王洼煤矿水库坝体下工作面安全开采高度研究

杨涛，张一铭，张杰，林海飞，闫医慧，张建辰，马海虎，孙建平，庞海波，武浩昊

摘要：為解决水库坝体下开采安全性，提高煤炭资源回收率，以王洼煤矿水库坝体下110505工作面为研究背景，通过物理仿真模拟、数值模拟及理论分析等方法对覆岩裂隙发育规律及导水裂隙带高度展开研究。为避免矿井开采对地表水坝与水体破坏，针对导水裂隙带高度分析结果，提出了110505工作面限高开采方案。结果表明：工作面开采后地表形成“凹”型盆地，并产生拉伸裂隙，致使地表水位下降78%；现场实测导水裂隙高度为170.76 m，物理仿真模拟试验、数值计算、传统经验公式得出三者的导水裂隙带高度分别为162，164 m和120.57 m；方差修正系数对经验公式做出修正后，反推出限高开采的安全开采高度为2.6 m。研究揭示了工作面覆岩导水裂隙带高度发育规律及水库水体受采动影响的规律，为王洼煤矿后续此类条件下安全措施的制定提供了依据。

关键词：水库下采煤；高强度开采；绿色开采；物理仿真；导水裂隙带

中图分类号：TD 32文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2024）01-0043-11

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0105开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on safety mining height beneath the reservoir and dam in Wangwa coal mine

YANG Tao1，ZHANG Yiming1，ZHANG Jie1，LIN Haifei1，YAN Yihui1，ZHANG Jianchen2，

MA Haihu3，SUN Jianping1，PANG Haibo1，WU Haohao1

（1. College of  Energy Science and Engineering，Xian  University of Science and Technology，Xian  710054，China；2.Shaanxi  Branch of China United Network Communications Co.，Ltd.，Xian 710000，China；3.Ningxia Wangwa Coal Industry Co.，Ltd.，Guyuan 756505，China）

Abstract：In order to improve the safety of mining under the reservoir dam and improve the recovery rate of coal resources，110505 working face under the reservoir dam of the Wangwa coal mine was taken as the research background，the development laws of overlying rock fissures and the height of the were studied through methods such as physical simulation，numerical simulation，and theoretical analysis.In order to avoid damage to surface dams and water bodies caused by mine mining，a height-limited mining plan was proposed for the mining of the 110505 working face based on the height analysis results of the water-conducting fracture zone.The results show that after the working face is mined，a “concave” basin is formed on the surface，and traction cracks are generated， with the surface water level  dropped  by 78%；the height of the water-conducting cracks actually obtained on site is 170.76 m；physical simulation experiments，and numerical calculations，the traditional empirical formula shows that the heights of the wa-ter-conducting fracture zones of the three are 162 m，164 m and 12057 m respectively.After the empirical formula was modified by  the push-wave correction coefficient，it was deduced that the safe mining height for high-limit mining is 2.6 m.The study reveals the height growth pattern of the water-conducting fracture zones  in the overlying rock on the working surface and the pattern of the reservoir water body  affected by mining，providing a reference for the subse quent formulation of safety measures in Wangwa coal mine under such conditions.

Key words：coal mining under reservoirs；high intensity mining；green mining；physical simulation；water-conducting fracture zone

0引言

煤炭资源作为中国的主导能源，其安全高效开采是中国的重大战略需求。据不完全的统计数据，中国各类型水体下埋藏着近百亿吨的压煤资源[1]，对这部分优质水体的保护以及煤炭资源的采出是当前亟待解决的问题之一。

