彬长矿区巨厚砂岩含水层下综放开采导水裂隙带高度研究

盛奉天，段玉清

(中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083)

我国是世界上煤矿水害最为严重的国家之一，许多煤田都存在水体下采煤的问题[1]。矿井水害严重制约着我国煤炭安全生产，煤矿涌水及突水不仅严重影响井巷开拓和工作面回采，甚至会造成重大的人身伤亡和经济损失，同时还会破坏地下水资源、诱发地表生态地质环境灾变[2]。据初步统计，我国600余处国有重点煤矿受水威胁的矿井占47.5%，受水威胁的煤炭储量达到250亿t，其中受顶板水体威胁的煤炭储量近百亿吨，经济损失超过350多亿元人民币[3-6]。导水裂隙带高度是沟通顶板含水层与采空区的涌水通道，因此研究导水裂隙带高度对顶板水害防治具有重要意义[7]。

彬长矿区各矿井一直深受顶板巨厚砂岩含水层的影响，我国众多学者对该矿区顶板涌水进行了大量研究，如靳德武[8]等研究了彬长矿区部分矿井导水裂隙带高度，得出了导水裂隙带高度与工作面斜长、采深和采厚的关系；昝军才[9]等研究了小庄矿4号煤层高强度开采的导水裂隙带高度和裂采比；武谋达[10]等研究了大佛寺煤矿开采过程中受洛河组含水层影响，总结了顶板涌水的规律；李超峰[11]等研究了彬长矿区巨厚洛河组含水层的垂向差异性，根据洛河组岩性、富水性、水质、水温等因素将洛河组分为上下两段；蔺成森[12]等综合分析了彬长矿区煤层开采顶板涌水特征，提出了该矿区防治水技术的成套体系；段红民[13]等预计了彬长矿区最大导水裂缝带高度，确定了适合彬长矿区煤层开采的方法和工艺等。虽然众多学者对彬长矿区进行了大量研究，但还没有形成统一的适用于该矿区的导水裂隙带高度经验公式。笔者主要通过对彬长矿区各矿井导水裂隙带高度实测数据的分析，总结出适用于该矿区的导水裂隙带高度经验公式，并以雅店矿ZF1403工作面为背景依托应用该公式进行导水裂隙带高度的研究，可为类似条件矿井导水裂隙带发育高度提供借鉴。

1 彬长矿区概况

彬长矿区位于我国14 个大型煤炭基地之一的黄陇煤田，矿区东西长46km，南北宽36.5km，面积978km2，煤炭资源地质储量8978.83Mt，可采储量5362.09Mt，矿区内大多数矿井采用综采放顶煤开采延安组第一段中上部4号煤层，全部垮落法管理顶板。4号煤层厚度为0.15～43.87m，平均达到10.65m，煤层顶板多以砂岩为主，砂质泥岩次之，属于中硬顶板。煤层上方存在多个含水层，通过水文地质勘察得知其中洛河组巨厚砂岩含水层富水性较强，其余含水层富水性较弱，4号煤层与洛河组巨厚砂岩含水层平均间距164m，水文地质情况如图1所示。矿区内各矿井工作面回采过程中顶板涌水量大，严重影响了矿井的正常安全生产，矿区内部分矿井顶板涌水统计情况见表1[13-19]。

图1 彬长矿区水文地质综合图

表1 彬长矿区部分矿井顶板涌水情况

2 导水裂隙带发育高度理论计算

2.1 经验公式计算及适用性分析

许延春教授在收集了大量综放开采导水裂隙带高度数据的基础上，通过数理统计分析得出了中硬及软弱覆岩条件下适用于综放开采的导水裂隙带高度经验公式。目前对于导水裂隙带高度的预计，在矿井没有实测数据的情况下，多以经验公式计算为主，其计算值可作为矿井导水裂隙带高度的参考。由于彬长矿区大多数矿井采用综放开采4号煤层，顶板多以砂岩为主，属于中硬类型，因此，采用中硬覆岩条件下综放开采导水裂隙带高度经验公式进行计算，经验公式见式(1)[20]，并将所求的导水裂隙带高度与实测值进行对比，结果见表2[8，14，21，22]。

