导水裂缝带发育规律动态监测研究

刘 明，张祥维，刘德民

(1.河北省矿井灾害防治重点实验室，北京东燕郊 101601；2.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)



导水裂缝带发育规律动态监测研究

刘 明1，2，张祥维1，2，刘德民1，2

(1.河北省矿井灾害防治重点实验室，北京东燕郊 101601；2.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

煤层采出后，上覆岩层要发生破坏和位移，并具有明显的分带性，通常呈现垮落带、裂缝带以及弯曲下沉带。确定煤层顶板导水裂缝带高度可为顶板防治水、采掘工程布置、防水煤柱留设以及瓦斯抽采设计提供依据。由于开采技术的不断更新以及地质条件的差异，导致导水裂缝实际发育高度在不同矿区有较大变化，有些矿区的导水裂缝发育高度与规程中的预测公式的计算结果并不完全相符，因此需要对其进行现场实测确定实际发育高度。本文通过对荆各庄矿1196F回采工作面工作面布置导水裂缝带监测系统，浏览导水裂缝带发育过程、形态特征及导水裂缝带高度，现场监测显示其导水裂缝带最终发育高度为28～32m。

导水裂缝带；顶板防治水；动态监测

0 引言

当采用全部垮落法控制顶板时，煤层采出后，采空区覆岩岩层要发生变形和破坏，形成明显的 “三带”形态，从下往上依次是垮落带、裂缝带和弯曲下沉带[1,2]。其中工作面顶板导水裂缝带发育高度是煤矿防水煤(岩)柱、瓦斯抽采、涌水量预计等设计依据的主要技术参数之一，是防治顶板水、采掘工程布置的基础[3]。而随着中厚煤层综合机械化采煤、综采放顶煤高产高效的采煤新方法全面取代原有落后的普通采煤方法，采煤覆岩运动规律发生了重要变化，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》[4]中导水裂缝带高度的经验公式可能存在较大误差[5-7]，故对荆各庄矿区1196F综采工作面导水裂缝带发育规律进行了动态监测，通过现场实测数据与经验公式数据进行对比分析、补充验证，以提高导水裂缝带发育高度检测的精度。

1 荆各庄矿1196F设计综采面概况

1196F设计综采工作面位于东一采区一水平，工作面标高-250.00～-297.53 m，地面标高为 +23.6～+26.1 m，位于于庄旧址以西290 m，于庄大坑东侧，排矸路南侧。主采煤层9煤，该煤层为复合结构煤层，掘进时会通过采空区，煤层厚度不稳定，范围在0.8～9.0 m之间，平均煤厚为7.37 m，煤层倾角为3°～10°，平均倾角为6°，煤层产状及煤厚变化较大。

1196F综采工作面原设计走向长约630 m，倾斜长97～99 m，面积约61740 m2，可采指数Km=1，变异系数r=38%，煤层稳定性较好，见图1采掘工程平面图。

图1 1196F设计综采工作面采掘工程平面示意图

在工程地质条件方面，9s煤直接顶岩性为粉砂岩，致密均一，细腻有滑感，含层状菱铁质矿物，厚度9.65 m，抗压强度为43.5 MPa，抗拉强度为3.15 MPa。老顶岩性为细砂岩，浅灰色～灰白色，内含灰褐色细砂岩条带，水平层理，植物化石成层分布，厚度为14.94 m，抗压强度为50.2 MPa，抗拉强度为2.83 MPa。直接底岩性为泥岩，浅黑～深灰色，块状含菱铁质结核，厚度9.78 m，抗压强度34 MPa，抗拉强度1.75 MPa。

在水文地质条件方面，1196E设计综采面位于一水平东翼采区，靠近F3断层防水煤柱；同时，1196E将通过1194EⅡ、1196Ⅱ和1194Ⅱ采空区，0190总回风巷、1192Ⅱ运道、1192北Ⅱ风道与1192北Ⅲ风道老硐。因此，该设计工作面将主要受煤9顶板及以上砂岩裂缝含水层、第四系含水层及老空水的影响与威胁。

2 影响导水裂缝带发育因素

工作面顶板导水裂缝带高度(导高)受多种因素的影响，分析如下：

(1) 覆岩岩性

覆岩岩性是指煤层顶板岩层强度及其组合情况，即下软上硬(软硬)或者下硬上软(硬软)的组合情况，覆岩的组合不同，其岩石力学结构特点就不同，直接影响到导水裂缝带发育高度。

