斜沟煤矿3 号煤层覆岩结构综放开采顶板涌水量预测研究

王君卿

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿 ，山西 吕梁 033602）

1 概 述

煤矿水害是影响煤矿高效开采的重要影响因素之一，矿井内的涌水现象阻碍着煤矿的正常开采，可造成重大人员伤亡事故和生产事故，恶化生产环境。斜沟煤矿主体构造以东西缓褶皱构造为主，断裂构造较少。3 号煤层厚度为15 m，含水层以君河砂岩和洛河砂岩为主，该组成的含水层渗透能力强、含水量多。本文以斜沟煤矿3 号煤层为主要研究对象，研究斜沟煤矿3 号煤层在使用综采放顶煤采法时的涌水量预测研究，以期对矿井水害防治研究提供一定的数据参考。

2 覆岩结构综放开采裂隙分布规律研究

2.1 覆岩结构破坏分带

覆岩结构的煤层开采必然会使岩层发生移动和破坏。经过科研人员的不断观察与研究，科研人员总结出一套较为科学的理论。覆岩结构的移动与破坏具有分带性的特点，各个分带特征与采矿条件、地质特点关系密切。覆岩结构采矿区的上方因下部已经采空，会导致上层发生失衡，从而破坏岩层产生断裂。岩层的破坏程度会随着与采矿区距离的变远而减少。经过长时间观察研究，采空区上方的岩层可分为三带。其示意图如图1 所示。

图1 采空区岩层三带分布示意图

其中，第一带为冒落带，易产生断裂和裂隙，冒落现象较多；第二带为裂隙带，易产生断裂和岩层滑动，岩层运动剧烈；第三带为弯曲下沉带，离开采区较远，影响最小，易达到平衡状态。在涌水量预测研究中主要是对前2 带进行研究，顶板涌水通道主要分布于这2 带，冒落带与裂隙带也可称作为冒裂带。

2.2 裂隙带高度确定

斜沟煤矿煤层主要以粉砂岩、砾岩及砂岩为主，顶板较为坚硬。根据实际测量，最大开采厚度为10～14 m。依据相关规定，煤岩柱垂高（Hsh）应大于等于保护层厚度（Hb）与裂隙带导水道的最大高度（H）f。其表达式为：Hsh≥Hf+Hb

保护层高度为：Hα=P/V+10

式中：P为静水压力（MPa）；V为突水系数。

依据斜沟煤矿的实际含水层数据，可计算出Ha为61 m。

对比周边煤矿可得出裂隙带的导采比为13.0。斜沟煤矿的开采高度为10～14 m，则裂隙带的厚度为130～182 m。通过上述计算可知，导水裂隙带的厚度为130～180 m，保护煤柱高度为61 m。无论导水裂隙带的厚度选取任何值，都满足实际使用需求。

3 煤层覆岩结构综放开采涌水量数值分析

3.1 涌水量数值模拟理论分析

传统的力学理论只能分析出规则图形，如圆形或椭圆形等的力学问题，对于复杂无规则图形只能望而却步。而复杂图形的分析通常是通过对实际图形进行现场实测或者物理模拟进行分析的。前者耗费资源较多，后者分析较为局限。数值力学分析法可有效解决上述问题，模拟力学与结构特性，还能研究各种边值以及实际施工问题，对变化过程进行预测。

斜沟煤矿的上覆含水层现阶段为潜水阶段，裂隙构造简单且发育十分缓慢，水渗透较慢，涌水量较低，水压疏降也相对较慢。由于开采过程中淋水十分大，虽原因无法探查，但是出现矿井水害的概率仍较大，因此需研究洛河水的运动规律及其是否会在运动中侵入开采场。对该过程数值模拟可得图2。

图2 数值模拟示意图

岩石强度（fs）的计算公式为：

其中，σ1为最大主应力（MPa）；σ3为最小主应力（MPa）；c为粘结力（粘结力）；φ为摩擦角。

3.2 数值模拟分析

煤矿开采的初级阶段是打破原有平衡状态到形成新平衡的应力状态。煤矿实施开采后，地下岩体的原有应力状态遭到破坏，应力将进行重新分布，围岩发生形变且进行应力释放，在该阶段煤壁会出现低支承应力区，随着开采的不断推进，应力会升至峰值，应力峰值主要受开采深度、范围和围岩特性影响，随着开采的加深，最后应力会回归正常水准。通过实际的检测发现，在开采前30 m，煤壁的支承压力会发生前移且数值不断增大，当开采推进至42 m后，压力峰值会改变方向朝工作面方向移动且数值有所下降。如图3 所示。初始阶段的围岩破坏是在工作面回采18 m 的位置开始的，破坏范围不断加大，直到54 m 破坏状态达到峰值，进入老顶岩层全破坏状态，以拉破坏为主。当工作面回采达到66 m 时，塑性区进入稳定状态，顶板趋于稳定。

图3 初采阶段应力分布图

进入正常开采状态后，开采的扰动虽有一定影响，但围岩与采空区已进入稳定状态，该过程的应力变化主要集中在工作面的平移。对垂直应力进行分析，垂直应力是沿工作面进行走向的，煤壁附近的煤矿所受垂直应力较小，随着回采深度的不断加深，应力不断变大。在15～20 m 的位置应力达到峰值状态，数值为24 MPa 左右，该点之后垂直应力呈下降趋势，直到达到50 m 时应力趋于稳定，进入稳定状态。在200 m 时，煤壁上方出现水平破坏带，采空区直接顶、低破坏带消失。在320 m 时，煤壁上方出现剪切破坏区，对含水层渗流活动造成影响。在560 m时，煤壁上方破坏区仍然较多，渗流活动变活跃。在798 m 时，煤壁上方破坏区仍然较多且采空区直接底产生破坏带。在940 m 时，煤壁上方破坏区仍然较多，直接底有破坏带且发生剪切破坏。在990 m 时，破坏带减少，逐渐趋于稳定。

工作面回采的初始阶段，裂隙发育并不完全，主要以孔隙渗流为主要渗流方式。随着回采的不断加深，覆岩结构的不断破坏，渗流孔隙就会发展为裂隙，以裂隙渗流为主。通过分析可知，回采长度达到450 m 前，涌水量呈上升趋势不断增加；回采长度未达到100 m 时，覆岩结构以孔隙渗流为主，渗流活动较为缓慢，预估涌水量为500 m3/d。随着回采长度的不断增加，覆岩结构会受到严重破坏，围岩发生位移形成裂隙带，加剧渗流活动，直至发展到工作面中央，形成冒落。在回采长度为100、200、300 m 时涌水量达到极值，随后呈下降趋势。在450 m 时，涌水量达到峰值2 175.3 m3/d。随后覆岩结构逐渐稳定，涌水量开始下降，在900-1 000 m3/d 徘徊。涌水量预计曲线图如图4 所示。

图4 覆岩结构开采顶板涌水量预测曲线图

4 结 论

本文通过对斜沟煤矿3 号煤层覆岩结构综放开采时覆岩层的裂隙规律分析和相应数值模拟分析可以看出，该覆岩结构破坏区域可分为3 个带，包括冒落带、裂隙带和弯曲下沉带3 个部分；且冒落带岩体运动方向为垂直向下且朝采空区位移，采空区煤体向冒落带方向位移，工作面煤体水平朝工作面位移，覆岩结构顶板渗流分孔隙和裂隙渗流2 种方式，通过预测分析可知，初始阶段以孔隙渗流方式为主，用水量不断增加，当达到450 m 时，涌水量达到峰值2 175.3 m3/d，随后开始下降，并在900-1 000 m3/d 区间波动。