＊王星瑤

（晉能控股煤業(yè)集團同忻煤礦山西有限公司 山西 037000）

煤礦開采過程中，防治水工作一直是煤礦安全的必要環(huán)節(jié)之一，其中工作面導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律是煤礦預測礦井水害發(fā)生的關(guān)鍵參數(shù)，故掌握工作面覆巖導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律對于存在水害風險的礦井尤為重要。

對于導水裂隙發(fā)育規(guī)律的獲取，煤礦科研工作者們進行了大量研究，方法大致可分為：理論經(jīng)驗公式、模擬仿真以及現(xiàn)場工程測量三種手段。李博等針對采用多元回歸分析的方法計算得出更加貼近現(xiàn)場經(jīng)驗公式的理論計算方法。來興平等針對厚松散層下三軟煤層工作面上方導水裂隙發(fā)育問題，采用了物理模擬、仿真計算、公式推導以及工業(yè)性驗證等多元方法得出科學可靠的現(xiàn)場開采參數(shù)。李超峰基于三次函數(shù)多項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)驗預測公式，提高了預測公式的精確程度。由此可見，要精確地獲取、預測工作面導水裂隙發(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)條件復雜，為加強對井田內(nèi)上部侏羅系礦井老空區(qū)內(nèi)突水情況的預測，保證工作人員井下工作環(huán)境的安全可靠，采用多元手段、因地制宜地獲取導水裂隙發(fā)育情況是現(xiàn)階段煤礦安全的發(fā)展趨勢，本文就同忻煤礦8204工作面頂板存在老空區(qū)問題，結(jié)合理論計算、數(shù)值仿真以及現(xiàn)場實測等多種手段，得出工作面導水裂隙相關(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、準確的參考，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工作面北接未開采煤體，南接第二盤區(qū)的膠帶、運輸、回風三條大巷，西部為未開采煤體、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體煤層，部分對應區(qū)域為采空區(qū)，且層間距為165～181m，相對較近，且存在積水問題。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)無大面積積水。針對上覆侏羅系采空區(qū)共計施工探放水孔20個，正在施工中，出水鉆孔8個，累計疏放上覆采空區(qū)積水2000m3，現(xiàn)階段針對上方采空區(qū)內(nèi)積水排放問題初步已經(jīng)解決，采空區(qū)內(nèi)水預計已經(jīng)無法對煤礦正常安全生產(chǎn)造成影響。但不排除局部低洼處仍有殘留積水，故精確獲取導水裂隙發(fā)育規(guī)律有很高的實際意義。

2.導水裂隙帶高度公式計算

(1)規(guī)程中導水裂隙帶高度公式計算

經(jīng)過大量的現(xiàn)場實際測量匯總以及國家相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜铱偨Y(jié)得出針對煤炭資源開采相關(guān)《規(guī)程》中包含了以頂板巖石物理力學特征為主導因素的導水裂隙帶計算公式見表1，根據(jù)同忻煤礦煤層頂板巖性及強度可知，類型為堅硬，公式選擇為：

表1 巖石性質(zhì)為主導因素的導高經(jīng)驗公式

式中，Hli為根據(jù)經(jīng)驗預測實際導高，m；M為煤開采的實際厚度，m。

兩個不同煤系采區(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，得出實際導高為69.7～87.5m，遠小于兩采區(qū)之間距離。

(2)綜放導水裂隙帶高度公式計算

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

帶入煤層厚度最大值27.55m，得出導水裂隙帶高度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)過長時間的煤礦開采活動產(chǎn)生的覆巖導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)的礦井水災害。上部巖石中含水層水量較低，無法造成大規(guī)模礦井突水事件，但上層采空區(qū)中水量充足，如不及時疏導，可能會導致煤礦安全事故發(fā)生。在生產(chǎn)過程中要隨時注意對采空區(qū)積水的探查，生產(chǎn)時必須抽排掉，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)場條件，采用FLAC3D軟件構(gòu)建數(shù)值計算模型，將地層物理力學參數(shù)相應帶入并建立模型。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，煤層傾角對其影響較小，因此，將該采區(qū)巖層簡化為水平。本構(gòu)模型采用莫爾-庫侖破壞準則，共建立181440個單元和191552個節(jié)點。

(2)推進距離對導水裂隙發(fā)育的影響

設(shè)置推進距離觀測方案分別為60m、120m、180m、240m。通過數(shù)值模擬仿真軟件模擬現(xiàn)場煤層開采過程，并在相對應的時刻，得出推進距離因素影響下，采場覆巖應力及塑性區(qū)分布規(guī)律，如圖1所示，研究不推進距離因素影響下煤層開采覆巖導水裂隙帶應力-塑性區(qū)環(huán)境可知。

圖1 推進過程采場覆巖應力-塑性區(qū)云圖

①工作面不同開采長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在工作面推進過程中，采場的變形破壞強烈程度往往邊界要高于中心位置。這是覆巖垮落過程中中心位置應力會轉(zhuǎn)移到邊界使其應力集中，導致邊界位置裂隙發(fā)育以及圍巖破壞情況最明顯。

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

4.工程實踐

為驗證理論數(shù)值的正確性，在同忻煤礦8204工作面采用了實際測量的方式來確保導水裂隙帶高度的正確性，現(xiàn)場采用鉆孔沖洗液漏失量的方法來實際獲取導高數(shù)據(jù)。在工作面推進距離為60m、120m、180m、240m時布置4個測站A1、A2、A3、A4對應上述方案，具體參數(shù)如圖2。

圖2 推進距離與導高之間的關(guān)系

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