综放开采中硬顶板导水裂隙带发育高度研究

《综放开采中硬顶板导水裂隙带发育高度研究》论文发表期刊：《内蒙古煤炭经济》；发表周期：2020年11期

《综放开采中硬顶板导水裂隙带发育高度研究》论文作者信息：作者简介：汤双成（1983-），男，湖北孝昌人，在职硕士研究生，高级工程师，研究方向：水文地质、工程地质

　　摘要：为了研究丁集一矿13-1煤踪放开采下中硬顶板导水裂腺带发育高度及其规律，采用数值模拟和相关性分析，并结合经验公式计算和电法勘探的数据，研究导水裂腺带高度与煤层采高、工作面宽度以及工作面推进速度的关系。结果表明：导水裂隙帶高度与媒层采高、工作面宽度呈一种指数型关系;随着工作面推进速度的增加，导水裂隙帶的发育高度变化不大，但变化过程更为明显。

　　关键词：丁集一矿;综放开采;导水裂隙带高度;裂采比

　　1研究现状

　　导水裂隙带发育高度一直是受顶板水害威胁矿井的主要研究方向，很多专家学者都对其做了大量研究。

　　杨艳国[利用理论计算、数值模拟、相似材料模拟方法预测了某煤矿导水裂隙带发育高度，结果对水体下安全开采提供了重要的理论依据。刘玥“以榆阳区三台界煤矿为背景，采用理论计算和数值模拟方法研究了导水裂隙带发育规律及最大高度，并取得了良好结果。刘国磊[1针对官庄河矿区采空区的大量积水，采用钻孔冲洗液漏失量和导高观测仪注水漏失量观测法，对导水裂隙带发育高度进行了实测，确定可以保水开来。谭希鹏分析了支持向量机计算导水裂隙带发育高度的可能性，具有较好的可行性。郭文[以富水厚砂层下分层开采为背景，利用地面钻孔冲洗液漏失量观测法测得导水裂隙带高度。王延蒙“通过经验公式和运用RFPA2D软件对煤层开采进行模拟，并得到了导水裂隙带高度。杨国勇"采用层次分析-模糊聚类分析法得到导水裂隙带高度与实测值十分接近，说明该方法的合理性。方刚以焦坪矿为背景，采用数值模拟与经验公式相结合的方式预测了顶板导水裂隙带的高度。张延飞克服了导水裂隙带预测单一方法的局限性，采用理论计算公式法、经验类比计算法、覆岩关键层计算法综合预测了导水裂隙带的发育高度。朱伟"采用水文观测、注水试验等方法，对潞安矿区顶板岩层裂隙分布进行了探测研究，确定了导水裂隙带高度的发育范围，还研究了中硬覆岩综放一次采全厚导水裂隙带的发育特征，得到了两者的关系[1。胡巍[13研究了龙口矿区海域煤层开采后软弱覆岩导水断裂带的发育高度。韩军四以老虎台矿为背景，采用数值计算、微震监测和瞬变电磁探测确定了采厚与覆岩破坏高度的关系，从而得到导水裂隙带的预测值。白利民通过对实测数据的整理，采用数理统计以及回归分析方法，得到了一组新的经验公式，适用于综放开采中硬顶板导水裂隙带高度的计算。李鹏字[依据中硬覆岩综放开采的实测数据，利用SPSS软件进行回归分析，确定了相应条件下导水裂隙带发育高度。

　　虽然前人做了大量的有关煤层顶板导水裂隙带发育高度的研究，但是依据不同的矿井类型及地质资料，导水裂隙带的预测方法很难统一且难以推广。尤其针对综放开采条件下，中硬覆岩顶板的导水裂隙带高度的研究比较缺乏。本文以丁集一矿13-1煤综放开采条件为背景，在前人研究的基础上，进一步探究了中硬覆岩下导水裂隙带的发育规律，具有很好的针对性和实用性。

　　2工程背景

　　2.1水文地质条件

　　丁集一矿是淮南矿业集团按照煤电一体化模式建设的新型矿井，13-1煤为主采煤层，平均厚度3.64m，采取综放开采。13-1煤顶板由泥岩和砂岩组成，属于中硬顶板。13-1煤开采水文地质条件如下。