在西部煤炭地下开采过程中，由于导水裂隙的形成，导致地下水的流失和地表生态恶化，通过深入研究西部矿区采动导水裂隙的发育规律，可以为实现该地区的煤炭绿色开采提供重要的指导[2-3]。武强等针对顶板突水问题，基于“三图法”，设计了实现煤层顶板突水过程可视化的方法，为水体下采煤安全预测提供了新途径[4-6]；赵兵朝等基于不同开采条件和导水裂隙带广义损伤因子之间的关系，简化了导水裂隙带最大高度计算方法，结果表明导水裂隙带的广义损伤因子大小与其断裂损伤程度成正比[7-9]；孙亚军等对大南湖矿区导水裂隙演化规律进行了研究，发现当采裂比为13.09～15.67时，导水裂隙带呈“梯台型”形态，呈“稳定增加—波动变化—恢复稳定”的演化过程，且导高影响范围内含水层的渗透系数达到3～5倍[10-11]；黄庆享通过实验对上下行裂隙发育进行了分析，研究结果表明，上行裂隙的发育高度和下行裂隙的发育深度都与采高成正比，限高开采可以控制采动裂隙带的发育，提高隔水层的稳定性，并将采隔比作为隔水依据，分为了自然保水开采、可控保水开采和特殊保水开采三种保水采煤分类[12-14]；池明波等考虑水资源的属性，对采动影响下矿区水资源承载力主要影响因子进行了分析，提出了水资源承载力的评价体系，并研究了采动影响下评价指标对矿区水资源承载力的影响规律，结果表明含水层受采动影响后变化具有明显的周期性特征，表现为减小—增加—减小—恢复；隔水层位置一定时，随着采高的增加，含水层受扰动越严重[15]；张杰等采用物理仿真模拟对保水开采中覆岩破坏“三带”的发展规律进行了相似材料模拟实验研究，研究结果表明在浅埋煤层开采中基岩厚度较大时覆岩垮落不是整体切落，并且存在传统意义上的“三带”；同时，揭示了采高是影响导水裂隙带发育高度的主要因素[16-17]；来兴平等采用物理相似模拟试验研究三软煤层综放工作面的导水裂隙带发育规律，提出了开采强度对库区的影响规律，结果表明裂隙发育数量自地表而下逐渐增多，裂隙带发育演化呈现出“缓慢发育—逐级渐进升高—大幅突然升高—周期小幅升高—稳定发育”五个阶段，并得出导水裂隙带高度与采高成线性关系[18]。

综上所述，学者们对导水裂隙带的发育规律以及覆岩破坏规律展开了系统的研究，已经形成了大量的理论成果。然而对于水库下这一特殊条件煤层开采，目前开采对此条件下的导水裂隙带的研究仍然较少，所以对该条件下的研究尤为重要。因此，以王洼煤矿110505工作面水库坝体下高强度开采为研究背景，开展了煤层开采覆裂隙演化分析和导水裂隙带发育高度預测，为类似条件下安全开采提供借鉴与参考。

1工程概况

王洼煤矿位于宁夏回族自治区王洼镇，该矿现核定生产能力为600万t/a，目前开采5煤，煤层埋深432.81 m，平均煤厚9.08 m，属特厚煤层，采高3 m，放煤高度6.08 m。在井田范围西南有一处人工水库，总库容77万m3，水库位于煤矿110505工作面上方，且该区域采用综合机械化放顶煤开采，开采扰动强烈。矿井采掘布置及地层示意如图1所示。

2水库坝体下高强度开采覆岩裂隙演化分析

2.1物理仿真模拟试验设计

为研究水库坝体下高强度开采工作面覆岩破断移动及裂隙分布情况，以矿井钻孔资料为依据，使用1 500 mm×1 200 mm×200 mm固液耦合试验平台[19]，以河沙作为骨料，水泥和大白粉作为胶结材料，并以非亲水材料作为模型主体按照一定比例配置而成[20]。通过高精度水分子测试仪、红外成像仪[21]、全站仪和钻孔窥视仪等设备进行试验观测。根据模拟试验相似理论，将模拟采区煤层的埋深、煤层厚度等参数[22]，结合试验台几何尺寸，选用的几何相似常数为100，容重相似常数为1.56，渗透系数相似常数为6.4。材料模型参数及材料配比见表1，模型设计如图2所示。

为监测模型的沉降与导水裂隙带发育情况，在模型开采过程中，选用全站仪记录模型表面测点，对模型回采过程中工作面覆岩运移进行全方位监测；同时运用钻孔窥视仪分别对位于模型中坝体下方泄洪区位置、大坝和水库边缘地表黄土层与水交界处进行监测。

2.2上覆岩层及坝体岩体运移演化规律

王洼煤矿11采区110505工作面开采对水库下的安全开采构成威胁，从而影响在水库下的安全开采。基于开采损害理论[23-24]，通过对各个观测点进行监测，绘制出5煤工作面开采过程中上覆岩层垮落高度、覆岩下沉及地表下沉曲线，如图3所示。

当工作面推进至85～118 m时，离层现象明显，后方岩层形成铰接结构，垮落带高度为50 m，地表发生微弱下沉，裂隙带向上发育；推进至148～175 m时，顶板大面积垮落，覆岩上部形成铰接结构，原有下部离层逐渐闭合，产生新的覆岩离层，上覆岩层发生下沉但仍起着承载作用；推进至200～223 m时，采空区被压实，各岩层主要以弯曲下沉为主，地表下沉量猛然增加，下沉量达到4.6 m；推进至260 m处，上覆岩层发生微弱下沉，原有下部离层逐渐闭合；由于开采煤层较厚，地表整体下沉量较大，形成“凹”型盆地，受边界效应导致左右边界为上覆岩层未充分垮落，地表下沉量最大。