表2 彬长矿区部分矿井导水裂隙带高度实测与经验公式及回归公式计算对比

式中，Hli为导水裂隙带高度，m；M为采厚，m。

由表2可以看出，导水裂隙带经验公式在彬长矿区各工作面的计算中存在失真问题，计算结果与实测数据相比普遍偏小，相差值大多在40～80m之间，部分可达90～120m，显然经验公式的计算参考值已不适用于彬长矿区，主要原因分析如下：彬长矿区主采4号煤层，其赋存具有煤层厚、埋深大、开采强度高的特点，高强度开采导致覆岩破坏程度远高于普通地质条件下综放开采覆岩破坏程度；综放开采导水裂隙带经验公式是在收集了大量综放开采导水裂隙带高度实测数据的基础上采用一元线性回归统计而来的，统计数据中彬长矿区的实测数据较少，因此对此地区的覆岩破坏高度预测不具有代表性；经相关研究发现，导水裂隙带发育高度与煤层采厚、埋深、工作面宽度、覆岩类型等多种因素有关，经验公式只考虑了不同覆岩条件下煤层采厚这一因素，而未考虑其他影响因素。由表1中的采厚与导水裂隙带高度实测值拟合的关系曲线如图2所示，可以看出R2=0.73，拟合效果较差，因此只考虑采厚对导水裂隙带高度的影响是不全面的。

图2 采厚与导水裂隙带高度拟合关系曲线

2.2 彬长矿区导水裂隙带高度回归公式

基于表2中实测数据，在考虑工作面宽度、煤层埋深、采厚三种因素条件下，使用origin软件多元线性回归得出彬长矿区导水裂隙带高度与上述三因素之间的关系，见式(2)。

Hli=0.3373W+0.0775D+13.9523M-66.7430，R2=0.87

(2)

式中，W为工作面宽度，m；D为煤层埋深，m。

将各工作面参数代入式(2)，得出对应的导水裂隙带回归公式预计值，见表2。对比实测值求得误差，并利用贝塞尔公式(3)求得标准偏差：

求得S=11.31，进而得到彬长矿区中硬覆岩综放开采条件下导水裂隙带发育高度回归公式：

Hli=0.3373W+0.0775D+13.9523M-

66.7430±11.31

(4)

将表2中各组工作面按导水裂隙带高度实测值由低到高依次编号为1～17，使用回归公式计算得出表中各矿导水裂隙带高度值，与实测值、经验公式计算值进行对比，结果如图3所示。由图3可以看出，实测值曲线位于回归公式计算值上下限范围内，回归公式计算值与实测值接近，回归效果良好，因此回归公式可用于彬长矿区中硬覆岩条件下矿井导水裂隙带高度的计算。

图3 导水裂隙带高度计算对比

3 回归公式应用

3.1 工程概况

以彬长矿区雅店矿ZF1403工作面为工程背景，应用回归公式对导水裂隙带高度进行研究。雅店矿ZF1403工作面走向长度1600.7m，倾向长度200m，采用综采放顶煤开采延安组第一段中上部4号煤层，覆岩类型为中硬，全部垮落法管理顶板。4号煤层平均埋藏深度约为700m，倾角0°～7°，煤层厚度变化较小，平均厚度13.5m，局部含夹矸两层，夹矸厚度为0.20～0.66m。工作面上方存在多个含水层，水文地质综合柱状图如图4 所示，通过水文地质勘察得知其中洛河组巨厚砂岩含水层富水性强，其余含水层富水性较弱，工作面回采过程中顶板涌水量大，严重影响了矿井的正常安全生产，由水质化验可知顶板涌水主要来源为洛河组含水层。2020年2月—8月工作面月平均涌水量统计结果如图5所示，由图5可见，工作面涌水量较大，因此探明导水裂隙带发育高度可以为水害防治措施的制定提供理论依据。将雅店矿ZF1403工作面各参数分别代入经验公式(1)和回归公式(4)计算可得：导水裂隙带发育高度经验公式计算结果为118.44～141.42m，回归公式计算结果为232.01～254.63m。

图4 水文地质综合柱状图

图5 工作面月平均涌水量统计

3.2 数值模拟分析

3.2.1 数值模型建立

根据雅店矿ZF1403综放工作面2-3钻孔柱状图建立FLAC3D数值模型，模拟随工作面推进上覆岩层的破坏高度及塑性区发育特征。洛河组巨厚砂岩含水层为340m，为提高计算机运算速度模型只建200m，模型顶部至地表未建岩层共320m，在上表面施加8.0MPa的等效载荷代替，模型四周及底部边界固定，顶部为自由边界，X方向为工作面走向，Y方向为工作面倾向，为消除边界影响X、Y方向两边各预留200m煤柱，开挖步距为40m，共开挖400m，最终确定模型尺寸为800m×600m×400m(长×宽×高)，岩体本构关系采用Mohr-Coulomb准则，数值模型如图6所示，岩层参数见表3。

