來(lái)興平，崔 峰，曹建濤，呂兆海，康延雷

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054;2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054;3.國(guó)網(wǎng)哈密能源煤電有限公司,新疆 哈密 839000)

三軟煤層綜放工作面覆巖垮落及裂隙導(dǎo)水特征分析

來(lái)興平1,2，崔 峰1,2，曹建濤1,2，呂兆海1，康延雷3

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054;2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054;3.國(guó)網(wǎng)哈密能源煤電有限公司,新疆 哈密 839000)

通過(guò)大南湖一礦三軟煤層工程地質(zhì)條件及煤巖物理力學(xué)參數(shù)的綜合分析與測(cè)定，開展了對(duì)應(yīng)條件下的物理相似模擬，分析了綜放工作面圍巖運(yùn)移及覆巖破壞高度，探索了現(xiàn)場(chǎng)支架實(shí)測(cè)阻力與覆巖裂隙導(dǎo)水位置、導(dǎo)水量間的關(guān)系。綜合分析表明：1303綜放工作面頂板垮落帶高度為20 m，模型表面裂隙延伸高度觀測(cè)結(jié)果與3D鉆孔電視合成的鉆孔內(nèi)壁破裂剖面揭示出的裂隙延伸高度均為98 m，與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算基本一致。工作面超前影響范圍隨開采范圍而增大，最終趨于穩(wěn)定。1303綜放面工作面劃分為兩個(gè)較為明顯的壓力集中區(qū)，工作面裂隙導(dǎo)水量、導(dǎo)水位置與壓力集中區(qū)中支架壓力變化相關(guān)，覆巖裂隙導(dǎo)水顯現(xiàn)的位置處在工作面中下部頂板壓力集中顯現(xiàn)區(qū)(2區(qū))的位置幾率較大。建議1303工作面提前疏放上覆含水層以及老窯積水的同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)兩個(gè)壓力集中區(qū)(1區(qū)和2區(qū))的監(jiān)測(cè)，尤其是2區(qū)，密切關(guān)注架后頂板垮落情況與工作面淋水量變化，及時(shí)的給出來(lái)壓預(yù)警與導(dǎo)水位置及導(dǎo)水量預(yù)測(cè)。

三軟煤層；覆巖破裂；頂板來(lái)壓；裂隙導(dǎo)水

新疆煤炭資源豐富，預(yù)測(cè)資源量2.19萬(wàn)億t，占全國(guó)的39.3%，在國(guó)家能源安全中具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位，是國(guó)家規(guī)劃建設(shè)的第14個(gè)現(xiàn)代化大型煤炭基地，也是“新絲綢之路”經(jīng)濟(jì)帶規(guī)劃建設(shè)的主體能源基地。與東部礦區(qū)不同的是，新疆地區(qū)所屬的礦井多屬于干旱地區(qū)。氣候干燥、日照時(shí)間充足而降水量少，但蒸發(fā)量巨大。如新疆寬溝煤礦年均降水量為411.88 mm，年均蒸發(fā)量為1 590.1 mm，年均降水量與陜北榆林千萬(wàn)噸礦井聚集區(qū)幾乎一致，但是年蒸發(fā)量是榆林地區(qū)的1.72倍。新疆自治區(qū)內(nèi)的屯寶煤礦、沙吉海煤礦所在地年蒸發(fā)量基本為降水量的10倍以上，大南湖煤礦的年蒸發(fā)量/降水量更是達(dá)到76.61倍。在降雨量稀少但蒸發(fā)量極大的干旱及極干旱地區(qū)開采煤炭資源，尤其要注重對(duì)地下水資源的保護(hù)，這對(duì)減少荒漠化、維持當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有綠洲及生態(tài)環(huán)境十分必要。

