李彥輝

（河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

·試驗(yàn)研究·

覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分析

李彥輝

（河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

以河南某礦31071綜采工作面為工程實(shí)踐背景，分別從經(jīng)驗(yàn)公式、工程類比、數(shù)值模擬三方面研究煤層開(kāi)采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育情況。結(jié)果表明：采高6 m、9 m時(shí)覆巖的“兩帶”發(fā)育高度分別為86 m、135 m，對(duì)類似地質(zhì)條件、水庫(kù)下采煤提供安全參數(shù)等具有重要意義。

開(kāi)采沉陷；導(dǎo)水裂隙帶；數(shù)值模擬

1 工作面概況

國(guó)投新登鄭州煤業(yè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱新登煤礦）為國(guó)投煤炭公司控股的股份制企業(yè)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為60萬(wàn)t／年，核定年生產(chǎn)能力為84萬(wàn)t／年，區(qū)內(nèi)地形起伏不平，地勢(shì)南高北低，西高東低，總體西南高、東北低。地面高程在506．2～229．3 m，相對(duì)高差276．9 m，平均坡度約3°46′。

31071 綜放工作面開(kāi)采二1煤層，為+35水平31采區(qū)南翼，該工作面位于三水平采區(qū)中部，北部為三水平開(kāi)拓巷，東部為31051采空區(qū)，西部為31091采空區(qū)，南部為井田邊界。31071綜采工作面走向長(zhǎng)1 121 m，傾斜長(zhǎng)128 m，面積143 488 m2，井下標(biāo)高+35～-28 m，地面標(biāo)高+467．1 m。該工作面煤層厚度變化較大，在0．9～9 m，平均厚度為6．0 m，煤層傾角在1°～16°，平均傾角為8°。該面回采煤層為二1煤，黑色，金剛光澤，多呈粉狀、粒狀產(chǎn)出，強(qiáng)度低，視密度1．17～1．42 t／m3，平均1．35 t／m3，真密度1．46 t／m3。煤層局部含少量結(jié)核狀硫化物，煤層頂、底板附近煤質(zhì)一般較劣。煤層沉積基本穩(wěn)定，局部有薄煤帶，煤層比較松軟。

2 導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)

根據(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》以及新登煤礦的現(xiàn)有資料，冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度可按表1、2計(jì)算。計(jì)采厚不超過(guò)15 m。

表1 冒落帶高度計(jì)算公式表

表2 導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式表

由于工作面頂板多為砂質(zhì)泥巖、泥巖和部分砂巖，且根據(jù)31071工作面附近鉆孔巖層情況算得的覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)，并參照《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》中巖應(yīng)關(guān)系，31071工作面上覆巖層巖性綜合評(píng)定為中硬偏軟巖層，出于安全考慮，按中硬巖層求取導(dǎo)水裂隙帶高度，由于31071工作面煤厚在0．9～9 m，為便于對(duì)比分析不同采厚的導(dǎo)水裂隙帶高度，特提取平均采高6 m及最大采高9 m作為研究對(duì)象，故中硬巖性的冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式分別為：

1）新登煤礦二1煤平均采高6 m，按上式計(jì)算冒落帶高度如下：

式中：

M—累計(jì)采高，m，取6。

代入公式，得：H冒=10．5～14．9 m。

裂隙帶高度如下：

式中：

M—累計(jì)采高，m，取6。

代入公式，得：H裂=39．9～51．1 m。

采用綜采放頂煤技術(shù)時(shí)，其上覆巖層破壞高度較其它煤層開(kāi)采方法更為嚴(yán)重，因此，為了安全起見(jiàn)，公式后“±”一律取“+”號(hào)（下同）。

所以，冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶高度之和為50．4～66．0 m（取66．0 m）。

2）新登煤礦二1煤最大采高為9 m，按上式計(jì)算冒落帶高度如下：

式中：

M—累計(jì)采高，m，取9。

代入公式，得：H冒=12．5～16．9 m。

式中：

M—累計(jì)采高，m，取9。

代入公式，得：H裂=44．4～55．6 m。

所以，冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶高度之和為56．9～ 72．5 m（取72．5m）。