　　2.1.1含水层

　　研究区含水层(组)从上到下依次分为新生界松散层、煤系地层砂岩裂隙含水层(组)、太原组以及奥陶系灰岩含水层。

　　①新生界松散层(组)。丁集矿松散层厚度区间为325-603m，厚度变化由东南向西北递增。细、中砂和含泥质砂砾层为含水层主要岩性。单位涌水量q=0.116-

　　2.768L./(s.m)，富水性中等到强的新生界松散含水层

　　(组)与煤系砂岩含水层(组)在井田东西翼存在一定的水力联系。由于东翼深部下含底部有古近系和岩浆岩赋存，充当了相对隔水层，故砂岩裂隙含水层(组)与新生界下含水力联系程度不密切。而西翼浅部下含底部不赋存古近系沉积，从而使煤系砂岩裂隙含水层(组)与新生界下含水力联系程度相对较为密切。

　　②煤系地层砂岩裂隙含水层(组)。该含水层为矿井的直接充水水源，主要岩性为中、细砂岩，厚度变化较大。根据井田内抽水试验资料，该含水层水位标高9.85-26.68m，q=0.0006-0.0348L./(s•m)。该含水层补给条件弱，因此其富水性弱。

　　③太原组灰岩岩溶裂隙含水层。该地层总厚度范围为100~110m，地层埋深较大，离煤层开采位置相对较远。根据收集整理的资料可知，该含水层共计有13层灰岩。12.4.3三层灰岩厚度较大，其余灰岩厚度较薄。单位涌水量q=0.00023 ~0.00095L./(s.m)，富水性弱。

　　④奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。该含水层总体厚

　　度为3.4-94.0m，岩性主要由灰岩及白云质灰岩组成。

　　水位标高-26.711-+24.60m，单位涌水量q=0.003690.0348L./(s.m)，富水性弱。⑤岩浆岩含水层。井田东部分布有盘状岩浆岩，在潘

　　集背斜轴部和浅处断层区尤为密集。据矿区抽水资料，水位标高19.95 ~ 19.67m，q=0.00476-0.0412L./(s.m)，富水性弱。

　　2.1.2隔水层

　　①古近系砂砾层(组)。位于基岩面以上，厚度0180.75m，平均为56.67m，主要分布在井田东翼。该层(组)

　　主要由泥岩、粉砂岩、细砂岩及砂砾岩组成，泥钙质胶结，分选性较差。砂砾岩自上而下局部松软但砾石增多，粒径增大。抽水试验q=0.016-0.00065L.(s.m)。

　　②13-1煤底板隔水层(组)。该组隔水层主要岩性

　　为泥岩、粉砂岩和砂岩，其中13-1煤~C，'灰岩间的隔水层(组)对A组煤开采起关键隔水作用。C，11组灰岩为薄层灰岩，可作为A组煤开采时C，l组、奥灰和寒灰岩溶水害的有效隔水层。

　　2.2导水裂隙带高度理论计算根据矿井水文地质规程“三下”开采规程、潘集矿区拟合经验公式、潘谢矿区经验公式，拟按采高2.7m、中硬顶板覆岩类型预计，采后导水裂隙带最大发育高度为43.13m。而通过对11213工作面轨道顺槽断面钻孔光纤及并行电法多参数综合测试，得出采后导水裂隙带发育

　　高度为47m.

　　3中硬导水裂隙带高度发育特征

　　3.1数值模拟

　　在数值软件的模拟过程中，一般以弹性区和剪切破坏区的下限，以及拉张破坏区的上限来确定导水裂隙带的发育高度。

　　3.1.1模型建立

　　根据丁集一矿的地质资料，结合13-1煤顶底板工程地质条件特征，建立一个模型几何尺寸为500mx200m x120m的模型。选取煤层为开挖对象，煤岩层近似水平，初始地应力为10MPa。