目前許多學(xué)者對(duì)陜北神東礦區(qū)煤炭資源開發(fā)引發(fā)水資源破壞及流失的問(wèn)題開展了豐富的研究。錢鳴高等[1]應(yīng)用模型實(shí)驗(yàn)等綜合方法，揭示了長(zhǎng)壁工作面覆巖采動(dòng)裂隙的兩階段發(fā)展規(guī)律與“O”形圈分布特征。李樹剛等[2]分析了綜放開采過(guò)程中覆巖離層裂隙變化形態(tài)。柴敬等[3]利用光纖監(jiān)測(cè)分析采場(chǎng)上覆巖層沉降變形。周光華等[4]針對(duì)寧夏地區(qū)覆沙層下大采高開采分析了工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律?？妳f(xié)興等[5]研究了干旱半干旱礦區(qū)水資源保護(hù)性采煤基礎(chǔ)。黃慶享[6]利用相似模擬揭示了淺埋煤層保水開采隔水層穩(wěn)定性。范立民等[7]以近年來(lái)以陜北侏羅系煤田為背景，開展了生態(tài)脆弱礦區(qū)保水采煤研究。范鋼偉等[8]針對(duì)神東礦區(qū)淺埋煤層開采覆巖移動(dòng)與裂隙分布特征開展了研究，為確定合理保水采煤措施提供了依據(jù)。王雙明等[9]研究了生態(tài)脆弱礦區(qū)含(隔)水層特征及保水開采分區(qū)。以上學(xué)者著重分析了覆巖采動(dòng)裂隙的形成及演化規(guī)律，開展了陜北淺埋煤層大采高一次性采全高背景下的保水開采理論及工程實(shí)踐研究。與陜北不同的是，新疆地區(qū)賦存著大量的特厚及巨厚煤層，綜放開采是開采此類煤層的高效方法[10-11]，地區(qū)間地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)及開采方法的差異性給新疆未來(lái)的保水開采提出了新的挑戰(zhàn)。以張東升為首席科學(xué)家的研究團(tuán)隊(duì)依托國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973)項(xiàng)目“我國(guó)西北煤炭開采中的水資源保護(hù)基礎(chǔ)理論研究”，聚焦于新疆巨厚煤層綜放保水開采相關(guān)研究，在新疆大型煤炭基地科學(xué)采礦的主體規(guī)劃、覆巖運(yùn)移規(guī)律、裂隙擴(kuò)展模型、巨厚煤層綜放工作面離層水形成機(jī)制與采動(dòng)誘發(fā)水資源流失研究方面取得了積極的進(jìn)展[12-17]。

新疆哈密地區(qū)是著名的“哈密瓜”主產(chǎn)區(qū)，但氣候?qū)儆跇O干旱氣候，在開采煤炭資源的同時(shí)保護(hù)地下水資源的重要性顯得尤為突出。本文以地處戈壁灘的新疆哈密地區(qū)大南湖一礦為以工程背景，開展極干旱氣候下三軟煤層綜放開采覆巖破裂及覆巖裂隙導(dǎo)水特征研究，掌握工作面覆巖破斷與裂隙導(dǎo)水特征，為工作面安全開采及保水采煤方案的確定提供科學(xué)依據(jù)。

1 三軟煤層賦存特征及頂?shù)装逄匦?/h2>

1.1 大南湖一礦地質(zhì)構(gòu)造特征

大南湖礦區(qū)一號(hào)井田位于新疆哈密市。礦井南北長(zhǎng)平均9.4 km，東西寬8 km，面積約75.28 km2。井田內(nèi)地層有中生界的侏羅系、新生界的第四系組成。自下而上的地層層序是：下侏羅統(tǒng)三工河組(J1s)、中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)、頭屯河組(J2t)、第四系。井田內(nèi)煤層埋藏平緩，地層傾角一般為3°～13°，煤層賦存穩(wěn)定，23層可采煤層中有12層主要可采煤層均為中厚煤層，煤層生產(chǎn)能力大，有利于綜合機(jī)械化開采，目前主采3號(hào)煤層。

1.2 頂?shù)装逄匦?/p>

本區(qū)域3號(hào)煤層頂板巖層為極不穩(wěn)定圍巖，為Ⅳ，Ⅴ類圍巖。煤層及頂?shù)装鍘r石測(cè)試力學(xué)強(qiáng)度較低，單軸抗壓強(qiáng)度多小于5 MPa，為典型的三軟煤層，工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

1.3 水文地質(zhì)條件

井田內(nèi)地形北高南低、東高西低，一般高程420～500 m，區(qū)內(nèi)最低標(biāo)高417.80 m。井田內(nèi)無(wú)地表水系，氣候總體表現(xiàn)為降水稀少，極度干燥，為無(wú)地表植被的荒漠區(qū)。目前主采3號(hào)煤，1301工作面為礦井首采面，目前開采1303工作面。影響1303工作面回采的充水水源主要為3號(hào)煤層頂?shù)装迳皫r水和1301工作面老空水。3號(hào)煤層頂板含水層為侏羅系中統(tǒng)西山窯組中段弱含水層組，劃分為3個(gè)砂巖含水層。預(yù)計(jì)采面正常涌水量80 m3/h(含鉆孔水及生產(chǎn)用水)，最大涌水量160 m3/h。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

Table 1 Explosives and state equation parameters

名稱巖石名稱厚度/m巖石特征基本頂粉砂巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、中夾煤線3.62直接頂泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、中夾煤線2.89泥巖、粉砂巖多為灰—灰白色,層理明顯,參差狀斷口,遇到外力作用易變形,局部裂隙發(fā)育,垮落性好偽頂炭質(zhì)泥巖0.01～0.03巖石力學(xué)強(qiáng)度小,極易破碎,隨采隨落直接底炭質(zhì)泥巖、泥巖1.85巖石力學(xué)強(qiáng)度小,遇水泥化基本底粉砂巖、局部細(xì)、中砂巖、夾煤線2.70質(zhì)地較硬,屬半堅(jiān)硬巖石,局部裂隙發(fā)育

