覆岩导水裂隙带发育高度分析

李彦辉

（河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000）

·试验研究·

覆岩导水裂隙带发育高度分析

李彦辉

（河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000）

以河南某矿31071综采工作面为工程实践背景，分别从经验公式、工程类比、数值模拟三方面研究煤层开采后覆岩导水裂隙带的发育情况。结果表明：采高6 m、9 m时覆岩的“两带”发育高度分别为86 m、135 m，对类似地质条件、水库下采煤提供安全参数等具有重要意义。

开采沉陷；导水裂隙带；数值模拟

1 工作面概况

国投新登郑州煤业有限公司（以下简称新登煤矿）为国投煤炭公司控股的股份制企业，设计生产能力为60万t／年，核定年生产能力为84万t／年，区内地形起伏不平，地势南高北低，西高东低，总体西南高、东北低。地面高程在506．2～229．3 m，相对高差276．9 m，平均坡度约3°46′。

31071 综放工作面开采二1煤层，为+35水平31采区南翼，该工作面位于三水平采区中部，北部为三水平开拓巷，东部为31051采空区，西部为31091采空区，南部为井田边界。31071综采工作面走向长1 121 m，倾斜长128 m，面积143 488 m2，井下标高+35～-28 m，地面标高+467．1 m。该工作面煤层厚度变化较大，在0．9～9 m，平均厚度为6．0 m，煤层倾角在1°～16°，平均倾角为8°。该面回采煤层为二1煤，黑色，金刚光泽，多呈粉状、粒状产出，强度低，视密度1．17～1．42 t／m3，平均1．35 t／m3，真密度1．46 t／m3。煤层局部含少量结核状硫化物，煤层顶、底板附近煤质一般较劣。煤层沉积基本稳定，局部有薄煤带，煤层比较松软。

2 导水裂隙带高度经验公式预计

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》以及新登煤矿的现有资料，冒落带和导水裂隙带高度可按表1、2计算。计采厚不超过15 m。

表1 冒落带高度计算公式表

表2 导水裂隙带高度计算公式表

由于工作面顶板多为砂质泥岩、泥岩和部分砂岩，且根据31071工作面附近钻孔岩层情况算得的覆岩综合评价系数，并参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中岩应关系，31071工作面上覆岩层岩性综合评定为中硬偏软岩层，出于安全考虑，按中硬岩层求取导水裂隙带高度，由于31071工作面煤厚在0．9～9 m，为便于对比分析不同采厚的导水裂隙带高度，特提取平均采高6 m及最大采高9 m作为研究对象，故中硬岩性的冒落带及导水裂隙带高度计算公式分别为：

1）新登煤矿二1煤平均采高6 m，按上式计算冒落带高度如下：

式中：

M—累计采高，m，取6。

代入公式，得：H冒=10．5～14．9 m。

裂隙带高度如下：

式中：

M—累计采高，m，取6。

代入公式，得：H裂=39．9～51．1 m。

采用综采放顶煤技术时，其上覆岩层破坏高度较其它煤层开采方法更为严重，因此，为了安全起见，公式后“±”一律取“+”号（下同）。

所以，冒落带及导水裂隙带高度之和为50．4～66．0 m（取66．0 m）。

2）新登煤矿二1煤最大采高为9 m，按上式计算冒落带高度如下：

式中：

M—累计采高，m，取9。

代入公式，得：H冒=12．5～16．9 m。

式中：

M—累计采高，m，取9。

代入公式，得：H裂=44．4～55．6 m。

所以，冒落带及导水裂隙带高度之和为56．9～ 72．5 m（取72．5m）。

3）按《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB12719～91）规定，导水裂隙带高度（包括冒落带最大高度）计算公式如下（公式适用条件：煤层倾角0～54°、岩石抗压强度40～60 MPa、石灰岩等）：