　　3.1.2参数选取

　　丁集一矿13-1煤顶底板岩性主要有泥岩、砂岩、粉砂岩等，通过岩石物理力学试验获得各岩层及煤的物理力学。

　　3.1.3结果分析

　　模拟着重研究了在煤层采高、工作面宽度、推进速度三个方面对煤层顶板导水裂隙带发育高度的影响。

　　①煤层采高。不同的煤层采高会导致煤层顶板发生不同程度的破坏，从而直接影响导水裂隙带的发育高度。当煤层开采工作面宽度和开采速度一定时，采高与导水裂隙带高度关系。

　　表2中R表示拟合优度，取值在0-1，越趋于1表示拟合程度越好，越趋于0表示拟合程度越差。表2中各曲线类型的R均趋于1，表示导水裂隙带发育高度与煤层采高的相关性强。其中指数型曲线拟合程度最好，故得到导水裂隙带高度与煤层采高的关系为表2中的指数性关系。

　　②工作面宽度。当煤层采高与煤层开采速度一定时，导水裂隙带发育高度与煤层开采工作面宽度关系。

　　根据曲线拟合的结果，指数型的R2 最接近 1，故导水裂隙带高度与工作面宽度是指数型关系。

　　③推进速度。当煤层采高与工作面宽度一定时，煤层导水裂隙系带发育高度与开采时的推进速度关系。

　　当煤层开采步距为10-50m时，导水裂隙带发育的最终高度都几乎一致。这说明煤层开采时推进速度的变化仅仅影响导水裂隙带的发育过程，且随着开采步距的增加，导水裂隙带高度增加得越明显。

　　4裂采比与导水裂隙带高度规律

　　4.1裂采比规律分析

　　丁集一矿综放采煤中硬顶板裂采比与采高关系。

　　根据拟合结果，丁集一矿综放开采中硬顶板裂采比与煤层采高之间满足一次函数关系，如下：N=-3.82H+26.89其中，N表示裂采比，H表示采高。由于数据的缺乏，拟合的结果只能大致判断出裂采比随着采高的增加呈现下降趋势。如果需要准确判断两者的关系，则需要大量的实测数据作为支持。

　　4.2导水裂隙带高度规律

　　采用SPSS20软件对影响导水裂隙带发育高度的煤层采高、工作面宽度、推进速度三个因素进行相关性分析。

　　表中p值表示两个变量是否存在显著相关关系。若p<0.05，意味着两者存在着显著关系：若p>0.05，则说明两者无相关性。r值为相关系数，越趋于1说明相关性越强。由此得出，煤层开采时的推进速度与导水裂隙带的发育高度相关性不大，故将推进速度因素剔除。得到导水裂隙带高度与采高和工作面宽度的关系。

　　当采高大于2m且工作面宽度超过200m时，导水裂隙带高度大体发育在40m左右，这与理论公式的计算结果和电法勘探的结果十分接近。当然，导水裂隙带发育的具体高度还是需要更多的实测数据来确认。

　　5结论

　　5.1采用FLAC"软件对丁集一矿13-1煤顶板覆岩移动破坏进行模拟，分别研究了煤层采高、工作面宽度、煤层开采推进速度三个因素。通过曲线拟合发现导水裂隙带发育高度与煤层采高、工作面宽度之间均满足一种指数型关系，而随着工作面推进速度的增加，导水裂隙带发育的最终高度几乎无变化，仅仅影响导水裂隙带高度的发育过程，推进速度越快，导水裂隙带高度增加得越明显。

　　5.2丁集一矿13-1煤综放开采中硬顶板裂采比与采高的关系满足一次函数，由于数据的缺乏，拟合结果只能大致判断出裂采比随着煤层采高的增大而减小。

　　运用SPSS20软件对影响导水裂隙带高度的因素进行相关性分析，发现导水裂隙带高度与工作面推进速度没有相关性，而与煤层采高、工作面宽度两个因素具有明显的相关性。最后通过拟合发现，当煤层采高大于2m且工作面宽度大于200m时，导水裂隙带高度与经验公式计算以及电法勘探得出的结果十分接近，表明模拟具有合理性。

　　5.3由于实测数据的缺乏，模拟实验结果仍具有较大误差，导水裂隙带发育的具体高度还需要更多的实测数据加以确认。

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