3）按《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（GB12719～91）規(guī)定，導(dǎo)水裂隙帶高度（包括冒落帶最大高度）計(jì)算公式如下（公式適用條件：煤層傾角0～54°、巖石抗壓強(qiáng)度40～60 MPa、石灰?guī)r等）：

冒落帶最大高度：

導(dǎo)水裂隙帶高度（包括冒落帶最大高度）：

柳冠中生于1943年，1981年赴德國(guó)斯圖加特設(shè)計(jì)學(xué)院主攻工業(yè)設(shè)計(jì)，1984年回國(guó)后在中央工藝美術(shù)學(xué)院創(chuàng)辦了工業(yè)設(shè)計(jì)系。李樂(lè)山生于1945年，1989年赴德國(guó)留學(xué)，1999年歸國(guó)任西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)系主任。兩人年紀(jì)相仿，都是20世紀(jì)80年代赴德國(guó)留學(xué)。德國(guó)先進(jìn)的設(shè)計(jì)教育理念以及嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的設(shè)計(jì)風(fēng)格深深地影響了他們，從兩人后來(lái)的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)以及社會(huì)實(shí)踐來(lái)看，德國(guó)的留學(xué)經(jīng)歷對(duì)他們的影響是深遠(yuǎn)且伴隨一生的，德式的“嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)”成為兩人設(shè)計(jì)思想的主要組成部分，并以此為基礎(chǔ)向不同的研究領(lǐng)域深入，這是兩人“和而不同”的體現(xiàn)之一。因此，分析柳冠中和李樂(lè)山的設(shè)計(jì)思想時(shí)，早期的留學(xué)背景不容忽視。

式中：

Hc—冒落帶最大高度，m；

Hf—導(dǎo)水裂隙帶高度，m；

M—煤層累計(jì)采高，m，取平均采高6、最大采高9兩種情況；

n—煤分層層數(shù)，本次取1。

綜上，當(dāng)采高為6 m時(shí)，冒落帶最大高度為24～30 m；導(dǎo)水裂隙帶高度（包括冒落帶）為144．5 m；當(dāng)采高為9 m時(shí)，冒落帶最大高度為36～45 m；導(dǎo)水裂隙帶高度（包括冒落帶）為211．2 m。

3 導(dǎo)水裂隙帶高度工程類比預(yù)計(jì)

1）根據(jù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)郝延錦的《放頂煤開(kāi)采條件下覆巖移動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究》，認(rèn)為隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)上方巖層的“兩帶”（冒落、裂隙）高度也隨之增大，當(dāng)采空區(qū)尺寸達(dá)到一定范圍時(shí)，“兩帶”（冒落、裂隙）發(fā)育高度不再向上發(fā)展，隨著時(shí)間的推移，其高度亦會(huì)有所下降，并最終穩(wěn)定。在若干組模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，用回歸分析法得出了放頂煤條件下的冒裂帶高度與采厚關(guān)系式為：

據(jù)此公式得出的預(yù)計(jì)冒落裂隙帶高度值與淮南市煤電公司新集礦的實(shí)際觀測(cè)資料相對(duì)比，結(jié)果是基本一致的，誤差在6%以內(nèi)；并得出“放頂煤條件下的冒裂帶高度要比厚煤層分層開(kāi)采條件下的冒裂帶高度大17%左右，而不是線形成倍增長(zhǎng)”的結(jié)論。

以此公式來(lái)預(yù)計(jì)新登煤礦31071工作面開(kāi)采平均采高6．0 m、最大采高9．0 m時(shí)導(dǎo)致的頂板巖層冒落裂隙帶高度分別為71．9 m、87．7 m。