(2) 采厚

煤层采出厚度主要影响顶板垮落空间、支撑稳定性等，煤层采厚对裂缝带高度的影响较大，一般情况下采厚越大裂缝带高度越大。

(3) 开采深度

一般情况下，工作面围岩的原岩应力，由其上覆岩土体的重力产生，开采深度决定了工作面围岩地应力的大小，围岩垂直应力一般随着埋深增加而增大，因此，煤层开采深度对顶板导水裂缝带高度有一定影响。

(4) 煤层倾角

煤层倾角决定采空区内垮落岩块是否发生运动，从而影响覆岩破坏状况和高度。学界普遍认可的成果是，当煤层倾角小于35°时，垮落带和裂缝带的高度随煤层倾角增大而缓慢增大；煤层倾角介于35°～45°时，垮落带和裂缝带的高度随煤层倾角增大迅速增长；煤层倾角介于45°～60°时，垮落带和裂缝带高度又随煤层倾角的增大而迅速下降。由此可见，倾角对导水裂缝带高度影响较大。

(5) 工作面斜长

研究表明，工作面倾向斜长是影响顶板导高的重要因子。导高随倾向斜长的增长而增加，并存在一个极限值，当倾向斜长超过该值时，导水裂缝带高度不再继续增加。

3 导水裂缝带高度监测

3.1 监测原理

通过实时监测顶板裂缝发育引起的顶板钻孔内水压、渗漏流量及变化实现导水裂缝高度监测。主要监测项目包括：钻孔内水压及渗漏流量、钻孔孔口流量及水压、煤层回采高度、工作面推进位置与推进速度等。最终通过水压及渗漏量的变化确定垮落带及导水裂缝带发育位置，分析回采高度、推进速度等因素对导水裂缝带高度的影响[8]。

3.2 监测方案

(1) 监测钻孔

监测钻孔布置于196F风巷(与1190皮带巷

交叉点)以里70 m处，见图2。钻孔方位N16°，倾角30°，孔深126 m。监测孔向上逆倾向穿越9s煤顶板、9-1s煤和7s煤，终孔层位为7s顶板；同时，监测钻孔穿过了1980年1196I分层的采空区，见图3。钻孔水平投影长109 m，终孔点至9s煤顶板垂距为48 m。

(2) 监测系统

监测系统进入孔总长为109 m，监测钻孔内布置8个流量和压力传感器，重点监测段为9s煤顶板以上19～42 m。同时，在监测孔孔口安装孔口压力表、流量计、控水阀门等，以控制监测水压和流量。

(3) 监测内容

监测孔内水压力、流量；孔口进水压力及流量；工作面回采高度及推进距离等。

图2 1196F 导水裂缝带主带高度监测孔平面图

图3 1196F 导水裂缝带主带高度监测孔剖面图

3.3 监测结果

监测系统监测历时40天。

(1) 监测系统孔口注水压力

监测系统孔口水压力历时曲线如图4所示。该曲线揭示：①监测孔钻进时钻孔出水位置为9s煤顶板以上垂高31 m处；② 从2015年6月4日至6月22日孔口水压力稳定在0.42 MPa，说明该时间段内工作面推采位置距离监测孔终孔点平距超过20 m，顶板导水裂缝仍未进入监测范围；③ 自6月23日起导水裂缝带超前距进入监测范围，孔口水压力表降至0.28 MPa；④ 6月26日，孔口水压又回升至0.72 MPa，该现状估计是由顶板9s煤与9-1s煤之间白砂矸遇水膨胀阻塞钻孔周围导水裂缝引起的。

图4 监测系统孔口表水压历时曲线

(2) 监测孔内渗漏量及变化

在流量、压力传感器中，反映导水裂缝带高度最大值的是8#传感器。由监测节点及其渗漏量变化曲线图5可以看出：①6月23日16时12分30秒突然出现渗漏量最大值1.6 m3/h，导水裂缝开始发育； ②之后，导水裂缝发育集中于17时58分至18时29分30秒时段内，该时段内平均渗漏流量0.3 m3/h，最大渗漏流量1.4 m3/h，导水裂缝充分发育；③其后，至24日0时52分，渗漏流量减小为0，推测该现象是由9s煤顶板白砂矸遇水膨胀，很快堵塞已形成导水裂缝引起的；④在24日0时52分之后，记录显示该监测节点已经被导水裂缝带破坏；⑤该监测节点代表的裂缝高度为9s煤顶板以上28～32 m，即监测钻孔孔口标高之上39～44 m(由于地层倾角影响)； ⑥导水裂缝超前发育距离为18～22 m。

