小壕兔二号井田导水裂隙带发育高度预计与数值模拟∗

刘 玥姚有利宁掌玄刘 源2

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西省大同市，037003；2.西安科技大学地质与环境学院，陕西省西安市，710054）

小壕兔二号井田导水裂隙带发育高度预计与数值模拟∗

刘 玥1姚有利1宁掌玄1刘 源2

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西省大同市，037003；2.西安科技大学地质与环境学院，陕西省西安市，710054）

采用经验公式计算和数值模拟试验两种方法对榆神矿区小壕兔二号井田2#煤层导水裂隙带发育规律及最大高度进行研究。结果表明经验公式计算值和数值模拟试验结果都显示2#煤层开采产生的导水裂隙带不会对矿区萨拉乌苏组含水层产生影响，都与现场实测值具有良好的一致性；数值模拟试验预测结果与现场实测结果更为接近，说明数值模拟试验相较于经验公式在导水裂隙带最大高度预计方面具有更高的精度和可靠性。

导水裂隙带 数值模拟 保水采煤 塑性区法

陕北侏罗纪煤田是我国现已探明的煤炭资源量最大的煤田，榆神矿区位于该煤田中部，该区更以储量丰富、煤质优良、地质构造简单、开采技术条件优越而引起世人瞩目，今后将成为我国21世纪煤炭工业战略西移的首选基地。但榆神矿区内生态环境脆弱，区域浅层地下水维系着沙漠滩地区植被生长和生态系统的稳定。因此，科学认识煤-浅层地下水关系对实现煤炭高效、安全、绿色开发具有重要的理论价值和现实意义。

井下采煤所产生的导水裂隙带发育规律及其与矿区浅层地下水的空间关系一直是科学认识煤水关系、实现保水采煤的关键科学问题之一。而目前国内外围绕这一问题的研究方法主要有经验公式法、数值试验法、物理试验模拟法和现场实测法等。考虑到目前现行的主要方法，本文同时采用经验公式法与数值试验法对榆神矿区小壕兔二号井田2#煤层导水裂隙带发育规律展开研究，以期研究成果能为煤矿保水采煤实践提供借鉴与指导。

1　小壕兔二号井田概况

1.1 井田水文地质特征

小壕兔二号井田位于毛乌素沙漠的边缘地带，生态环境脆弱。井田内大面积分布第四系萨拉乌苏组含水层，水资源较为丰富，水质优良，主要接受大气降水补给，是目前居民生活与工农业生产用水的重要水源。萨拉乌苏组含水层岩性为一套河湖相松散沉积层，底部多为砾石、砂砾石层、粉细砂层、发育交错层理、平行层理，上部为粉细砂层，砂质泥层，顶部发育灰黑色碳质泥砂层，并有水平层理、波纹层理等沉积构造。井田内萨拉乌苏组含水层厚度一般为20～60 m，受控于基岩顶面古地形。井田内煤层与萨拉乌苏组之间发育有离石组黄土和保德组红土共同构成的强隔水层及由安定组、直罗组、延安组顶部共同组成的相对隔水岩组，对萨拉乌苏组含水层起保护作用。根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》和《煤炭资源地质勘探规范》中有关规定，小壕兔二号井田水文地质勘探类型为二类一型。

1.2 2#煤层特征

2#煤层为本井田最主要可采煤层，位于延安组第四段顶部，煤层厚度0.20～9.86 m，平均5.01 m。平均埋深320 m，煤层结构简单，距萨拉乌苏组含水层平均距离为150 m。煤层由南西向北东方向缓倾，平均倾角1°左右。煤层顶板以砂岩、粉砂岩、泥岩为主，岩石单轴抗压强度为20～40 MPa，属中硬顶板，煤层倾角小于3°，底板高程变化梯度小且均匀，只有宽缓的波状起伏，没有大的褶皱和断层。

2　基于经验公式的导水裂隙带最大高度预计

2.1 理论公式

目前，用于井下采煤所产生的导水裂隙带最大高度预计的经验公式主要有2类，一是《矿区水文地质工程地质勘探规范》（简称《规范》）；二是《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（简称《规程》），见表1。

2.2 计算结果与分析

目前，对导水裂隙带最大高度的预计还处于探索阶段，因此本文分别采用表1中各预计经验公式，对小壕兔二号井田2#煤层最大导水裂隙带高度进行预计，结果见表2。

表1　导水裂隙带最大高度经验计算公式

表2　导水裂隙带最大高度经验计算值

基于《规范》中经验公式计算得到的小壕兔二号井田2#煤层开采产生的最大导水裂隙高度为75.52 m，是采高的15.1倍；基于《规程》中经验公式计算得到的小壕兔二号井田2#煤层开采产生的最大导水裂隙高度为48.70～54.72 m，是采高的9.74～10.94倍。对比煤系上覆岩组与2#煤层的空间距离，可以判断该煤层以5 m采高进行开采时不会对萨拉乌苏组含水层产生破坏影响，但会导通延安组第三、第四段岩组中的弱砂岩裂隙含水层，以致其地下水沿导水裂隙进入工作面或采空区。

3　小壕兔二号井田2#煤层导水裂隙带发育规律数值试验分析

3.1 数值模型构建

以小壕兔二号井田2#煤层上覆岩土结构特征和实际开采条件为设计依据，构建数值模型。数值模型中，X方向上长为1200 m（模拟年推进距离），Y方向上长为250 m（模拟工作面宽度），Z方向上长为343 m（模拟采深），2#煤层厚5 m（模拟采厚）。考虑到数值模拟的计算量和计算精度，将数值模型中网格规格设为10 m×10 m，共有180000个单元。模型的边界条件为前、后、左、右边界均设定为单约束边界，底边界设定为全约束边界，上边界定为自由边界，不予约束。数值模型中各主要岩土层物理力学参数根据表3数据资料进行赋值。