2）根據(jù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)孫亞軍等《小浪底水庫(kù)下采煤導(dǎo)水裂隙發(fā)育監(jiān)測(cè)與模擬研究》，在厚煤層一次采全高、厚煤層綜放開(kāi)采及快速推進(jìn)高產(chǎn)高效等采煤新技術(shù)情況下，導(dǎo)水裂隙實(shí)際發(fā)育高度在不同礦區(qū)有較大變化范圍，一般為煤層采厚的10～22倍。其研究的新安礦主采二疊系山西組二1煤層，煤層厚度為0～18．8m。煤層之上至小浪底庫(kù)區(qū)水體之間為第四系和二疊系土門組、平頂山組、上石盒子組和山西組，巖性主要為砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖，厚度為90～210 m。采煤方法是走向長(zhǎng)壁后退式開(kāi)采，一次采全高。

在通過(guò)地面鉆孔超聲波成像觀測(cè)、并行網(wǎng)絡(luò)電法CT技術(shù)探測(cè)等多種手段取得新安礦區(qū)“兩帶”（冒落帶、裂隙帶）高度發(fā)育參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用Origin非線性擬合工具擬合，得出“兩帶”（冒落帶、裂隙帶）發(fā)育高度的計(jì)算公式為：

式中：

m—煤層開(kāi)采厚度，m；

H—導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度預(yù)測(cè)值，m。

考慮到新登煤礦31采區(qū)的地質(zhì)采礦條件與新安礦在小浪底庫(kù)區(qū)水體下的煤層開(kāi)采具有相似性，可計(jì)算出新登礦31采區(qū)在放頂煤開(kāi)采平均采高6．0m、最大采高9．0m時(shí)的情況下，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分別為86．4m、112．45m。

4 導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)值模擬預(yù)計(jì)

由于煤層開(kāi)采上覆巖層的移動(dòng)變形是一個(gè)不可預(yù)見(jiàn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，不能通過(guò)有效的手段對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而UDEC軟件彌補(bǔ)了這個(gè)不足，它可以對(duì)煤層開(kāi)采上覆巖層的移動(dòng)變形進(jìn)行整體的模擬分析，特別是巖體的局部垮落、分離等。故而UDEC相對(duì)其它模擬軟件具有很大的優(yōu)越性。

依據(jù)煤層開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)公式及工程類比冒落帶、裂隙帶（簡(jiǎn)稱“兩帶”，下同）資料建立UDEC數(shù)值計(jì)算模型，分別模擬開(kāi)采平均采高6m時(shí)，工作面推進(jìn)40 m、80m、120m，以及開(kāi)采最大采高9m時(shí)，工作面推進(jìn)20m、40m、80m、120m時(shí)“兩帶”的發(fā)育情況，其對(duì)應(yīng)的變形破壞圖見(jiàn)圖1～4。

圖1 采高6m時(shí)工作面推進(jìn)40m“兩帶”高度圖

圖2 采高6m時(shí)工作面推進(jìn)80m“兩帶”高度圖

圖3 采高6m時(shí)工作面推進(jìn)120m“兩帶”高度圖

圖4 采高9m時(shí)工作面推進(jìn)120m“三帶”高度圖

煤層開(kāi)采后，首先引起直接頂?shù)拿奥?，隨工作面推進(jìn)到一定距離，基本頂懸露面積逐漸增大，當(dāng)達(dá)到極限跨距時(shí)，基本頂開(kāi)始斷裂、失穩(wěn)。當(dāng)工作面推進(jìn)40m時(shí)，冒落帶已發(fā)展到泥巖與細(xì)粒砂巖交界面，并在交界面處產(chǎn)生較大離層，冒落高度發(fā)展到28m，其裂隙帶發(fā)育情況已覆蓋細(xì)粒砂巖巖層，并在一定程度上進(jìn)入中粒砂巖巖層，離層區(qū)域分布在細(xì)粒砂巖段比較密集，中粒砂巖段離層區(qū)有向上繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。

隨工作面推進(jìn)到80m，“兩帶”影響區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，采空區(qū)底部冒落巖塊逐步壓實(shí)，其中，細(xì)粒砂巖下部巖層出現(xiàn)少許冒落情況，其發(fā)育高度緩慢增長(zhǎng)至約30m；裂隙帶繼續(xù)向上發(fā)展，離層區(qū)域逐漸增多，此時(shí)以完全覆蓋細(xì)粒砂巖段及中粒砂巖段，并已進(jìn)入砂質(zhì)泥巖層。