从图4可以看出，工作面回采结束后垮落带和裂隙带分布明显，覆岩大面积垮落，垮落带高度为52.4 m，煤壁侧垮落角度为64°，上覆岩层发生下沉，原有下部离层逐渐闭合。试验得出的王洼煤矿采空区垮落带最大高度约为52.4 m，最大垮采比约为6.1，在理论预计范围内。

2.3水库水体渗流规律

在试验过程中对水位和湿度进行监测，从图5可以看出，当工作面推进到178 m时，水库发生破坏导致地表水下渗量增大，水库下方50 m处的湿度上升速度加快。由于导水裂隙带上方形成了弯曲下沉带，导致地表隔水土层发生变形和含水层潜水渗流。

当工作面完全开挖完毕时，水库下方50～100 m处的岩层湿度相比模型开挖前增加了575%。在试验过程中，用红外成像仪以红外色谱云图的方式呈现裂隙场的发展特征。当模型开挖完毕时，红外温度色谱云图显示上覆岩层发生了失稳破坏，同时基岩沿着约64°的破断角向上发展，松散含水层的水位也下降。在工作面推进距离为0～160 m的范围，水位均匀缓慢下降，而在推进到172 m时，由于水库破坏导致地表水下渗量增大，水库下方处的湿度上升速度加快，湿度达到了93%。隔水层上部由于拉伸作用产生微小裂隙，地表水向下渗速度和坝体右侧扩散加快，待工作面推进至210 m后，水位下降速度减缓，是由于隔水层微小裂隙重新闭合。综上可以看出，随工作面推进到不同位置对地表的影响是不一致的，整个模型开挖结束后水位从50 mm下降至12 mm，下降比率为76%。

2.4覆岩裂隙发育特征

2.4.1裂隙发育数量及方位特征

为直观地反映受采动影响后覆岩的破坏程度[25]，通过配套的K-12A钻孔图像软件，可以查看和读取孔内裂隙的发育情况，如图6所示。当工作面回采结束后，1#钻孔的裂隙发育方位角集中于170°～270°，2#钻孔的裂隙发育方位角集中于229.5°～360°，3#钻孔的裂隙发育方位角集中于270°～360°。综上可以看出，1#、2#与3#钻孔内裂隙发育方位角类似，均位于180°～360°范围。在实际生产过程中，该矿井由北向南推进。分析认为，工作面回采过程中覆岩裂隙的发育主要位于正西方向。

2.4.2地表裂隙发育特征

开采引起的沉陷影响范围内，工作面开采边界外围区域的地表会发生水平拉伸变形，并产生裂缝，这些裂缝最初形成于工作面周围的水平拉伸变形区域，并随着开采的进行逐渐扩展。

当工作面回采结束后，可观察到水库和坝体上出现了水平横向裂隙和水平竖向裂隙，其中在坝体边坡上还出现了裂缝。因此，在现场实际生产中，应采取相应的安全防水措施。

3不同开采强度下覆岩的模拟分析

为更直观地观测水体下不同开采强度三带的时空响应规律，在使用MIDAS和FLAC3D软件构建模型时，假设自重应力场为初始应力场，对开采后的煤体进行了无水无压处理。在模型构建时参考王洼煤矿的实测资料，来确定岩体的孔隙率、渗透系数等参数。

3.1流固耦合数值模型的建立

以王洼煤矿库区下110505工作面为地质原型，并建立三维模型，本模型划分为680 400个单元，煤层高度为9.08 m，煤层沿走向布置，工作面走向长度定为300 m，煤层倾角选取值为6°，建立模型如图8所示。煤层上覆基岩423 m，含水层属弱富水性含水层。根据井上下对照图，沿着工作面走向进行剖面，根据开采方式分别研究工作面开挖后覆岩塑性区、垂直应力分布规律、覆岩位移变化、水平位移变化等变化规律。

3.2上覆岩层破坏特征模拟分析

通过观测上覆岩层在工作面推进过程中发生屈服破碎的范围，进行时间及空间上对应的响应特征分析。为了更加直观体现上覆岩层的变形规律，采用覆岩塑性区、位移区和应力区模拟结果进行分析，提取数据并进行显像处理，如图9所示。