图5 8#监测点渗漏流量历时曲线

(3) 回采高度与推进距离

1196F工作面回采高度为3 m左右，现场监测超前导水裂缝带高度为28～32 m。

同时，由于9煤顶板属于中硬易垮落类型顶板[9,10]，因此依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，采用式1经验估算1196F导水裂缝带高度为30.1～41.3 m。

表1 9s煤顶板岩性及其工程地质性质

顶底板名称岩石名称厚度(m)抗压强度(MPa)抗拉强度(MPa)岩性特征老 顶细砂岩14 9450 22 83 浅灰色～灰白色，内含灰褐色细砂岩条带，水平层理，植物化石成层分布。直接顶粉砂岩9 6543 53 15 致密均一，细腻有滑感，含层状菱铁质矿物。直接底泥岩9 78341 75 浅黑～深灰色，块状含菱铁质结核

(1)

可见，现场监测值与经验估算值基本一致，但略微偏小。其原因主要是由于此次现场监测的是超前导水裂缝带高度值，并非在工作面纵向(走向)剖面上采空区侧的导水裂缝带高度最大值，该在采后20天至1个月后在采空区侧获得。

另外，1196F 导水裂缝带高度监测期间，工作面风巷、运巷与边眼距离为表2所示。表2说明9s煤顶板导水裂缝带发育的超前距离为20 m左右。

表2 监测期间1196F 推进距离监测表

日期风巷推进(m)运巷推进(m)日期风巷推进(m)运巷推进(m)6月14日173159 56月30日137 4118 36月18日1651487月1日133 61156月23日151 3135 57月2日1301126月25日151 3135 57月3日1251106月26日148 61327月4日1221076月27日146128 87月5日118 2102 56月28日143124 57月6日11598 56月29日140121

4 结论

1196F工作面现场监测9s煤顶板超前导水裂缝带发育高度为28～32 m。依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，采用经验公式估算1196F导水裂缝带高度为30.1～41.3 m。现场实测导水裂缝带高度与经验估算值基本一致，略偏小，误差在7.0%～22.5%之间，回顾监测过程不难看出，误差原因主要有两点：

(1) 此次现场监测的是超前导水裂缝带高度值，工作面风巷、运巷与边眼距离没有同步，在回采期间过程中，工作面导水裂缝超前发育的超前距为18～22 m，此时的导水裂缝带未发育完全，故其值略低于真实值。所以应在工作面纵向(走向)剖面上采空区侧的导水裂缝带高度最大值，即在采后20天至1个月后在采空区侧获得。

(2) 在进行动态监测过程中钻孔布置不足，由于导水裂缝带发育高度受顶板岩性、岩层结构类型以及工作面推进速度等因素影响，故在布置钻孔时需要均匀分布，不能仅在风道或者运道布置单一钻孔，应多点测量得出平均值，减小现场数据的误差，针对最真实的导水裂缝带高度数据进行保护煤柱的留设以及涌水量的预计等相关问题。

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Research on the dynamic monitoring about the development rule of water conducted zone

LIU Ming1,2,ZHANG Xiang-wei1,2,LIU De-min1,2

(1.HebeiKeyLaboratoryofMineDisasterPrevention,Yanjiao,101601,China;2.CollegeofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

After coal extraction,its overlying strata will be damaged and displacement,and has obvious zonality,usually presents caving zone,fractured zone and bend zone. Determining the height of water flowing fracture zone would provide the basis for the prevention and control of roof water,mining engineering layout,waterproof pillar design,and gas extraction. As a result of the constantly updating mining technology,and the difference of geological conditions,the height of water flowing fractured zone in different mining areas changes a lot,and does not completely match with the calculation results of prediction formula in some mining areas,so it is necessary to do field measurement to determine the actual height. Through the layout of water flowing fracture zone monitoring system in Jinggezhuang mine 1196F working face,and the browse of its development process,the morphological characteristics and maximum height,site monitoring shows that the water flowing fractured zone finally develops 28～32 m in height.

Water flowing fractured zone；Prevention and control of roof water；Monitor dynamically

2016-02-03

中央高校基本科研业务费资助(3142015019)，国家自然科学基金(51074075，41072188)

刘明(1989-)，男，河北秦皇岛人，华北科技学院安全工程学院在读硕士研究生，研究方向：水文地质。E-mail:991722801@qq.com

TD745

A

1672-7169(2016)02-0015-05