厚松散层薄基岩工作面导水裂隙带高度预计方法

丁希阳 刘尊欣 田晓伟

（汶上义桥煤矿有限责任公司，山东 济宁 272100）

1 工程概况

义桥煤矿6304 工作面宽度在切眼侧为125 m，在停采线侧为160 m，走向长度为510 m，松散层厚度平均为224 m，基岩厚度最小为35.45 m，最大为85.15 m。主采3 煤层，煤层厚度为3.10～3.95 m，平均3.4 m，煤层倾角为6°～18°，平均12°。工作面开采区域水体类型为第四系下砂、砾层空隙含水层和3 煤顶板砂岩裂隙含水层。厚松散层薄基岩条件下工作面开采覆岩裂隙带高度准确预计是保证6304 工作面安全开采的前提。

2 厚松散层岩层控制的松散层拱理论

当煤层上覆松散层厚度满足一定条件时，松散层中能够形成具有稳定承载能力的松散层拱结构，如图1。文献[1-3]建立了松散层拱结构力学模型，得到了松散层拱高度与宽度的比值及厚度的解析式，确定了形成松散层拱时的松散层临界厚度，如式（1）所示，式中参数如图1 所示。

图1 松散层拱示意图[1-3]

3 厚松散层薄基岩工作面覆岩裂隙发育

3.1 试验模型设计

试验选用250 cm×30 cm×400 cm（长×宽×高）的平面应力实验台，模型几何、容重、应力和强度相似比分别为100:1、1.67:1、167:1、167:1。松散层的相似材料为河砂和锯末，河砂和锯末的质量比为10:1；基岩的相似材料为河砂、石膏、碳酸钙。试验模型如图2，力学参数见表1。

图2 物理模型

表1 相似物理模型岩层参数

3.2 试验结果及分析

图3 为厚松散层薄基岩工作面开采过程中覆岩裂隙发育规律。亚关键层初次破断前，采动覆岩裂隙带发育高度止于亚关键层底界面，高度为14 m，如图3（a）；亚关键层初次破断且主关键层初次破断前，采动覆岩裂隙带发育高度止于主关键层底界面，高度为30 m，如图3（b）；主关键层初次破断且第一次松散层拱承载时，采动覆岩裂隙带发育高度止于第一次松散层拱底界面，高度为56 m，如图3（c）；第一次松散层拱失稳破坏且第二次松散层拱承载时，采动覆岩裂隙带发育高度止于第二次松散层拱底界面，高度为71 m，如图3（d）。工作面回采过程中，采动覆岩裂隙带发育高度与工作面开采宽度间的变化规律如图4，采动覆岩裂隙发育高度随着关键层和松散层拱结构的周期性变化而呈现跳跃式增加。

图3 工作面覆岩裂隙发育

图4 工作面覆岩裂隙带高度

4 厚松散层薄基岩工作面覆岩裂隙带高度预测

目前，通常采用规程规范、实验模拟和工程探测、数值分析等[4-6]预计裂隙带高度。许家林提出了通过关键层位置预测裂隙带的高度的新方法[7]。在厚松散层下采动覆岩裂隙带发育高度预计方法的具体流程为：（1）确定待开采工作面开采参数和工作面区域岩层柱状信息；（2）将相关参数带入式（1）中，判别松散层拱结构是否形成；（3）当不能形成松散层拱时，关键层判别按照传统方法进行，当松散层中能够形成松散层拱时，根据文献[8]计算松散层载荷折减系数；（4）确定采场上覆岩层中最上一层硬岩的载荷；（5）进行关键层判别，确定覆岩关键层位置及关键层和煤层间距；（6）当主关键层距开采煤层的距离小于7～10 倍采高时，裂隙带高度大于或等于基岩厚度；当主关键层与煤层距离大于7～10 倍采高时，裂隙带高度等于7～10倍采高上方最近关键层与开采煤层间距离。

5 工程应用

工作面汶8-1、补5 钻孔柱状如图5。根据式（1）计算获得松散层拱结构形成时的临界松散层厚度为97.6 m，而汶8-1 钻孔松散层厚度为251.1 m，松散层中能够形成松散层拱。根据松散层拱结构特征参数和6304 工作面开采参数得到6304 工作面上覆松散层载荷折减系数为K=0.55，据此得到汶8-1 钻孔关键层判别结果如图5（a）。汶8-1 钻孔中含有2层关键层，分别是厚度为15.21 m 的亚关键层和厚度为10.0 m 的主关键层，其中亚关键层与开采煤层间的距离为12.91 m，主关键层与开采煤层间的距离为33.82 m。根据汶8-1 钻孔揭露的开采煤层厚度，当煤层厚度为3.02 m 时，按照10 倍采高计算得到临界高度为30.2 m。显然，主关键层与煤层间的距离大于按10 倍采高计算的临界高度，因此得到裂隙带最大高度为33.82 m。按照类似的方法得到补5 钻孔关键层判别结果如图5（b），煤层厚3.80 m，主关键层与煤层距离33.84 m 小于10 倍采高的38.0 m。因此，裂隙带高度等于基岩的厚度为40.05 m。因此，6304 工作面的裂隙带高度为33.82～40.05 m。

图5 钻孔柱状

根据义桥煤矿在6304 工作面开展的两带高度观测结果，6304 工作面裂隙带高度为35.6～42.3 m，预计结果与现场探测值基本一致。事实上，义桥煤矿6304 工作面回采期间累计开采煤炭35 万t，工作面顶板涌水量正常，实现了安全采煤，表明裂隙带高度预计结果满足要求。

6 结论

采动覆岩裂隙发育高度随着关键层和松散层拱结构的周期性变化而呈现跳跃式增加。关键层初次破断之前，覆岩裂隙带高度发育至未破断关键层的底界面；松散层拱失稳破坏前，覆岩裂隙带高度发育至未失稳破坏松散层拱底界面。在松散层拱结构的影响下，6304 厚松散层薄基岩工作面的裂隙带高度为33.82～40.05 m，预计结果和现场探测结果基本一致。6304 厚松散层薄基岩工作面于2020 年1 月回采结束，共计开采煤炭资源35 万t，实现了含水层下安全采煤。