表3　数值模型中各土岩层力学参数

3.2 模拟动态过程

本试验以Mohr-Coulomb准则为判别准则，采用塑性区法结合应力法判别最大导水裂隙高度。随着工作面的推进，提取数据并绘制各开挖步覆岩塑性区分布图，见图1。

3.3 结果与讨论

图1显示，当工作面回采100 m时，采空区两侧45°上方开始出现以剪切破坏为主的塑性区，其发育高度均大于采空区正上方，见图1（a）。随着工作面回采距离从100 m增至300 m时，采空区两侧剪切破坏塑性区在垂向上和横向上均有延展，但以横向延展为主，当工作面回采至300 m，该塑性区发育高度达到73.40 m，开切眼和停采线上方（基岩175 m处）开始出现塑性区，以拉张破坏为主。同时，在出现拉张破坏塑性区上方的基岩面也出现塑性区，以剪切破坏为主，见图1（c）。随着工作面继续推进，基岩面、基岩175 m处塑性区不断扩大且以横向扩展为主。采空区两端塑性区发育高度不再变化，见图1（d）、（e）。煤层上覆岩层呈现明显三带结构，基岩上覆红土层未受破坏。依据塑性区法，判别最大导水裂隙高度在69.73～73.4 m之间，是采高（5 m）的15～17倍。

图1　工作面不同推进距离时覆岩塑性区分布图

4　2#煤层导水裂隙带最大高度钻孔实测

4.1 钻孔实测结果

2011年由小壕兔煤业有限公司及相关地质队联合实施小壕兔二号井田2#煤层导水裂隙带最大高度钻孔观测工作。在小壕兔二号井田主采工作面采空区中心位置布设钻孔，采用钻孔冲洗液消耗量变化分析法，观测导水裂隙带最大发育高度。试验结果表明在孔深249.50 m处钻孔冲洗液消耗量突然增大，从0.15 L/s增大至0.78 L/s以上，而在孔深285.00 m冲洗液完全漏失，说明孔深249.50 m处可视为导水裂隙带上界面，而孔深285.00 m以下则为冒落带。结合2#煤层平均埋深，可以分析判定导水裂隙带最大高度实测值为70.50 m左右，对比萨拉乌苏组含水层与2#煤层空间关系，认为2#煤层在一次采全高（即采高为5 m）条件下不会对萨拉乌苏组含水层产生破坏影响。

4.2 实测值与预计值的对比分析

（1）从预计结果来看，经验公式法、数值模拟法得到的导水裂隙带最大高度预计值与现场实测值均具有良好的一致性，并得出2#煤层开采不会对萨拉乌苏组含水层的结构产生破坏影响的相同结论，可见经验公式法和数值模拟法在预计导水裂隙带最大高度方面均是可行的。

（2）从预计精度来看，较之经验公式法，数值模拟法的预计结果（69.73～73.4 m）与现场实测结果（70.5 m）更为接近，说明数值模拟试验得到的预计结果具有更高的精度和可靠性。

5　结论

（1）《规范》中经验公式预计结果显示小壕兔二号井田2#煤层开采产生的最大导水裂隙高度为75.52 m；《规程》中经验公式预计结果显示最大导水裂隙高度为48.70～54.72 m。两种结果显示以5 m采高开采2#煤层时，不会对萨拉乌苏组含水层产生破坏影响。

（2）数值模拟试验结果表明工作面推进至300 m时，采空区两侧剪切破坏塑性区在垂向和横向上延展，其最大高度发育至73.40 m；随着工作面继续推进，采空区两端塑性区发育高度不再变化。依据塑性区法，判别最大导水裂隙高度在69.73～73.4 m之间。

（3）将经验公式法、数值模拟法与现场实测值进行对比，发现两种方法的计算结果与实测值具有良好的一致性，而数值试验的预测结果与现场实测结果更为接近，说明数值模拟试验相较于经验公式在导水裂隙带最大高度预计方面具有更高的精度和可靠性。

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（责任编辑 张毅玲）

Prediction and numerical simulation of height of water flowing fractured zone in Xiaohaotu No.2 mine field

Liu Yue1，Yao Youli1，Ning Zhangxuan1，Liu Yuan2
（1.College of Coal Engineering，Shanxi Datong University，Datong，Shanxi 037003，China；2.College of Geology and Environment，Xi＇an University of Science and Technology，Xi＇an，Shaanxi 710054，China）

The development laws and maximum height of water flowing fractured zone in No. 2 coal seam of Xiaohaotu No.2 Mine field was studied with two kinds of methods，empirical formula calculation and numerical simulation.According to the results，the empirical calculation value and the result of numerical simulation both showed that the water flowing fractured zone caused by mining the No.2 coal seam had no effect on the aquifer of Salawusu formation，and they were both consistent with field measured value；while the result of numerical simulation was closer to the measured value，which showed that comparing with the empirical formula，numerical simulation had higher accuracy and reliability in the prediction of the maximum height of the water flowing fractured zone.

water flowing fractured zone，prediction，numerical simulation，coal mining under water-containing，plastic zone method

TD821

A

陕西省自然科学基金项目（SJ08-ZT08 -3）

刘玥（1980-），女，汉族，辽宁阜新人，硕士，讲师，主要从事矿山地质环境方面的研究。