《綜放開采中硬頂板導水裂隙帶發育高度研究》論文發表期刊：《內蒙古煤炭經濟》；發表周期：2020年11期

《綜放開采中硬頂板導水裂隙帶發育高度研究》論文作者信息：作者簡介：湯雙成（1983-），男，湖北孝昌人，在職碩士研究生，高級工程師，研究方向：水文地質、工程地質

　　摘要：為了研究丁集一礦13-1煤蹤放開采下中硬頂板導水裂腺帶發育高度及其規律，采用數值模擬和相關性分析，并結合經驗公式計算和電法勘探的數據，研究導水裂腺帶高度與煤層采高、工作面寬度以及工作面推進速度的關系。結果表明：導水裂隙帶高度與媒層采高、工作面寬度呈一種指數型關系;隨著工作面推進速度的增加，導水裂隙帶的發育高度變化不大，但變化過程更為明顯。

　　關鍵詞：丁集一礦;綜放開采;導水裂隙帶高度;裂采比

　　1研究現狀

　　導水裂隙帶發育高度一直是受頂板水害威脅礦井的主要研究方向，很多專家學者都對其做了大量研究。

　　楊艷國[利用理論計算、數值模擬、相似材料模擬方法預測了某煤礦導水裂隙帶發育高度，結果對水體下安全開采提供了重要的理論依據。劉玥“以榆陽區三臺界煤礦為背景，采用理論計算和數值模擬方法研究了導水裂隙帶發育規律及最大高度，并取得了良好結果。劉國磊[1針對官莊河礦區采空區的大量積水，采用鉆孔沖洗液漏失量和導高觀測儀注水漏失量觀測法，對導水裂隙帶發育高度進行了實測，確定可以保水開來。譚希鵬分析了支持向量機計算導水裂隙帶發育高度的可能性，具有較好的可行性。郭文[以富水厚砂層下分層開采為背景，利用地面鉆孔沖洗液漏失量觀測法測得導水裂隙帶高度。王延蒙“通過經驗公式和運用RFPA2D軟件對煤層開采進行模擬，并得到了導水裂隙帶高度。楊國勇"采用層次分析-模糊聚類分析法得到導水裂隙帶高度與實測值十分接近，說明該方法的合理性。方剛以焦坪礦為背景，采用數值模擬與經驗公式相結合的方式預測了頂板導水裂隙帶的高度。張延飛克服了導水裂隙帶預測單一方法的局限性，采用理論計算公式法、經驗類比計算法、覆巖關鍵層計算法綜合預測了導水裂隙帶的發育高度。朱偉"采用水文觀測、注水試驗等方法，對潞安礦區頂板巖層裂隙分布進行了探測研究，確定了導水裂隙帶高度的發育范圍，還研究了中硬覆巖綜放一次采全厚導水裂隙帶的發育特征，得到了兩者的關系[1。胡巍[13研究了龍口礦區海域煤層開采后軟弱覆巖導水斷裂帶的發育高度。韓軍四以老虎臺礦為背景，采用數值計算、微震監測和瞬變電磁探測確定了采厚與覆巖破壞高度的關系，從而得到導水裂隙帶的預測值。白利民通過對實測數據的整理，采用數理統計以及回歸分析方法，得到了一組新的經驗公式，適用于綜放開采中硬頂板導水裂隙帶高度的計算。李鵬字[依據中硬覆巖綜放開采的實測數據，利用SPSS軟件進行回歸分析，確定了相應條件下導水裂隙帶發育高度。

　　雖然前人做了大量的有關煤層頂板導水裂隙帶發育高度的研究，但是依據不同的礦井類型及地質資料，導水裂隙帶的預測方法很難統一且難以推廣。尤其針對綜放開采條件下，中硬覆巖頂板的導水裂隙帶高度的研究比較缺乏。本文以丁集一礦13-1煤綜放開采條件為背景，在前人研究的基礎上，進一步探究了中硬覆巖下導水裂隙帶的發育規律，具有很好的針對性和實用性。

　　2工程背景

　　2.1水文地質條件

　　丁集一礦是淮南礦業集團按照煤電一體化模式建設的新型礦井，13-1煤為主采煤層，平均厚度3.64m，采取綜放開采。13-1煤頂板由泥巖和砂巖組成，屬于中硬頂板。13-1煤開采水文地質條件如下。