1.4 開采技術(shù)條件

1303工作面井下標(biāo)高+148.0～+233.0 m。采煤工作面走向可采長(zhǎng)度1 937 m，傾斜長(zhǎng)240 m，為一采區(qū)西翼第2個(gè)采煤工作面，上區(qū)段1301工作面于2013年8月回采完畢。上覆1，2煤層及下伏5煤層未開采。

1303工作面采用綜采放頂煤開采方式，開采3號(hào)煤層，煤層厚度6.2～8.9 m，平均厚6.3 m，傾角7°～16°，平均9°，屬穩(wěn)定～較穩(wěn)定煤層。工作面采煤工藝選用綜采放頂煤采煤，其中采煤機(jī)割煤高度2.8 m，放煤高度3.5 m，采放比約為1∶1.25，放煤步距0.8 m。

2 綜放工作面頂板垮落特征

2.1 物理相似模擬模型構(gòu)建

以大南湖一礦1303工作面地質(zhì)條件為原型，進(jìn)行物理相似模擬實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了工作面圍巖“聲-光-電”物理、力學(xué)與損傷等綜合信息指標(biāo)參數(shù)全過(guò)程的實(shí)時(shí)測(cè)試，模擬分析了工作面向前推進(jìn)過(guò)程中上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律等。實(shí)驗(yàn)采用(長(zhǎng)×寬×高)為5.0 m×0.2 m×1.5 m的平面應(yīng)力模型架，確定模擬實(shí)驗(yàn)的幾何相似比例(模型∶原型)為1∶200，模型鋪裝尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為=5.0 m×0.2 m×1.2 m。從模型左端30 cm處做開切眼，然后依次向右推進(jìn)[18]。

2.2 巖層表面位移運(yùn)移趨勢(shì)

煤層在開采后采場(chǎng)圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，圍巖移動(dòng)變形，尋求新的應(yīng)力平衡，在頂板上方形成了暫時(shí)平衡的巖石松動(dòng)圈，當(dāng)工作面推進(jìn)至達(dá)到頂板懸空極限時(shí)，頂板彎曲、破裂、垮落。所受到的應(yīng)力重新達(dá)到平衡。在相似模擬實(shí)驗(yàn)中采用全站儀測(cè)取數(shù)據(jù)并制出位移云圖，通過(guò)觀察監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移云圖，可更直觀、快速地判斷出上覆巖層垮落情況。具體是在開采煤層上覆巖層的水平方向上布設(shè)觀測(cè)線。通過(guò)預(yù)估模型中垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶的分布情況，共布置A，B，C，D，E，F(xiàn)六排共144個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)點(diǎn)之間橫向間距0.20 m，縱向間距從上到下依次是0.20，0.20，0.20，0.10，0.10 m。在工作面推進(jìn)至不同的階段，利用徠卡TS02型無(wú)棱鏡全站儀對(duì)測(cè)點(diǎn)沉降信息進(jìn)行了共24次讀取，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

從工作面推進(jìn)不同距離時(shí)巖層運(yùn)移分布(圖2(a))可看出，當(dāng)工作面開采至距離開切眼150 m時(shí)，巖層運(yùn)移波及工作面頂板方向近10 m的巖層，工作面后方頂板巖體破壞范圍距離直接頂達(dá)60 m左右，工作面前方15 m處巖層出現(xiàn)移動(dòng)跡象。當(dāng)工作面開采至距離開切眼200 m時(shí)(圖2(b))，在距離工作面36 m時(shí)工作面后方頂板巖體破壞范圍高度達(dá)30 m左右。工作面前方近20 m處巖層移動(dòng)達(dá)到1.2～2.2 mm，顯示出工作面開采引發(fā)的超前影響范圍。圖2(c)反映出當(dāng)工作面開采至距離開切眼250 m時(shí)，在距離工作面20 m左右頂板垮落嚴(yán)重，綠色云圖顯示出位移在3.2～4.2 mm的區(qū)域已經(jīng)越過(guò)工作面上方覆巖高度90 m的監(jiān)測(cè)線A。隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層逐漸破壞，并不斷向上擴(kuò)展，當(dāng)工作面推進(jìn)到250 m時(shí)，巖層下沉發(fā)展至地表。工作面前方近40 m處巖層移動(dòng)達(dá)到1.2～2.2 mm。工作面的超前影響范圍區(qū)域隨開采從15 m(圖2(a)),20 m(圖2(b))拓展至40 m(圖2(c))，表明超前影響范圍區(qū)域隨開采范圍增大，最終趨于穩(wěn)定。