随着工作面的推进至90 m，工作面顶板的塑性变形区域扩展，采空区上方岩层的位移图类似于一个“拱”形，围岩不断向上扩展。推进至120 m时，基本顶裂隙逐渐发展，顶板下沉量增大，并且呈不规则垮落状态，工作面中部覆岩塑性区最大高度为92 m，端头处顶板塑型区的最大高度为53 m，此时垮落带高度为48 m，裂隙带高度发育至51 m。当工作面推进至180 m时，工作面端头位于坝体的左边界，此时，导水裂隙的发育程度显著增加。同时，覆岩塑性区的范围继续扩大，并且形成了近乎对称的马鞍形状。

工作面推进到210 m时，煤层顶板仍处于拉应力破坏状态。破坏区前后宽度相对稳定，而采空区上方的塑性区宽度已扩大至104 m。上覆岩层破坏的范围已经穿透直罗组最上段的粗粒砂岩，且在水库及坝体右侧出现了较小塑性区域，说明此事开采扰动已经波及到水库和坝体，覆岩塑性区范围近一步扩大，塑性区域继续扩展。工作面开采240 m时，左侧塑性区发展不明显，右侧呈拱形态，剪切破坏主要在煤层推进前端，后方基本稳定。工作面开采300 m时，模型上部2个端部出现新的剪切破坏区，导水裂隙带高度約168 m，裂隙扩展至安定组底部，可能影响含水层潜水渗流。

4覆岩破坏高度现场实测

4.1钻孔位置及方案设计

基于物理仿真及数值模拟的基础上，设计实测方案，对覆岩破坏高度进行的判定。在工作面上方布置2个采后观测孔，由于水库坝体下煤层尚未进行开采，因此将钻孔布置在相邻已采工作面，用以对即将开采的工作面进行指导。

本次观测采用钻孔冲洗液漏失量法，获取了有关采后覆岩导水裂隙发育情况的数据[26]，为反映工作面开采后覆岩破坏的一般性规律，两钻孔分别相距285 m，并且位于110503工作面采空区倾向中线内，钻孔布置如图10所示。

4.2探测结果与分析

钻孔冲洗液漏失量法是目前用于采动覆岩导水裂缝带高度探测的最常用、最准确方法。通过记录钻孔冲洗液漏失量和钻孔内水位变化，可以判断导水裂缝带的高度。现场布置如图11所示，漏失量观测示意如图12所示。

从图12（a）可以看出，当钻孔钻进至267 m时，漏失量突然增大；钻进至286.60 m时冲洗液全部漏失。从图12（b）可以看出，在钻进至262 m时，冲洗液的漏失量开始增大。当孔深达到283 m时，经过反复注水也无法使水回流。综合岩芯地质编录及钻孔窥视得到，裂隙带发育顶界面位置在1号孔孔深的234.85 m左右，导水裂缝带发育高度为161.15 m，为采厚的17.9倍。

2号孔裂隙带发育顶界面位于孔深的263.8 m左右，导水裂缝带发育高度为170.76 m，为采厚的19倍；5煤弯曲下沉带发育高度已到达地表，地表受不均匀沉降产生拉伸裂隙。

4.3三带高度公式修正分析

由于物理模拟、数值模拟是已经对相关的地质条件进行简化，故其所得数据与现场实际数据存在偏差。因此，为了得到更加准确的研究数据，根据上述综合分析，对相似物理模拟试验、数值模拟试验、经验公式分析和现场实测4组数据进行对比，对比对象为实测最大值：垮落带高度为47.76 m，导水裂缝带发育高度为170.76 m。导水裂隙带高度经验计算公式为

Hm=100∑M0.49∑M+19.12±4.17（1）

Hli=100∑M0.23∑M+6.10±10.42（2）

式中Hm为垮落带高度，m；Hli为导水裂隙带高度，m；M为煤层开采厚度，取9 m。

根据导水裂缝带高度公式可得，采区覆岩垮落带高度分别为34.07、42.42 m；裂隙带发育高度为99.74～120.57 m。

现对试验观测值和理论计算值进行对比分析，见表2。

从表2可以看出，經过经验公式计算所得导水裂隙带高度与现场实测结果误差为-29.39%。为确保安全，应将现场观测数据中的最大值作为该矿井条件下的导水裂隙带高度。传统“三下”规范经验公式的垮落带高度与导水裂隙带高度预计均明显低于实测值，若以此进行相关安全规程的制定将存在一定的安全隐患，通过进行相似模拟试验和数值模拟，并与实际现场测量值进行比较，误差仅为5%以下吻合度较好。运用方差系数对传统的“三下”规范经验公式进行优化，以适用于生产矿井的实际需求。应用标准差理论对导水裂隙带高度与垮落带高度进行分析，即

