陳玉嬌

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 云崗礦，山西 大同 037000）

云崗礦在工作面掘進(jìn)過(guò)程中，煤層上覆的含水層會(huì)經(jīng)過(guò)巖層裂隙帶流入礦井中，在水量較大時(shí)，可能會(huì)發(fā)生淹井事故，因此，礦井出現(xiàn)突水的關(guān)鍵是導(dǎo)水裂隙帶是否發(fā)育，要正確預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，以確保礦井正常開(kāi)采。

1 水文地質(zhì)概況

云崗礦現(xiàn)開(kāi)采的410 盤區(qū)51041 工作面，煤層厚度為5 m，根據(jù)鉆孔和探勘線剖面結(jié)果，鉆孔數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。煤層上覆主要含水層是侏羅系直羅組下段砂巖含水層，裂隙水資源豐富，煤層上覆的厚度為30.43 m，煤層?xùn)|部和南部的厚度在40 m 以下，煤層北部的厚度在100 m 以上。由于煤層的水文地質(zhì)條件復(fù)雜，上覆含水層補(bǔ)給水資源，煤層有較強(qiáng)的富水性，屬于中等富水的含水層。煤層的主要隔水層巖性是深灰色、灰黑色泥巖，夾雜少量的細(xì)砂巖，透水性能較弱，煤層?xùn)|部和南部開(kāi)采后，礦井受侏羅系直羅組下段含水層的影響比較大，在工作面回采期間，出現(xiàn)大大小小的突水事故7 次，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。

表1 鉆孔水文地質(zhì)條件數(shù)據(jù)Table 1 Drilling hole hydrogeological condition data

2 數(shù)值模擬

根據(jù)各鉆孔的巖層厚度和物理參數(shù)（物理參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告獲得），巖石破壞準(zhǔn)則采用摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，建立FLAC3D 地質(zhì)數(shù)值模擬模型，模型的長(zhǎng)寬高分別為500、450 和137 m，工作面的寬度為250 m，模擬長(zhǎng)度為300 m，整個(gè)模型有20 250 個(gè)單元，22 724 個(gè)節(jié)點(diǎn)，在模擬掘進(jìn)之前，對(duì)模型左右兩側(cè)設(shè)計(jì)X 方向邊界約束條件，對(duì)模型前后兩側(cè)設(shè)計(jì)Y 方向邊界約束條件，對(duì)模型底部設(shè)計(jì)X、Y、Z 方向的邊界約束條件，生成初始應(yīng)力場(chǎng)。

沿X 正方向向前掘進(jìn)，每次掘進(jìn)20 m，從X為100 m 開(kāi)始掘進(jìn)，在達(dá)到平衡后，進(jìn)行下一次掘進(jìn)，共掘進(jìn)300 m，分15 步進(jìn)行。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度模擬過(guò)程如圖1 所示。

圖1 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育過(guò)程Fig.1 Water conduction fracture zone development process

在掘進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)塑性分布圖來(lái)確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，在工作面推進(jìn)40 m 內(nèi)，僅有煤層上覆的直接頂出現(xiàn)冒落，破壞高度約1 m；在工作面推進(jìn)到60 m，基本頂出現(xiàn)垮落，塑性破壞區(qū)高度約3 m，采空區(qū)中間部位底部出現(xiàn)拉張，工作面初次來(lái)壓；在工作面推進(jìn)到120 m，塑性破壞區(qū)高度約5 m；在工作面推進(jìn)到140 m，煤層頂板的塑性破壞區(qū)高度達(dá)到9 m，破壞高度達(dá)從巖層底部到達(dá)巖層的中部；在工作面推進(jìn)到160 m，頂板的塑性破壞區(qū)高度達(dá)13 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育到到巖層頂部；在工作面推進(jìn)到180 m，頂板的塑性破壞區(qū)高度達(dá)37 m，頂板巖層破斷；在工作面推進(jìn)到200 m，頂板的塑性破壞區(qū)高度達(dá)50 m，隨著工作面不斷推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度基本穩(wěn)定在50 m，也就是說(shuō)工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大為50 m，結(jié)合煤層厚度，得到裂采比為11.3。

3 煤層頂板冒裂安全性分區(qū)

3.1 導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算

根據(jù)云崗礦的鉆孔資料以及巖石的力學(xué)參數(shù)，依照規(guī)程中的厚煤層分層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度公式，計(jì)算煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度：

式中：Hli是導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，m；Σm 是煤層的累計(jì)開(kāi)采厚度，m。

煤層的累計(jì)開(kāi)采厚度為6.46 m，通過(guò)上述公式，計(jì)算出煤礦開(kāi)采后煤層導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為43 m。

3.2 冒裂安全性分區(qū)預(yù)測(cè)

將煤層到含水層的距離和巖層裂隙帶發(fā)育高度兩者求差，作為頂板冒裂安全性分區(qū)預(yù)測(cè)依據(jù)。如果差值大于0，則導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度不導(dǎo)通含水層，水不會(huì)流入礦井中；如果差值小于0，則導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度導(dǎo)通含水層，水會(huì)流入礦井中，發(fā)生突水危險(xiǎn)。采用井下仰孔分段注水鉆孔探測(cè)法來(lái)研究，煤層開(kāi)采后，實(shí)際導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為45.88 m，裂采比為12.5，得到導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育預(yù)測(cè)高度等值線圖，如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)水裂隙帶預(yù)測(cè)發(fā)育高度等值線圖Fig.2 Prediction development height contour of water conduction fracture zone

從圖中可以看出，整個(gè)區(qū)域分布比較明顯，呈南低北高趨勢(shì)，井田南部的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度在45～55 m，西北部的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度較高，可達(dá)120.21 m，可見(jiàn)，井田北部出現(xiàn)突水的危險(xiǎn)性較高。

4 應(yīng)用分析

對(duì)云崗礦410 盤區(qū)51041 工作面煤層的頂板冒裂安全性分區(qū)預(yù)測(cè)，考慮礦井的實(shí)際開(kāi)采問(wèn)題，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將差值小于0 的區(qū)域劃分為突破區(qū)，即危險(xiǎn)區(qū)，將差值大于0 的區(qū)域劃分為未突破區(qū)，即安全區(qū)，繪制出煤層頂板冒裂安全性分區(qū)圖，如圖3所示。

圖3 頂板冒裂安全性分區(qū)圖Fig.3 Roof crack safety zoning

從圖3 可以看出，煤層的頂板冒裂危險(xiǎn)區(qū)主要集中在井田的西一盤區(qū)和北二盤區(qū)，約8.5 km2的危險(xiǎn)區(qū)域，煤層容易受到含水層的危險(xiǎn)，發(fā)生突水事故，井田從北到南，安全性逐漸增大，井田的南部相對(duì)于其他區(qū)域有較高的安全性。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)云崗礦開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)的頂板冒裂、導(dǎo)水層裂隙帶發(fā)育等現(xiàn)象，以410 盤區(qū)51041 工作面為研究對(duì)象，建立工作面的數(shù)值仿真模型，工作面推進(jìn)60 m 時(shí)，頂板初次來(lái)壓，推進(jìn)至200 m 時(shí)，導(dǎo)水層裂隙帶發(fā)育最大高度為50 m，裂采比為11.3。將煤層到含水層的距離和巖層裂隙帶發(fā)育高度的高度差作為頂板冒裂安全性分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際情況得出，煤層的頂板冒裂危險(xiǎn)區(qū)主要集中在井田的西一盤區(qū)和北二盤區(qū)，約8.5 km2的危險(xiǎn)區(qū)域，井田的南部相對(duì)于其他區(qū)域有較高的安全性。