圖2 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)巖層運(yùn)移分布

2.3 覆巖內(nèi)部破裂演化特征

采用3D鉆孔電視實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)開采過(guò)程中覆巖破壞進(jìn)行成像，制成3D鉆孔剖面，精準(zhǔn)刻畫覆巖破壞特征，分析覆巖裂隙導(dǎo)水通道的延伸高度。分別在距離開切眼120 m(模型中距開切眼0.60 m)和420 m(模型中距開切眼2.10 m)處分別布置1,2號(hào)2個(gè)鉆孔，鉆孔直徑50 mm，深度1 m，利用3D鉆孔電視監(jiān)測(cè)覆巖破壞高度結(jié)果(圖3)。監(jiān)測(cè)表明，隨著工作面推進(jìn)，1號(hào)鉆孔覆巖破裂而成的裂隙高度發(fā)育到98 m，當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)時(shí)，采空區(qū)上側(cè)頂板裂隙逐漸有所閉合，減小至96 m；2號(hào)鉆孔監(jiān)測(cè)到裂隙高度發(fā)育到94 m。

圖4為工作面推過(guò)1號(hào)鉆孔后完成的鉆孔內(nèi)壁破裂圖像觀測(cè)。結(jié)合圖3可以看出，初始狀態(tài)下，頂板未受到工程擾動(dòng)，未出現(xiàn)垮落和裂隙。隨著工作面推過(guò)該觀測(cè)鉆孔，覆巖垮落高度、裂隙延伸高度分別穩(wěn)定為20，98 m。

圖4 三維鉆孔電視合成鉆孔剖面

垮落帶高度理論計(jì)算由《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》中巖性及頂板管理方法與模擬工作面相近的經(jīng)驗(yàn)公式確定，垮落帶最大冒落高度Hc為

導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?包括垮落帶最大高度)Hf為

式中,M為開采厚度，m；n為開采煤層層數(shù)。

可得

工作面覆巖裂隙發(fā)育程度隨開采不斷提高，所形成的裂隙將是引發(fā)工作面涌水的主要通道。開采結(jié)束后模型表明覆巖裂隙發(fā)育分布如圖5所示，模型表面觀測(cè)的裂隙延伸高度為98 m。綜合以上可知，模型內(nèi)部裂隙延伸高度的3D鉆孔電視監(jiān)測(cè)結(jié)果、模型表面覆巖裂隙最大高度與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?者基本一致。經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值也反映出導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨绕?，?3.83 m(偏小約4.26%)。由于誤差在5%以內(nèi)，基本可以接受。為提高計(jì)算結(jié)果的精確性，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育程度，將計(jì)算值適當(dāng)加大。根據(jù)上述相似模擬實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的覆巖破裂高度及范圍，有助于確定合理的保水開采措施，為后期工作面涌水特征分析提供了依據(jù)。

圖5 模型垮落分布特征

3 頂板來(lái)壓與覆巖裂隙導(dǎo)水聯(lián)合分析

3.1 三軟煤層礦壓顯現(xiàn)實(shí)測(cè)分析

通過(guò)對(duì)1303綜放工作面開采期間(2015年1—3月)支架壓力的實(shí)時(shí)記錄，分析工作面全范圍內(nèi)的礦壓分布規(guī)律，探討工作面覆巖裂隙發(fā)育導(dǎo)水的特征，保障工作面安全快速推進(jìn)與保水方案的制定。根據(jù)支架壓力監(jiān)測(cè)數(shù)值繪制了工作面支架壓力分布與覆巖裂隙導(dǎo)水量聯(lián)合分析圖(圖6)，可看出,工作面支架的工作狀態(tài)、礦壓顯現(xiàn)的區(qū)域及裂隙導(dǎo)水的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與水量，為準(zhǔn)確地判定工作面來(lái)壓時(shí)間與位置及來(lái)壓強(qiáng)度提供了可視化。

1303綜放工作面采用ZF10000/20/32型低位放頂煤液壓支架，初撐力31.4 MPa。2015-01-01—31，1303綜放工作面已經(jīng)進(jìn)入正常生產(chǎn)，平均推進(jìn)112.5 m。從圖6可以看出1303綜放工作面1月份支架壓力除少部分支架未達(dá)到初撐力外，大部分支架壓力均在30 MPa以上，反映出支架的支護(hù)狀態(tài)較好，較高的支撐力能夠及時(shí)的控制頂板，支架能夠適應(yīng)本工作面的開采。部分支架壓力較大，超過(guò)了40 MPa，表明工作面來(lái)壓強(qiáng)度較高，超過(guò)40 MPa的支架主要是40～60號(hào)支架與80～110號(hào)支架。

2015-02-01—28，1303綜放工作面已經(jīng)進(jìn)入正常生產(chǎn)，平均推進(jìn)39.8 m。在此期間工作面中大部分支架壓力均在30 MPa以上，部分支架壓力較大，超過(guò)了40 MPa，仍是位于紅色區(qū)域中的40～60號(hào)支架與80～110號(hào)支架。