σ=∑ni=1（xi-）2n（3）

式中为数据的平均数。

将上述4种方法所得数据代入式（4）分别得到垮落带与导水裂隙带的均方根误差分别为7.86与20.01。将方差修正系数带入到经验公式，得到适用于王洼煤矿水库坝体下高强度开采的导水裂隙带修正公式为

Hms=100∑M（0.49∑M+19.12）k±4.17（4）

Hlis=100∑M（0.26∑M+6.88）k±11.49（5）

式中Hms为修正工作面垮落带高度，m；Hlis为工作面导水裂隙带修正高度，m；∑M为煤层累计开采厚度，m；k为方差修正系数。

综上，在水库坝体特厚煤层综放开采的条件下，需要降低井下开采扰动对地表造成影响，通过现有手段对其经济性进行分析。①目前充填开采作为现阶段绿色开采的一种重要方法，适用范围十分广泛，但是由于王洼煤矿110505工作面位于水库坝体之下，导致从地面钻孔充填材料进入到采空区的工程难度较大，当从井下铺设管路，间接导致矿井的生产成本加大，因此不适用于本矿井；②搬家倒面是最为简单的一种处理复杂地质条件下煤层开采问题的方法，但是由于国家现阶段对煤炭资源的严格管理，为了避免煤炭资源的浪费和煤矿在经济上的损失，因此不可采用此方法；③限高开采作为一种不增加额外成本的开采方法，在保证煤矿安全生产的基础上，也保证了工作人员的安全，有效降低了导水裂隙带贯通至地表，造成地表水涌入到工作面发生淹井的情况，从而达到绿色开采的目的。

通过现场观测钻孔漏失量，导水裂隙带高度发育最大为170.76 m，在导水裂隙带上方形成弯曲下沉带，并且由于弯曲下沉带的形成，上覆岩层产生了离层，导致隔水土层发铆钉轴剪切变形，从而致使水库坝体产生变形破坏，经过物理仿真模拟试验得到弯曲下沉带上方为隔水土层，并且受开采高度的影响明显，为避免在实际生产过程中因为采高过大而造成大坝与库区水渗入地下，所以导水裂隙带发育高度不应与隔水土层相近。根据试验结果将导水裂隙带安全高度控制在82.88 m，重新带入式（5），反算得出工作面安全开采高度为2.6～4.2 m时，能够将导水裂隙带发育范围控制在安全高度，即当采高降低为2.6 m时，能够使水库水体下的隔水层能够处于稳定连续状态，从而保证水库水体的安全稳定性，从而降低井下开采造成地面水坝大变形与水库水涌入工作面，降低淹井事故的发生率。

根据《三下采煤规程》《保水采煤技术规范》（DB61/T 1295—2019）以及《堤防工程管理设计规范》相关规定，结合以上对矿井三带高度修正结果，在现阶段的情况下，采用限高开采2.6 m的方法，在原工作面设备不变的情况下，降低煤层的采高可以有效地避免因为开采扰动对大坝及水体造成破坏，同时对坝体采取了预加高、防渗等措施，确保了煤矿的安全回采工作。截止目前，王洼煤矿水库坝体下工作面已经安全回采，回采期间水库水量稳定，且工作面用水量始终处于94 m3/h的安全涌水阈值内，说明通过导高带的准确修正预测，能够大大提高水体下高强度开采的安全性。

5结论

1）通过固液耦合物理相似模拟发现工作面开采后地表下沉最大值为7 m，形成了“凹”型盆地，上覆岩层受到采动影响而产生拉伸变形，导致水库坝体发生破坏，地表水产生渗流，水库下方湿度为93%，地表水下降率为76%，发现采高是影响导水裂隙带发育的主要原因。

2）从回采期间工作面上覆岩层破坏特征及导水裂隙带随采高的变化规律分析发现，导水裂隙带发育高度为164 m，与物理相似模拟结果的162 m一致。但受西北地区煤层因其赋存条件不同，传统“三下”规范经验公式计算结果为120.57 m，发现经验公式的计算结果差异较大，需对其进行修正。

3）以现场实测数据为准，运用方差修正系数对传统三带公式进行修正，当工作面采高为2.6～4.2 m时，可以有效的控制导水裂隙带的发育高度。为保证水库下隔水土层的稳定，控制水库水体的下渗，最终确定限高开采的工作面煤层合理开采高度为2.6 m。为王洼煤矿110505工作面的安全开采提供了理论依据。

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（责任编辑：刘洁）