確保煤礦生產(chǎn)安全。

3.數(shù)值模擬分析

(1)模型建立

根據(jù)8204工作面現(xiàn)場(chǎng)條件，采用FLAC3D軟件構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，將地層物理力學(xué)參數(shù)相應(yīng)帶入并建立模型。模型X×Y×Z為360m×200m×250m，采區(qū)的煤層地質(zhì)構(gòu)造較為單一，且底板起伏較小，煤層傾角對(duì)其影響較小，因此，將該采區(qū)巖層簡(jiǎn)化為水平。本構(gòu)模型采用莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，共建立181440個(gè)單元和191552個(gè)節(jié)點(diǎn)。

(2)推進(jìn)距離對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育的影響

設(shè)置推進(jìn)距離觀測(cè)方案分別為60m、120m、180m、240m。通過(guò)數(shù)值模擬仿真軟件模擬現(xiàn)場(chǎng)煤層開(kāi)采過(guò)程，并在相對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，得出推進(jìn)距離因素影響下，采場(chǎng)覆巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布規(guī)律，如圖1所示，研究不推進(jìn)距離因素影響下煤層開(kāi)采覆巖導(dǎo)水裂隙帶應(yīng)力-塑性區(qū)環(huán)境可知。

圖1 推進(jìn)過(guò)程采場(chǎng)覆巖應(yīng)力-塑性區(qū)云圖

①工作面不同開(kāi)采長(zhǎng)度條件下的覆巖塑性破壞特征，與不同采高條件下的覆巖塑性破壞特征大同小異，同樣位于煤層直接頂上方，大致呈剪切破壞，而在更高處則呈拉伸與剪切互存的塑性破壞特征。

②在工作面推進(jìn)過(guò)程中，采場(chǎng)的變形破壞強(qiáng)烈程度往往邊界要高于中心位置。這是覆巖垮落過(guò)程中中心位置應(yīng)力會(huì)轉(zhuǎn)移到邊界使其應(yīng)力集中，導(dǎo)致邊界位置裂隙發(fā)育以及圍巖破壞情況最明顯。

③隨著工作面推進(jìn)距離的增加，覆巖高導(dǎo)發(fā)育高度也呈持續(xù)上升的規(guī)律。當(dāng)工作面開(kāi)采推進(jìn)距離分別為60m、120m、180m、240m時(shí)，實(shí)際導(dǎo)高分別為36.5m、92.5m、130.5m、159m。由此可見(jiàn)，數(shù)據(jù)與綜放開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗(yàn)公式相吻合，同時(shí)適當(dāng)?shù)乜刂乒ぷ髅骈_(kāi)采長(zhǎng)度對(duì)于降低覆巖“兩帶”發(fā)育高度具有重要意義。

4.工程實(shí)踐

為驗(yàn)證理論數(shù)值的正確性，在同忻煤礦8204工作面采用了實(shí)際測(cè)量的方式來(lái)確保導(dǎo)水裂隙帶高度的正確性，現(xiàn)場(chǎng)采用鉆孔沖洗液漏失量的方法來(lái)實(shí)際獲取導(dǎo)高數(shù)據(jù)。在工作面推進(jìn)距離為60m、120m、180m、240m時(shí)布置4個(gè)測(cè)站A1、A2、A3、A4對(duì)應(yīng)上述方案，具體參數(shù)如圖2。

圖2 推進(jìn)距離與導(dǎo)高之間的關(guān)系

A1：當(dāng)推進(jìn)距離為60m時(shí)，鉆孔深度到33.5m，沖洗液漏失量由0.38m3/h增長(zhǎng)至2.43m3/h，沖洗液漏失量有所增大。A2：當(dāng)推進(jìn)距離為120m時(shí)，鉆孔深度到90.1m，沖洗液漏失量由0.33m3/h增長(zhǎng)至4.43m3/h，沖洗液漏失量大幅增大。A3：當(dāng)推進(jìn)距離為180m時(shí)，鉆孔深度到135.66m，沖洗液漏失量由0.57m3/h增長(zhǎng)至4.33m3/h，沖洗液漏失量有所增大，A4：當(dāng)推進(jìn)距離為240m時(shí)，鉆孔深度到162.42m，沖洗液漏失量由0.21m3/h增長(zhǎng)至2.01m3/h，沖洗液漏失量有所增大。結(jié)果表明：本文得出的導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了該計(jì)算具有很高的可靠性。