3月份1303綜放工作面支架壓力分布與1，2月較為相似的是：40～60號(hào)支架與80～110號(hào)支架仍是壓力集中區(qū)，且3月份壓力分布中25～30 MPa的分布面積偏多，反映出工作面部分支架的支撐力未達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化。特別是在工作面下順槽附近的5～30號(hào)支架，整體壓力均較小，與2月份類似。

根據(jù)對(duì)1303綜放工作面2015年1—3月支架壓力的分布特征，認(rèn)為在工作面中存在兩個(gè)較為明顯的壓力集中區(qū)：1區(qū)和2區(qū)(圖6中的藍(lán)色框內(nèi))。在上述2個(gè)區(qū)域中支架壓力均較大，特別是2區(qū)，支架壓力值基本在35 MPa以上，且擁有相當(dāng)數(shù)量的紅色區(qū)域(40～45 MPa)，表明該區(qū)域壓力較大，部分支架的壓力已達(dá)到額度工作阻力。1區(qū)主要范圍是80～110號(hào)支架，2區(qū)范圍是40～60號(hào)支架。根據(jù)支架壓力的分布特征，可以將1303工作面的礦壓顯現(xiàn)1區(qū)看做是工作面中上部的來(lái)壓集中顯現(xiàn)區(qū)，2區(qū)是工作面中下部頂板壓力集中顯現(xiàn)區(qū)。

圖6 1303綜放工作面支架壓力與覆巖裂隙導(dǎo)水量

3.2 工作面覆巖裂隙導(dǎo)水特征

為掌握工作面覆巖破斷與涌水間的關(guān)系，給出了1303工作面覆巖裂隙的導(dǎo)水情況(表2)。由于2014年的支架壓力未觀測(cè)到，前2次工作面導(dǎo)水不做分析。結(jié)合工作面支架壓力變化與導(dǎo)水量、時(shí)間綜合分析(圖6)，以2015-01-28日裂隙導(dǎo)水為例，70～124號(hào)架范圍內(nèi)導(dǎo)水時(shí)90～100號(hào)支架間壓力超過(guò)40 MPa，1區(qū)80～110號(hào)支架的壓力普遍較大，基本在35 MPa以上，可以判斷出該處頂板已垮落，正處于來(lái)壓期間?；卷?shù)钠茢嗫迓涫沟蒙细哺羲畬右喟l(fā)生破斷，裂隙發(fā)育，進(jìn)而引發(fā)該區(qū)域的導(dǎo)水現(xiàn)象。

2015-02-06—11間1～26號(hào)支架導(dǎo)水時(shí)，2區(qū)內(nèi)40～60號(hào)支架壓力較大，且部分支架壓力超出40 MPa時(shí)，可以推斷頂板正在來(lái)壓或者頂板即將來(lái)壓，導(dǎo)致2區(qū)40～60號(hào)支架頂板巖層發(fā)生彎曲、斷裂、垮落，將覆巖載荷傳遞于支架。覆巖的運(yùn)移及斷裂行為發(fā)生過(guò)程是導(dǎo)水裂隙產(chǎn)生的直接誘因。隨著覆巖破斷高度延伸至上覆含水層，在煤層傾角平均為9°的作用下，上覆含水層中的水將通過(guò)破斷處沿工作面傾斜方向潰至工作面下部。因此在工作面1～26號(hào)架處出水且出水量較大(60 m3/h以上)，推測(cè)是由于2區(qū)頂板來(lái)壓導(dǎo)致基本頂斷裂，引發(fā)覆巖裂隙上行至含水層，含水層內(nèi)的水潰至工作面所致[19]。

表2 1303工作面覆巖裂隙導(dǎo)水記錄

Table 2 Records of overlying rock fissure conductive water from 1303 working face

時(shí)間推進(jìn)距離/m裂隙導(dǎo)水顯現(xiàn)位置2014-08-1239.51～3號(hào)支架2014-12-23438.320～35號(hào)支架2015-01-28578.470～124號(hào)支架2015-02-06584.41～26號(hào)支架2015-02-08590.41～26號(hào)支架2015-02-111～26號(hào)支架2015-04-0267734～56號(hào)支架