　　2.1.1含水層

　　研究區含水層(組)從上到下依次分為新生界松散層、煤系地層砂巖裂隙含水層(組)、太原組以及奧陶系灰巖含水層。

　　①新生界松散層(組)。丁集礦松散層厚度區間為325-603m，厚度變化由東南向西北遞增。細、中砂和含泥質砂礫層為含水層主要巖性。單位涌水量q=0.116-

　　2.768L./(s.m)，富水性中等到強的新生界松散含水層

　　(組)與煤系砂巖含水層(組)在井田東西翼存在一定的水力聯系。由于東翼深部下含底部有古近系和巖漿巖賦存，充當了相對隔水層，故砂巖裂隙含水層(組)與新生界下含水力聯系程度不密切。而西翼淺部下含底部不賦存古近系沉積，從而使煤系砂巖裂隙含水層(組)與新生界下含水力聯系程度相對較為密切。

　　②煤系地層砂巖裂隙含水層(組)。該含水層為礦井的直接充水水源，主要巖性為中、細砂巖，厚度變化較大。根據井田內抽水試驗資料，該含水層水位標高9.85-26.68m，q=0.0006-0.0348L./(s•m)。該含水層補給條件弱，因此其富水性弱。

　　③太原組灰巖巖溶裂隙含水層。該地層總厚度范圍為100~110m，地層埋深較大，離煤層開采位置相對較遠。根據收集整理的資料可知，該含水層共計有13層灰巖。12.4.3三層灰巖厚度較大，其余灰巖厚度較薄。單位涌水量q=0.00023 ~0.00095L./(s.m)，富水性弱。

　　④奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層。該含水層總體厚

　　度為3.4-94.0m，巖性主要由灰巖及白云質灰巖組成。

　　水位標高-26.711-+24.60m，單位涌水量q=0.003690.0348L./(s.m)，富水性弱。⑤巖漿巖含水層。井田東部分布有盤狀巖漿巖，在潘

　　集背斜軸部和淺處斷層區尤為密集。據礦區抽水資料，水位標高19.95 ~ 19.67m，q=0.00476-0.0412L./(s.m)，富水性弱。

　　2.1.2隔水層

　　①古近系砂礫層(組)。位于基巖面以上，厚度0180.75m，平均為56.67m，主要分布在井田東翼。該層(組)

　　主要由泥巖、粉砂巖、細砂巖及砂礫巖組成，泥鈣質膠結，分選性較差。砂礫巖自上而下局部松軟但礫石增多，粒徑增大。抽水試驗q=0.016-0.00065L.(s.m)。

　　②13-1煤底板隔水層(組)。該組隔水層主要巖性

　　為泥巖、粉砂巖和砂巖，其中13-1煤~C，'灰巖間的隔水層(組)對A組煤開采起關鍵隔水作用。C，11組灰巖為薄層灰巖，可作為A組煤開采時C，l組、奧灰和寒灰巖溶水害的有效隔水層。

　　2.2導水裂隙帶高度理論計算根據礦井水文地質規程“三下”開采規程、潘集礦區擬合經驗公式、潘謝礦區經驗公式，擬按采高2.7m、中硬頂板覆巖類型預計，采后導水裂隙帶最大發育高度為43.13m。而通過對11213工作面軌道順槽斷面鉆孔光纖及并行電法多參數綜合測試，得出采后導水裂隙帶發育

　　高度為47m.

　　3中硬導水裂隙帶高度發育特征

　　3.1數值模擬

　　在數值軟件的模擬過程中，一般以彈性區和剪切破壞區的下限，以及拉張破壞區的上限來確定導水裂隙帶的發育高度。

　　3.1.1模型建立

　　根據丁集一礦的地質資料，結合13-1煤頂底板工程地質條件特征，建立一個模型幾何尺寸為500mx200m x120m的模型。選取煤層為開挖對象，煤巖層近似水平，初始地應力為10MPa。

