陕北某矿3号煤层开采导水裂缝带高度测定*

张哲鹏，黄庆享，贺雁鹏

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054)

0 引言

近年来陕北地区保水开采成为绿色采矿研究热点，国内专家学者也对导水裂缝带发育规律及高度预测进行了大量研究。黄庆享[1-2]提出隔水岩组的“上行裂隙”发育高度和“下行裂隙”发育深度都与采高成正比，合理限制一次采高可以控制裂隙带发育高度，提高隔水岩组稳定性；并指出，根据采空区上覆岩层垮落和移动特征，可将覆岩划分为“冒落带、块体铰接带、似连续带和弯曲下沉带”的“四带”。张杰等[3]对榆神府矿区砂基型水文地质条件进行分类，建立导水裂缝带高度计算公式。赵高博等[4]分析了上覆岩层悬空完整和悬伸稳定力学模型，用极限悬空距和极限悬伸距为判据分析岩层破坏，得出导水裂缝带高度公式。目前，针对煤层开采覆岩导水裂缝带的确定方法有理论分析法、现场实测法、实验模拟法、数值计算法和公式预计法等。已有相关文献通过现场实测手段对覆岩导水裂缝带高度进行了实测，确定了各矿的裂采比[5-8]。另有部分文献采用FLAC3D和UDEC模拟了工作面覆岩垮落规律及导水裂缝带发育规律，预测了导水裂缝带高度[9-13]。上述研究表明，导水裂缝带的发育受开采和覆岩条件的影响，需要具体研究；采用物理相似模拟方法具有直观和可靠的优点。

为此，以陕北某矿3号煤层开采为背景，以其一盘区1309工作面为研究对象，采用物理模拟和工程类比的方法，研究1309工作面开采过程中覆岩垮落规律，以确定导水裂缝带发育高度，进而为矿井顶板水害防治和安全生产提供指导。

1 工程背景

井田位于陕北侏罗纪煤田榆横矿区南区的西北部，3号煤层为井田内全区可采煤层，储量丰富，煤层埋深最浅为135 m，平均280 m，实验段地表160 m。煤层厚度2.80～3.36 m，工作面采高3 m，工作面宽度300 m。目前，主要开采区域在一盘区，地表有较多水系、水库、文物遗迹等建筑物和设施，采动裂隙发育规律，对“三下”安全开采的合理煤柱等参数，具有重要应用价值。

2 物理模拟实验设计

根据关键层理论中给出的关键层判别方法，结合覆岩岩性计算得出，覆岩中存在3组关键层，分别位于4号、12号、21号岩层层位，见表1。为了更好地掌握工作面的覆岩垮落和导水裂缝带发育规律，物理模拟相似比为1∶100，采用平面应力模型，模拟尺寸为3.0 m×0.2 m×1.6 m(长×宽×高)，模型表土层部分采用等效载荷模拟，如图1所示。

图1 实验模型

表1 模拟实验相似材料配比方案

模型从左向右开挖，每次开挖2 cm。考虑到模型边界效应的影响，模型左右两侧分别设置30 cm的边界保护煤柱。

3 导水裂缝带发育规律

3.1 覆岩垮落规律和裂隙发育特征

3.1.1初次来压

随工作面推进，直接顶随采随垮。工作面推进至30 m时，直接顶初次大范围垮落，垮落高度为5.0 m，支架压力从3 150 kN升高至6 520 kN。

工作面推进到46 m时，老顶初次来压，来压步距46 m。顶板垮落高度7.5 m，上部离层2.5 m，裂隙带高度10.0 m，裂采比为3.33。冒落悬空老顶垮距28 m，回采侧基岩垮落角51°，如图2所示。

图2 推进至46 m，老顶初次来压

3.1.2 第1次周期来压

当工作面推进至64 m时，老顶周期破断，工作面周期来压，来压步距18 m，垮落高度13.6 m，上部离层厚度4.0 m，覆岩裂隙带高度17.6 m，裂采比5.8。老顶悬空岩层宽度34 m，回采侧基岩垮落角55°，如图3所示。

图3 推进至64 m，第1次周期来压

3.1.3 第2次周期来压

工作面推进至80 m时，顶板第2次周期来压，来压步距16 m。回采侧覆岩竖向裂隙较为发育，岩层发生弯曲下沉使已垮落岩层压实，岩层裂隙带高度迅速发育。此时，基岩垮落高度37.2 m，垮落岩层上方7.0 m范围内有明显离层，裂隙带高度发育至44.2 m，裂采比上升为14.7，基岩垮落角增大为59°，如图4所示。

图4 推进至80 m，第2次周期来压

3.1.4 第3、4次周期来压

工作面继续推进至90 m时，第3次周期来压，来压步距10 m，垮落高度38 m，上部离层厚度8 m，裂隙带总高度46 m。推进至106 m时，第4次周期来压，来压步距16 m，垮落带高度增大为56 m，上部离层岩层厚度7.0 m，裂隙带总高度增大为63 m，裂采比为21.0，如图5所示。

图5 推进至106 m，第4次周期来压

3.1.5 第6、7次周期来压

工作面推进至146 m时，第6次周期来压，来压步距为16 m，此时，竖向裂隙发育至93.7 m后保持稳定。关键层弯曲下沉，下部离层开始减小或闭合，上部岩层进入弯曲下沉带。工作面推进至156 m时，第7次周期来压，来压步距为10 m，覆岩整体下沉，地表明显沉降，工作面达到充分采动，如图6所示。此时，裂隙高度继续向上发育了8 m，达到101.7 m，覆岩离层全部闭合，裂采比为33.9，基本稳定在34以内。

图6 推进至156 m，第7次周期来压

3.2 裂隙带发育规律

根据实验得出，裂隙带发育高度随工作面推进距离的变化规律，如图7所示。工作面推进到146 m，第6次周期来压前，垮落岩层上部仍然存在较明显的离层岩层，随推进距离的增大，离层高度为2.5～8.0 m。在第6次周期来压后，裂隙带顶部岩层出现较明显的挠曲，离层逐渐消失，逐步过渡到弯曲下沉带。第7次周期来压(推近距离156 m，接近盖山厚度)达到充分采动，地表弯曲下沉。至此，导水裂缝带发育达到稳定，高度为101.7 m，采高3 m，裂采比为33.9。

图7 导水裂缝带发育高度动态

在开采过程中，竖向裂隙是影响导水裂缝带高度发育的主要因素，实验得出随工作面推进的竖向裂隙发育的动态演化规律，如图8所示。当工作面第7次周期来压后，覆岩竖向裂隙发育到第二关键层处基本稳定，不再升高，导水裂缝带高度达到最大值。随着继续推进，上部进入弯曲下沉带。

图8 竖向裂隙动态发育

4 工程实例类比

通过收集榆神府矿区内部分矿井的导水裂缝带高度实测资料，见表2。

表2 工作面导水裂缝带发育高度统计

表中榆阳煤矿和榆树湾煤矿与本次研究对象的开采条件相近，实测得出裂采比为27.51和27.1，本文结论所得裂采比为33.9，为实测的1.25倍，结果基本接近。

5 结论

(1)通过物理相似模拟实验，得出该煤矿1309工作面的初次来压步距为46 m，周期来压步距10～18 m，导水裂缝带高度101.7 m，裂采比33.9；冒落带高度11.5 m，冒采比3.8。

(2)实验发现1309工作面覆岩中第二关键层对该工作面的导水裂缝带发育起主要作用。当工作面达到充分采动时竖向裂隙发育高度达到最大值，决定了裂隙带发育高度的最大值。