近距离煤层采后覆岩导水裂隙带高度数值模拟研究＊

仇圣华 曹福辉 杨志锡 刘 猛 郑景龙 种欲伟

（1.上海应用技术学院城市建设与安全工程学院，上海市奉贤区，201418）（2.山东丰源远航煤业有限公司，山东省滕州市，277518）

近距离煤层采后覆岩导水裂隙带高度数值模拟研究＊

仇圣华1曹福辉2杨志锡1刘 猛2郑景龙2种欲伟2

（1.上海应用技术学院城市建设与安全工程学院，上海市奉贤区，201418）（2.山东丰源远航煤业有限公司，山东省滕州市，277518）

山东赵坡煤矿为安全开采煤炭资源，采用经验公式预计和计算机数值模拟方法，分别研究了单独开采12下＃煤层后及全采12下＃煤层、14＃煤层两近距离煤层后覆岩导水裂隙带高度。采用经验公式计算出的两值分别为33.7 m和41.2 m；采用计算机模拟方法计算出的两值分别为35.6 m、41.7m。两种计算方法所得结果基本一致。

近距离煤层 导水裂隙带高度 数值模拟 覆岩破坏 “三带”高度

1 工程概况

山东赵坡煤矿于1994年12月正式投产，设计生产能力30万t/a，现核定生产能力69万t/a。采用立井开拓方式、走向长壁采煤法采煤，全部垮落法管理顶板。该矿主采煤层有9＃、12下＃、14＃、15上＃、16＃、17＃煤层。其中9＃煤层、12下＃煤层的顶板均为五灰岩，底板分别为泥岩、砂岩互层与八灰岩；14＃煤层的顶板主要是八灰岩，底板为泥岩、砂岩互层；15上＃煤层的顶板主要是九灰，底板为粉细泥灰煤互层；16＃煤层、17＃煤层的顶板分别是十下灰岩、十一灰，底板为泥质、粉砂岩互层。各可采或局部可采煤层的厚度、层间距及煤层结构等情况见表1。

目前，该矿已开采12下＃、14＃煤层。煤层采后覆岩要发生破坏、位移，出现冒落带、裂隙带和弯曲带，简称“三带”。冒落带和裂隙带称为导水裂隙带。为科学预测该矿在12下＃、14＃煤层开采后覆岩破坏导水裂隙带的高度，现对其开展数值模拟研究。

表1 可采煤层特征一览表

2 煤层开采后覆岩导水裂隙带高度的预计

2.1 煤层开采后覆岩冒（垮）落带高度

赵坡煤矿12下＃、14＃煤层为单一煤层开采，其中12下＃煤层最大厚度1.89 m，平均厚度1.20 m，规划设计破底开采厚度为1.40 m；14＃煤层最大厚度0.95 m，平均厚度0.68 m，规划设计破底开采厚度为1.70 m。根据原国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（以下简称“规程”）中冒（垮）落带最大高度计算的经验公式：

∑M——采厚，m。

对于12下＃煤层，根据式（1），按煤层最大厚度值计算，冒（垮）落带高度6.78±2.2 m；按规划设计破底采厚1.4 m计算，冒（垮）落带高度5.47±2.2 m。

对于14＃煤层，根据式（1），按煤层最大厚度值计算，冒（垮）落带高度4.05±2.2 m；按规划设计破底采厚1.7 m计算，冒（垮）落带高度6.3±2.2 m。

2.2 煤层开采后覆岩导水裂缝带高度

根据《规程》以及煤层开采参数和地质采矿条件，导水裂缝带高度可按下式计算：

式中：HLi——导水裂缝带高度，m；

∑M——采厚，m。

一般地，根据式（2）计算的结果值比根据式（3）计算出的值小。出于安全角度考虑，这里采用式（3）计算。因该矿12下＃、14＃两层煤间距为2.47 m，小于14＃煤层作为单一煤层按规划设计采厚开采的覆岩跨落带高度，故12下＃与14＃两层煤采后导水裂缝带高度需按近距离煤层开采计算。

汤翠没有和他吵，反正时间还早，她有耐心搞清楚侯大同的想法。一千万不可能，可人家真的带着一崭崭钞票来了，你侯大同还能给扔出去？

根据《规程》，近距离煤层开采的综合开采厚度按下式计算：

式中：Mz1－2——综合开采厚度，m；

M1——上层煤采厚，m；

M2——下层煤采厚，m；

h1－2——上下煤之间法线距离，m；

y2——下层煤的冒高与采厚比。

对12下＃煤层按规划设计破底采厚1.4 m计算，根据式（3），其采后覆岩采动导水裂缝带高度HLi为33.7 m。

对14＃煤层按规划设计破底采厚1.7 m计算，根据式（4），近距离煤层12下＃、14＃煤综合开采厚度M12－14为2.43 m。

这样，根据式（3）得近距离煤层12下＃、14＃煤层采后覆岩采动导水裂缝带高度HLi12－14为41.2 m。

3 近距离煤层采后覆岩导水裂隙带高度的数值模拟

3.1 计算机模拟模型的建立

缓倾斜、倾斜煤层开采后，其在倾向方向位移量大于其在走向方向位移量。根据该矿具有代表性的地质剖面图，且以“17－25点”为基点，在水平方向取600 m长，垂直方向取430 m长，建立该矿煤层开采覆岩破坏的计算机模拟计算模型，见图1。