　　3.1.2參數選取

　　丁集一礦13-1煤頂底板巖性主要有泥巖、砂巖、粉砂巖等，通過巖石物理力學試驗獲得各巖層及煤的物理力學。

　　3.1.3結果分析

　　模擬著重研究了在煤層采高、工作面寬度、推進速度三個方面對煤層頂板導水裂隙帶發育高度的影響。

　　①煤層采高。不同的煤層采高會導致煤層頂板發生不同程度的破壞，從而直接影響導水裂隙帶的發育高度。當煤層開采工作面寬度和開采速度一定時，采高與導水裂隙帶高度關系。

　　表2中R表示擬合優度，取值在0-1，越趨于1表示擬合程度越好，越趨于0表示擬合程度越差。表2中各曲線類型的R均趨于1，表示導水裂隙帶發育高度與煤層采高的相關性強。其中指數型曲線擬合程度最好，故得到導水裂隙帶高度與煤層采高的關系為表2中的指數性關系。

　　②工作面寬度。當煤層采高與煤層開采速度一定時，導水裂隙帶發育高度與煤層開采工作面寬度關系。

　　根據曲線擬合的結果，指數型的R2 最接近 1，故導水裂隙帶高度與工作面寬度是指數型關系。

　　③推進速度。當煤層采高與工作面寬度一定時，煤層導水裂隙系帶發育高度與開采時的推進速度關系。

　　當煤層開采步距為10-50m時，導水裂隙帶發育的最終高度都幾乎一致。這說明煤層開采時推進速度的變化僅僅影響導水裂隙帶的發育過程，且隨著開采步距的增加，導水裂隙帶高度增加得越明顯。

　　4裂采比與導水裂隙帶高度規律

　　4.1裂采比規律分析

　　丁集一礦綜放采煤中硬頂板裂采比與采高關系。

　　根據擬合結果，丁集一礦綜放開采中硬頂板裂采比與煤層采高之間滿足一次函數關系，如下：N=-3.82H+26.89其中，N表示裂采比，H表示采高。由于數據的缺乏，擬合的結果只能大致判斷出裂采比隨著采高的增加呈現下降趨勢。如果需要準確判斷兩者的關系，則需要大量的實測數據作為支持。

　　4.2導水裂隙帶高度規律

　　采用SPSS20軟件對影響導水裂隙帶發育高度的煤層采高、工作面寬度、推進速度三個因素進行相關性分析。

　　表中p值表示兩個變量是否存在顯著相關關系。若p<0.05，意味著兩者存在著顯著關系：若p>0.05，則說明兩者無相關性。r值為相關系數，越趨于1說明相關性越強。由此得出，煤層開采時的推進速度與導水裂隙帶的發育高度相關性不大，故將推進速度因素剔除。得到導水裂隙帶高度與采高和工作面寬度的關系。

　　當采高大于2m且工作面寬度超過200m時，導水裂隙帶高度大體發育在40m左右，這與理論公式的計算結果和電法勘探的結果十分接近。當然，導水裂隙帶發育的具體高度還是需要更多的實測數據來確認。

　　5結論

　　5.1采用FLAC"軟件對丁集一礦13-1煤頂板覆巖移動破壞進行模擬，分別研究了煤層采高、工作面寬度、煤層開采推進速度三個因素。通過曲線擬合發現導水裂隙帶發育高度與煤層采高、工作面寬度之間均滿足一種指數型關系，而隨著工作面推進速度的增加，導水裂隙帶發育的最終高度幾乎無變化，僅僅影響導水裂隙帶高度的發育過程，推進速度越快，導水裂隙帶高度增加得越明顯。

　　5.2丁集一礦13-1煤綜放開采中硬頂板裂采比與采高的關系滿足一次函數，由于數據的缺乏，擬合結果只能大致判斷出裂采比隨著煤層采高的增大而減小。

　　運用SPSS20軟件對影響導水裂隙帶高度的因素進行相關性分析，發現導水裂隙帶高度與工作面推進速度沒有相關性，而與煤層采高、工作面寬度兩個因素具有明顯的相關性。最后通過擬合發現，當煤層采高大于2m且工作面寬度大于200m時，導水裂隙帶高度與經驗公式計算以及電法勘探得出的結果十分接近，表明模擬具有合理性。

　　5.3由于實測數據的缺乏，模擬實驗結果仍具有較大誤差，導水裂隙帶發育的具體高度還需要更多的實測數據加以確認。

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