冒落带最大高度：

导水裂隙带高度（包括冒落带最大高度）：

柳冠中生于1943年，1981年赴德国斯图加特设计学院主攻工业设计，1984年回国后在中央工艺美术学院创办了工业设计系。李乐山生于1945年，1989年赴德国留学，1999年归国任西安交通大学机械学院工业设计系主任。两人年纪相仿，都是20世纪80年代赴德国留学。德国先进的设计教育理念以及严谨务实的设计风格深深地影响了他们，从两人后来的学术观点以及社会实践来看，德国的留学经历对他们的影响是深远且伴随一生的，德式的“严谨务实”成为两人设计思想的主要组成部分，并以此为基础向不同的研究领域深入，这是两人“和而不同”的体现之一。因此，分析柳冠中和李乐山的设计思想时，早期的留学背景不容忽视。

式中：

Hc—冒落带最大高度，m；

Hf—导水裂隙带高度，m；

M—煤层累计采高，m，取平均采高6、最大采高9两种情况；

n—煤分层层数，本次取1。

综上，当采高为6 m时，冒落带最大高度为24～30 m；导水裂隙带高度（包括冒落带）为144．5 m；当采高为9 m时，冒落带最大高度为36～45 m；导水裂隙带高度（包括冒落带）为211．2 m。

3 导水裂隙带高度工程类比预计

1）根据中国矿业大学北京校区郝延锦的《放顶煤开采条件下覆岩移动规律实验研究》，认为随着工作面的推进，采空区上方岩层的“两带”（冒落、裂隙）高度也随之增大，当采空区尺寸达到一定范围时，“两带”（冒落、裂隙）发育高度不再向上发展，随着时间的推移，其高度亦会有所下降，并最终稳定。在若干组模型实验数据的基础上，用回归分析法得出了放顶煤条件下的冒裂带高度与采厚关系式为：

据此公式得出的预计冒落裂隙带高度值与淮南市煤电公司新集矿的实际观测资料相对比，结果是基本一致的，误差在6%以内；并得出“放顶煤条件下的冒裂带高度要比厚煤层分层开采条件下的冒裂带高度大17%左右，而不是线形成倍增长”的结论。

以此公式来预计新登煤矿31071工作面开采平均采高6．0 m、最大采高9．0 m时导致的顶板岩层冒落裂隙带高度分别为71．9 m、87．7 m。

2）根据中国矿业大学孙亚军等《小浪底水库下采煤导水裂隙发育监测与模拟研究》，在厚煤层一次采全高、厚煤层综放开采及快速推进高产高效等采煤新技术情况下，导水裂隙实际发育高度在不同矿区有较大变化范围，一般为煤层采厚的10～22倍。其研究的新安矿主采二叠系山西组二1煤层，煤层厚度为0～18．8m。煤层之上至小浪底库区水体之间为第四系和二叠系土门组、平顶山组、上石盒子组和山西组，岩性主要为砂岩、泥岩和砂质泥岩，厚度为90～210 m。采煤方法是走向长壁后退式开采，一次采全高。

在通过地面钻孔超声波成像观测、并行网络电法CT技术探测等多种手段取得新安矿区“两带”（冒落带、裂隙带）高度发育参数的基础上，采用Origin非线性拟合工具拟合，得出“两带”（冒落带、裂隙带）发育高度的计算公式为：

式中：

m—煤层开采厚度，m；

H—导水裂隙发育高度预测值，m。

考虑到新登煤矿31采区的地质采矿条件与新安矿在小浪底库区水体下的煤层开采具有相似性，可计算出新登矿31采区在放顶煤开采平均采高6．0m、最大采高9．0m时的情况下，导水裂隙带发育高度分别为86．4m、112．45m。

4 导水裂隙带高度数值模拟预计

由于煤层开采上覆岩层的移动变形是一个不可预见的动态过程，不能通过有效的手段对其进行实时监测，而UDEC软件弥补了这个不足，它可以对煤层开采上覆岩层的移动变形进行整体的模拟分析，特别是岩体的局部垮落、分离等。故而UDEC相对其它模拟软件具有很大的优越性。