綜放工作面支架壓力與覆巖裂隙導(dǎo)水量聯(lián)合分析(圖6)顯示，在3月24日以前，工作面導(dǎo)水量較多，基本在40 m3/h以上，與之相對(duì)應(yīng)的是工作面支架壓力也偏高。統(tǒng)計(jì)表明，在圖6的開采期間內(nèi)，1區(qū)(80～110號(hào))支架壓力在40～45 MPa范圍內(nèi)的出現(xiàn)49次；2區(qū)(40～60號(hào))支架壓力在40～45 MPa范圍內(nèi)的出現(xiàn)56次?？梢钥闯?，雖然1區(qū)涵蓋支架數(shù)量多(30架)，但支架整體承受壓力峰值的頻度小于2區(qū)，顯示出2區(qū)范圍內(nèi)的支架整體承受較大的壓力。在該處頂板達(dá)到彎曲極限時(shí)即發(fā)生斷裂，在導(dǎo)致頂板來(lái)壓的同時(shí)也引發(fā)上覆西山窯組上段弱含水層組Ⅳ內(nèi)的水體下泄，即導(dǎo)致2區(qū)40～60號(hào)支架位置頂板出水，促發(fā)工作面導(dǎo)水量增加。

將工作面裂隙導(dǎo)水顯現(xiàn)位置、水量與支架壓力綜合分析得出：圖6所示的支架壓力整體分布反映出1區(qū)和2區(qū)是頂板沿傾向破斷的主要位置，覆巖破斷位置對(duì)應(yīng)于工作面2—3月份導(dǎo)水位置與導(dǎo)水量。工作面支架壓力分布與導(dǎo)水位置及導(dǎo)水量存在一定關(guān)系。工作面導(dǎo)水存在間歇性的特征，水量伴隨工作面支架壓力的增加而加大，實(shí)質(zhì)上是頂板來(lái)壓導(dǎo)致覆巖斷裂引發(fā)導(dǎo)水裂隙上行延伸至含水層。驗(yàn)證了工作面導(dǎo)水量的間歇性特點(diǎn)與支架壓力變化相關(guān)。

在2015-04-02T5:23，工作面33～53號(hào)支架架后采空區(qū)覆巖裂隙導(dǎo)水，導(dǎo)水強(qiáng)度約270 m3/h，此次覆巖裂隙導(dǎo)水具有突然性、初始導(dǎo)水量大的特點(diǎn)，為建礦以來(lái)所罕見。分析得出，4月2日出現(xiàn)的覆巖下來(lái)裂隙導(dǎo)水現(xiàn)象恰好處于上述研究提出的壓力集中2區(qū)，推測(cè)是由于頂板垮落誘發(fā)上覆巖層破斷，上部含水層潰水促使導(dǎo)水的位置處在工作面中下部頂板壓力集中顯現(xiàn)區(qū)(2區(qū))的位置。這表明相似模擬實(shí)驗(yàn)和理論分析得出的覆巖破壞高度正確，隨著工作面的開采裂隙延伸至上覆含水層，工作面周期來(lái)壓導(dǎo)致頂板破裂進(jìn)一步誘發(fā)工作面覆巖裂隙導(dǎo)水。考慮到煤層平均9°的傾角，結(jié)合2區(qū)范圍內(nèi)的支架整體承受較大的壓力，引發(fā)覆巖斷裂形成的導(dǎo)水裂隙發(fā)育程度要大于1區(qū)，因此判斷2區(qū)覆巖裂隙導(dǎo)水的幾率要大于1區(qū)。

建議1303工作面提前疏放上覆含水層以及老窯積水，從根本上降低工作面來(lái)壓期間的裂隙導(dǎo)水量，并加大排水力度，避免巷道圍巖受裂隙導(dǎo)水影響而強(qiáng)度下降。在1303工作面的開采實(shí)踐中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)兩個(gè)壓力集中區(qū)(1區(qū)和2區(qū))的監(jiān)測(cè)，尤其是2區(qū)，密切關(guān)注架后頂板垮落情況與工作面淋水量變化，加強(qiáng)工作面中上部與中下部的頂板監(jiān)測(cè)、工作面的超前排水工作，同時(shí)根據(jù)支架壓力變化及時(shí)的給出來(lái)壓預(yù)警與裂隙導(dǎo)水預(yù)測(cè)。

4 結(jié) 論

(1)工作面頂板垮落帶高度為20 m。工作面超前影響范圍隨開采范圍增大而增加，最終穩(wěn)定于40 m。3D鉆孔電視合成的鉆孔內(nèi)壁破裂剖面揭示出1號(hào)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育到98 m，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)上側(cè)頂板裂隙逐漸有所閉合，導(dǎo)水?dāng)嗔褞p小至96 m。2號(hào)鉆孔監(jiān)測(cè)到導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育到94 m。與理論計(jì)算結(jié)果(93.83 m)基本一致，確定出導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?8 m。

(2)將1303綜放面工作面劃分為兩個(gè)較為明顯的壓力集中區(qū)：1區(qū)(80～110號(hào)支架)和2區(qū)(40～60號(hào)支架)。在上述兩個(gè)區(qū)域中支架壓力均較大，其中1區(qū)是工作面中上部的來(lái)壓集中顯現(xiàn)區(qū)，2區(qū)是工作面中下部頂板壓力集中顯現(xiàn)區(qū)。