本计算机模拟计算模型按平面应变条件建立，且模型上表面为自由面，侧面可产生垂直方向的变形，底面不产生垂直方向的变形。

图1 计算机模拟计算模型示意图

3.2 回采工作面参数

该矿12下＃、14＃煤层均采用对拉工作面进行开采。其中，回采12下＃煤层时布置的上工作面长80 m，下工作面长75 m；回采14＃煤层时布置的上工作面长85 m，下工作面长80 m。上、下材料巷高2.0 m，宽2.2 m；运输巷高2.0 m，宽2.6 m。上材料巷旁所留护巷煤柱长、宽分别为6 m；护巷硐室宽2 m，长6 m。采厚均为规划设计值。

地层主要物理力学性质指标值如表2所示。

表2 地层物理力学性质指标值

3.3 计算机模拟计算结果

该矿单独开采12下＃煤层后，其覆岩位移计算机模拟计算结果如图2所示；开采近距离煤层12下＃、14＃煤层后，覆岩位移计算机模拟计算结果如图3所示。

由图2可得，按规划设计采厚，单独开采12下＃煤层后冒落带最小2.7 m，最大6.7 m，平均4.7 m，导水裂隙带高度平均值为35.6 m；由图3可得，按规划设计采厚，开采近距离煤层12下＃、14＃煤层后冒落带最小6.4 m，最大8.8 m，平均7.6 m，导水裂隙带高度平均值为41.7 m。

4 两种方法计算结果比较分析

（1）按规划设计采厚，单独开采12下＃煤层时，根据《规程》中经验公式计算得冒落带为5.47±2.2 m，导水裂隙带高33.7 m。

显然，按规划设计开采厚度，单独开采12下＃煤层时，其冒落带高度计算机模拟计算结果平均值比经验公式计算结果平均值减少了0.77 m，其导水裂缝带高度计算机模拟计算结果平均值比经验公式计算结果平均值增加了1.9 m。

（2）按规划设计采厚，开采近距离煤层12下＃、14＃煤层后，根据《规程》经验公式计算冒落带为6.3±2.2 m，导水裂隙带高41.2 m。

显然，按规划设计开采厚度，开采近距离煤层12下＃、14＃煤层后，其冒落带高度计算机模拟计算结果平均值比经验公式计算结果平均值增加了1.3 m，其导水裂缝带高度计算机模拟计算结果平均值比经验公式计算结果平均值增加了0.5 m。

5 结论

（1）采用经验公式计算，按规划设计开采厚度开采12下煤层时，其导水裂隙带高度最大值为33.7 m；按规划设计开采厚度，开采近距离煤层12下＃、14＃煤层后，导水裂隙带高度最大值为41.2 m。

（2）采用计算机模拟方法计算，按规划设计开采厚度开采12下＃煤层时，其导水裂隙带高度最大值为35.6 m；按规划设计开采厚度，开采近距离煤层12下＃、14＃煤层后，导水裂隙带高度最大值为41.7 m。

可见，采用计算机模拟方法、经验公式计算所得导水裂隙带高度最大值基本一致。按规划设计开采厚度、单独开采12下＃煤层与按规划设计开采厚度、开采近距离煤层12下＃与14＃煤层后，上覆岩层冒落带高度、导水裂隙带高度均略有增加。研究成果对该矿井安全开采煤炭资源具有重大的指导作用。

［1］ 王双美.导水裂隙带高度研究方法概述［J］.江苏地质，2006（1）

［2］ 刘保卫.采场上覆岩层“三带”高度与岩性的关系［J］.煤炭技术，2009（8）

［3］ 吕霁，孙世国.特厚煤层综放开采上覆岩层导水裂隙带高度研究［J］.中国煤炭，2010（1）

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［7］ 刘增辉等，利用数值模拟方法确定导水裂隙带发育高度［J］.矿业安全与环保，2006（5）

Numerical simulation on height of water conducted zone in after－mining overlying strata in close－distance coal seams

Qiu Shenghua1，Cao Fuhui2，Yang Zhixi1，Liu Meng2，Zheng Jinglong2，Zhong Yuwei2
（1.College of Urban Construction and Safety Engineering，Shanghai Institute of Technology，Fengxian，Shanghai 201418，China；2.Shandong Fengyuan Yuanhang Coal Co.，Ltd.，Tengzhou，Shandong 277518，China）

In order to achieve the safe mining，Zhaopo Mine applies two methods of empirical formula and numerical simulation to study the height of water conducted zone in after－mining overlying strata in two circumstances including No.12（lower）coal seam is exploited alone，and the close－distance seams of No.12（lower）seam and No.14 seam are completely exploited.The two values of 33.7 m and 41.2 m are obtained from the empirical formula，and 35.6 m and 41.7 m from the numerical simulation.The two results are nearly consistent.

close－distance coal seams，height of water conducted zone，numerical simulation，overlying strata failure，height of"three zones"

TD823

A

上海市教委重点学科项目（J51502）；《安全土木特色建设》项目（405zk090115001）

仇圣华（1967－），男，汉族，2002年毕业于同济大学，获工学博士学位；副教授，高级工程师。现从事地下结构工程及工程管理方面教学与研究工作，公开发表论文20多篇。

（责任编辑 张毅玲）