依据煤层开采经验公式及工程类比冒落带、裂隙带（简称“两带”，下同）资料建立UDEC数值计算模型，分别模拟开采平均采高6m时，工作面推进40 m、80m、120m，以及开采最大采高9m时，工作面推进20m、40m、80m、120m时“两带”的发育情况，其对应的变形破坏图见图1～4。

图1 采高6m时工作面推进40m“两带”高度图

图2 采高6m时工作面推进80m“两带”高度图

图3 采高6m时工作面推进120m“两带”高度图

图4 采高9m时工作面推进120m“三带”高度图

煤层开采后，首先引起直接顶的冒落，随工作面推进到一定距离，基本顶悬露面积逐渐增大，当达到极限跨距时，基本顶开始断裂、失稳。当工作面推进40m时，冒落带已发展到泥岩与细粒砂岩交界面，并在交界面处产生较大离层，冒落高度发展到28m，其裂隙带发育情况已覆盖细粒砂岩岩层，并在一定程度上进入中粒砂岩岩层，离层区域分布在细粒砂岩段比较密集，中粒砂岩段离层区有向上继续发展的趋势。

随工作面推进到80m，“两带”影响区域进一步扩大，采空区底部冒落岩块逐步压实，其中，细粒砂岩下部岩层出现少许冒落情况，其发育高度缓慢增长至约30m；裂隙带继续向上发展，离层区域逐渐增多，此时以完全覆盖细粒砂岩段及中粒砂岩段，并已进入砂质泥岩层。

随工作面推进至120m，“两带”影响区域呈“碗”形分布向两边扩展，采空区冒落岩块进一步压实，其冒落高度出现了一定程度上的回落，最终稳定在28m左右，裂隙带内离层区域分布也逐步稳定，向上发育情况不明显，在水平影响范围上有一定的增加，其最终“两带”高度稳定在86m左右。

当工作面推进至120 m时，冒落、裂隙两带发育趋于稳定，冒落带发育高度分布于泥岩、细粒砂岩、中粒砂岩大部，其高度稳定在45 m左右，裂隙带离层区域则主要分布在中粒砂岩上部以及砂质泥岩大部，较之工作面推进80 m时变化不大，其高度稳定在90 m左右，故“两带”稳定在135 m；弯曲带较之以前有较大发展，主要是随着工作面的推进，其水平影响范围增大。

5 不同预测方法对比情况

通过经验公式预计分析、工程类比分析以及数值模拟预计分析对开采不同煤层采高引起的“两带”高度做了详细阐述，通过对比分析选取研究适用的结果，这在一定程度上弥补了未对“两带”高度进行实测的不足。其各预测方法对比情况见表3。

表3 “两带”高度的计算与模拟结果对比情况表

6 结 论

1）通过经验公式、工程类比、数值模拟三种手段研究了煤层开采后覆岩导水裂隙带的发育情况，并经过对比分析，得出不同采高（6 m、9 m）条件下“两带高度”分别为86 m、135 m。

2）该煤层开采引起的导水裂隙带发育情况，对类似地质条件水库下采煤提供安全参数等具有重要意义。

［1］ 国家煤炭工业局．建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］．北京：煤炭工业出版社，2000：47-48．

［2］ 滕永海，杨建立，朱 伟，等．综采放顶煤覆岩破坏规律与机理研究［J］．矿山测量，2010（2）：32-34．

［3］ 李 强，段克信，王献辉，等．康平煤田综放开采覆岩破坏规律初探［J］．矿山测量，2006（1）：76-78．

［4］ 许延春，李振华，贾安立，等．深厚松散层薄基岩条件下覆岩破坏高度实测分析［J］．煤炭科学技术，2010，38（7）：21-23．

［5］ 李文平．海域首采面综放开采导水裂缝带高度预测与实测研究［J］．煤矿开采，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

李彦辉（1986—），男，河南周口人，2012级河南理工大学在读硕士研究生，主要从事矿区开采沉陷与土地复垦的研究（E-mail）1029131607＠qq．com