(3)工作面裂隙導(dǎo)水量、導(dǎo)水位置與支架壓力變化相關(guān)。綜放工作面開采形成的裂隙逐漸向上延伸，周期來(lái)壓導(dǎo)致的頂板巖層破裂進(jìn)一步誘發(fā)覆巖裂隙延伸至上覆含水層，揭示了工作面開采過(guò)程中支架間出水是由于頂板垮落誘發(fā)覆巖裂隙上行至含水層所致。

(4)工作面中下部頂板壓力集中顯現(xiàn)區(qū)(2區(qū))范圍內(nèi)的覆巖裂隙發(fā)育程度較高，該區(qū)覆巖裂隙導(dǎo)水幾率大于1區(qū)。建議1303工作面提前疏放上覆含水層以及老窯積水的同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)2區(qū)的監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注該區(qū)域架后頂板垮落情況與工作面淋水量變化，給出來(lái)壓預(yù)警與覆巖裂隙導(dǎo)水可能性預(yù)測(cè)。

[1] 錢鳴高,繆協(xié)興,許家林,等.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003:18-20. Qian Minggao,Miao Xiexing,Xu Jialin,et al.Key strata theory in ground control[M].Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,2003:18-20.

[2] 李樹剛,錢鳴高,石平五.綜放開采覆巖離層裂隙變化及空隙滲流特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000,19(5):604-607. Li Shugang,Qian Minggao,Shi Pingwu.Study on bed-separated fissure of overlying stratum and intersice permability in fully-mechanized top coal caving[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2000,19(5):604-607.

[3] 柴敬,趙文華,李毅,等.采場(chǎng)上覆巖層沉降變形的光纖檢測(cè)實(shí)驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(1):55-60. Chai Jing,Zhao Wenhua,Li Yi,et al.FBG monitoring test on settlement deformation of overlaying strata in similar models[J].Journal of China Coal Society,2013,38(1):55-60.

[4] 周光華,伍永平,來(lái)紅祥,等.覆沙層下大采高工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(2):129-134. Zhou Guanghua,Wu Yongping,Lai Hongxiang,et al.Overlying strata movement regularity in large mining height working face under sand covering layer[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology,2014,34(2):129-134.

[5] 繆協(xié)興,王安,孫亞軍,等.干旱半干旱礦區(qū)水資源保護(hù)性采煤基礎(chǔ)與應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(2):217-226. Miao Xiexing,Wang An,Sun Yajun,et al.Research on basic theory of mining with water resources protection and its application arid and semi-arid mining areas[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(2):217-226.

[6] 黃慶享.淺埋煤層保水開采隔水層穩(wěn)定性的模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(5):987-992. Huang Qingxiang.Simulation of clay aquifuge stability of water conservation mining in shallow-buried coal seam[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(5):987-992.

[7] 范立民,馬雄德,冀瑞君.西部生態(tài)脆弱礦區(qū)保水采煤研究與實(shí)踐進(jìn)展[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(8):1711-1717. Fan Limin,Ma Xiongde,Ji Ruijun.The progress of research and engineering practice of water-preserved coal mining in western eco-environment frangible area[J].Journal of China Coal Society,2015,40(8):1711-1717.

[8] 范鋼偉,張東升,馬立強(qiáng).神東礦區(qū)淺埋煤層開采覆巖移動(dòng)與裂隙分布特征[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,40(2):196-201. Fan Gangwei,Zhang Dongsheng,Ma Liqiang.Overburden movement and fracture distribution induced by longwall mining of the shallow coal seam in the Shendong coalfield[J].Journal of China University of Mining & Technology,2011,40(2):196-201.

[9] 王雙明,黃慶享,范立民,等.生態(tài)脆弱礦區(qū)含(隔)水層特征及保水開采分區(qū)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(1):7-14. Wang Shuangming,Huang Qingxiang,Fan Limin,et al.Study on overburden aquclude and water protection mining regionazation in the ecological fragile mining area[J].Journal of China Coal Society,2010,35(1):7-14.

[10] 王金華.特厚煤層大采高綜放開采關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(12):2089-2098. Wang Jinhua.Key technology for fully-mechanized top coal caving with large mining height in extra-thick coal seam[J].Journal of China Coal Society,2013,38(12):2089-2098.

[11] 王家臣.厚煤層開采理論與技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2009. Wang Jiachen.The theory and technique on the thick coal seams mining[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2009.

[12] 張東升,劉洪林,范鋼偉,等.新疆大型煤炭基地科學(xué)采礦的內(nèi)涵與展望[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2015,32(1):1-6. Zhang Dongsheng,Liu Honglin,Fan Gangwei,et al.Connotation and prospection on scientific mining of large Xinjiang coal base[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2015,32(1):1-6.