隨工作面推進(jìn)至120m，“兩帶”影響區(qū)域呈“碗”形分布向兩邊擴(kuò)展，采空區(qū)冒落巖塊進(jìn)一步壓實(shí)，其冒落高度出現(xiàn)了一定程度上的回落，最終穩(wěn)定在28m左右，裂隙帶內(nèi)離層區(qū)域分布也逐步穩(wěn)定，向上發(fā)育情況不明顯，在水平影響范圍上有一定的增加，其最終“兩帶”高度穩(wěn)定在86m左右。

當(dāng)工作面推進(jìn)至120 m時(shí)，冒落、裂隙兩帶發(fā)育趨于穩(wěn)定，冒落帶發(fā)育高度分布于泥巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖大部，其高度穩(wěn)定在45 m左右，裂隙帶離層區(qū)域則主要分布在中粒砂巖上部以及砂質(zhì)泥巖大部，較之工作面推進(jìn)80 m時(shí)變化不大，其高度穩(wěn)定在90 m左右，故“兩帶”穩(wěn)定在135 m；彎曲帶較之以前有較大發(fā)展，主要是隨著工作面的推進(jìn)，其水平影響范圍增大。

5 不同預(yù)測(cè)方法對(duì)比情況

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)分析、工程類比分析以及數(shù)值模擬預(yù)計(jì)分析對(duì)開(kāi)采不同煤層采高引起的“兩帶”高度做了詳細(xì)闡述，通過(guò)對(duì)比分析選取研究適用的結(jié)果，這在一定程度上彌補(bǔ)了未對(duì)“兩帶”高度進(jìn)行實(shí)測(cè)的不足。其各預(yù)測(cè)方法對(duì)比情況見(jiàn)表3。

表3 “兩帶”高度的計(jì)算與模擬結(jié)果對(duì)比情況表

6 結(jié) 論

1）通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式、工程類比、數(shù)值模擬三種手段研究了煤層開(kāi)采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育情況，并經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，得出不同采高（6 m、9 m）條件下“兩帶高度”分別為86 m、135 m。

2）該煤層開(kāi)采引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況，對(duì)類似地質(zhì)條件水庫(kù)下采煤提供安全參數(shù)等具有重要意義。

［1］ 國(guó)家煤炭工業(yè)局．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［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2000：47-48．

［2］ 滕永海，楊建立，朱 偉，等．綜采放頂煤覆巖破壞規(guī)律與機(jī)理研究［J］．礦山測(cè)量，2010（2）：32-34．

［3］ 李 強(qiáng)，段克信，王獻(xiàn)輝，等．康平煤田綜放開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律初探［J］．礦山測(cè)量，2006（1）：76-78．

［4］ 許延春，李振華，賈安立，等．深厚松散層薄基巖條件下覆巖破壞高度實(shí)測(cè)分析［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38（7）：21-23．

［5］ 李文平．海域首采面綜放開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)研究［J］．煤礦開(kāi)采，2008，13（4）：34-36．

Analysis on Grow th Height for Overlying Strata Water Flowing Fracture Zone

Li Yan-hui

Based on the engineering background of 31071 fully mechanized mining face in a coal mine of Henan，by using the methods of empirical formula，engineering analogy and numerical simulation research the developmental condition of water flowing fracture zone of overlying strata after mining．The results show that＂two zone＂growth height of overlying rock are respectively 86 m and 135 m when the mining height is 6 m and 9 m，which has important significance to provide safety parameters for similar geological conditions and coal mining under reservoir．

Mining subsidence；Water flowing fracture zone；Numerical simulation

TD745

B

1672-0652（2013）10-0031-04

2013-07-09

李彥輝（1986—），男，河南周口人，2012級(jí)河南理工大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事礦區(qū)開(kāi)采沉陷與土地復(fù)墾的研究（E-mail）1029131607＠qq．com