图6 数值计算模型

表3 岩层力学参数

3.2.2 模拟结果分析

随着工作面的回采，上覆顶板岩层出现不同类型的破坏，自下而上可分为拉张破坏区、剪切破坏区和弹性区。数值模拟中一般将拉张破坏区视为垮落带范围，将剪切破坏区视为裂隙带范围，两者之和视为导水裂隙带高度范围。不同开挖步距下顶板破坏塑性区如图7所示，当工作面推进40m时，采空区上方中部岩层的主要破坏类型为拉张破坏，而开切眼及煤壁前方顶板岩层出现剪切破坏，破坏范围整体呈现出两边高中间低的“马鞍型”形态，如图7(a)所示；当工作面推进120m时，高度继续向上发育，高度为122.9m，如图7(b)所示；当工作面推进240m时，顶板岩层破坏形态仍未发生明显变化，覆岩破坏高度进一步增大，达到243.5m，如图7(c)所示；工作面推进400m时，相比工作面推进240m时剪切破坏区范围明显增大，而覆岩破坏高度不再增加，如图7(d)所示。因此，可认为工作面推进至240m时，已达到该开采条件下的充分采动，导水裂隙带高度不再发生变化，最终高度确定为243.5m。

图7 不同开挖步距下顶板塑性区

根据数值模拟结果得到导水裂隙带发育规律如图8所示。其变化可分为以下3个阶段：缓增阶段，工作面自开切眼推进后，直接顶岩层达到其极限跨距开始垮落，覆岩破坏开始缓慢向上发育；突增阶段，随着工作面推进距离增加，采空区范围不断增大，破坏范围已波及到上覆各坚硬岩层，厚而坚硬的岩层破断失去了自承载作用，导致覆岩破坏高度急剧增大；稳定阶段：当工作面推进至240m时，覆岩破坏高度达到最大，随着工作面继续推进，破坏高度不再发生变化。

图8 导水裂隙带发育规律

3.3 现场实测

ZF1417工作面位于ZF1403工作面南部约500m处，现场施工过程中，采用井下施工钻孔探测的方法实测了ZF1417工作面4号煤层开采导水裂隙带发育高度，通过ZF1417工作面3个钻孔进行注水漏失量观测，得到了3个钻孔液漏失量的变化规律，确定了导水裂隙带高度，由于ZF1417工作面与ZF1403工作面位置较近，工作面布置方式、采煤方法、工作面宽度及煤层埋深均相同，因此ZF1417工作面导水裂隙带实测值可作为ZF1403工作面导水裂隙带高度的参考值，实测数据见表4[23]。由于ZF1403工作面煤层厚度变化较小，煤厚11.8～15.4m，平均为13.5m，1号钻孔煤层厚度偏小，采厚作为影响导水裂隙带发育高度的重要因素之一，因此，1号钻孔实测数据不具有参考价值，由2号、3号两钻孔实测数据可知，当采厚为12.6m和13.5m时导水裂隙带发育高度分别为214.2m和270.0m，平均为242.1m。

表4 导水裂隙带高度实测数据

将传统经验公式、回归公式、数值模拟及现场实测4种方法得到的导水裂隙带发育高度结果进行综合对比，结果见表5。由表5可以看出，数值模拟和实测值结果接近，两者均位于回归公式计算值范围内，而传统经验公式计算结果与实测值相差较大，误差大于100m，进一步说明了经验公式在彬长矿区的不适用性，而回归公式应用效果良好，可作为彬长矿区导水裂隙带高度的参考。

表5 导水裂隙带高度综合对比表 m

4 结 论

1)通过收集彬长矿区17 组工作面导水裂隙带高度实测数据，得到经验公式计算结果在彬长矿区应用存在失真的问题，并通过回归分析得出了适用于彬长矿区中硬覆岩条件下的导水裂隙带高度公式。

2)基于彬长矿区雅店矿地质条件，通过数值模拟和现场实测得到的导水裂隙带高度与回归公式计算结果基本吻合，回归公式应用效果良好。