[13] 張東升,范鋼偉,張帥,等.巨厚沖基層薄基巖綜放開采覆巖移動(dòng)規(guī)律[J].煤炭工程,2014,46(10):146-153. Zhang Dongsheng,Fan Gangwei,Zhang Shuai,et al.Overburden strata movement law of fully mechanized top coal caving mining face under ultra thick alluvium and thin base rock[J].Coal Engineering,2014,46(10):146-153.

[14] 喬偉,黃陽(yáng),袁中幫,等.巨厚煤層綜放開采頂板離層水形成機(jī)制及防治方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(10):2076-2084. Qiao Wei,Huang Yang,Yuan Zhongbang,et al.Formation and prevention of water inrush from roof bed sepration with full-mechanized caving mining of ultra thick coal seam[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(10):2076-2084.

[15] 浦海,聶韜譯.考慮閉合效應(yīng)下基于曲線擴(kuò)展路徑的劈裂模型研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2015,32(5):414-419. Pu Hai,Nie Taoyi.Research on splitting model based on curve propagation path involving closure effect[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2015,32(5):414-419.

[16] Ma Liqiang,Jin Zhiyuan,Liang Jimeng,et al.Simulation of water resource loss in short-distance coal seams disturbed by repeated mining[J].Environmental Earth Sciences,2015,74(7):5653-5662.

[17] Zhang Wei,Zhang Dongsheng,Wu Lixin,et al.The processes of three natural decay series in underground strata and their common characteristics[J].Electronic Journal of Geotechnical Engineering,2016,21(2):709-720.

[18] 來(lái)興平,王春龍,單鵬飛,等.采動(dòng)覆巖破壞演化特征模型實(shí)驗(yàn)與分析[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,36(2):151-156. Lai Xingping,Wang Chunlong,Shan Pengfei,et al.Model experiment and analysis on failure evolution characteristics of mining overburden strata[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology,2016,36(2):151-156.

[19] 馮啟言,周來(lái),楊天鴻.煤層頂板破壞與突水實(shí)例研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2007,24(1):17-21. Feng Qiyan,Zhou Lai,Yang Tianhong.A case study of rock failure and water inrush from the coal seam roof[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2007,24(1):17-21.

Analysis on characteristics of overlying rock caving and fissure conductive water in top-coal caving working face at three soft coal seam

LAI Xing-ping1,2,CUI Feng1,2,CAO Jian-tao1,2,Lü Zhao-hai1,KANG Yan-lei3

(1.EnergySchool,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;2.KeyLaboratoryofWesternMinesandHazardPreventionofChinaMinistryofEducation,Xi’an710054,China;3.StateGridEnergyHamiCoalandElectricityCorporationLtd.,Hami839000,China)

With the specimens obtained from the Dananhu Coal Mine,according to the comprehensive analysis and determination of engineering geological conditions and the physical and mechanics parameters of coal-rock in three soft coal seam from Dananhu No.1 coal mine,a physical simulation model experiment has been built to analyze the moving law of surrounding-rock and the disturbed height of overburden stratum in the fully-mechanized top-coal caving working face.The relationship between the measured resistance of field support and the position and water volume of overlying rock fissure conductive water is explored.The results show that the roof caving zone height at 1303 working face is 20 m,both the heights of fissure conductive water obtained by the observation of surface crack extension height on the model and revealed by 3D borehole TV synthetic borehole profile are 98 m,which is consistent with the empirical formula.The advance-disturbance scope expands with the increase of mining area,and eventually tends to be stable.The 1303 working face is divided into two parts of the pressure concentration(No.1 area and No.2 area).The volume and position of fissure conductive water are related to support pressure change,the position of overlying rock fissure conductive water has bigger chance in the middle and lower part of working face(No.2 area).The authors suggest the overlying aquifer and gob water in the 1303 working face should be drained in advance,meanwhile,strengthen the detection of two pressure concentration areas,especially the No.2 area.The roof failure and volume changes of water-drawing should be paid more attention,giving the immediate strata behavior warning and prediction of fissure conductive water position and volume.

soft roof-coal-floor coal seam;overlying rock caving;strata behavior;fissure conductive water

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5022

2016-10-08

2016-11-22責(zé)任編輯:張曉寧

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2015CB251600)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51504184)

來(lái)興平(1971—)，男，寧夏平羅縣人，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：laixp@xust.edu.cn

TD322

A

0253-9993(2017)01-0148-07

來(lái)興平，崔峰，曹建濤，等.三軟煤層綜放工作面覆巖垮落及裂隙導(dǎo)水特征分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(1):148-154.

Lai Xingping,Cui Feng,Cao Jiantao,et al.Analysis on characteristics of overlying rock caving and fissure conductive water in top-coal caving working face at three soft coal seam[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):148-154.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5022