固體充填采煤導水裂隙帶發育規律范文

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《礦業研究與開發雜志》2015年第十期

水體下采煤是“三下”采煤的重要組成部分，通過控制導水裂隙帶發育高度和預先疏排水是實現水體下安全采煤的主要技術途徑。近年來，固體充填采煤技術的發展，為我國水體下壓煤開采提供了一條新的技術路線［1－2］。導水裂隙帶高度研究對于預防礦井水害、提高礦井開采上限等具有重要的實用價值［3］。盡管導水裂隙帶發育規律研究取得了多方面進展，但至今仍相對缺乏固體充填采煤條件下其發育情況的研究，本文結合具體礦井條件，采用數值模擬、經驗公式和現場實測對比分析的方法，對固體充填采煤導水裂隙帶的發育規律進行了分析。

1固體充填開采覆巖移動破壞特征

1．1充填開采與傳統開采上覆巖層的移動破壞特征對比我國煤礦目前多采用垮落法處理采空區頂板，隨著工作面向前推進，當老頂懸露達到一定長度時，其斷裂形成三鉸拱式平衡，同時伴隨著已破斷巖塊的回轉失穩和滑落失穩，導致頂板急劇下沉，從下到上分別形成垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶［4］。通常將垮落帶和裂隙帶合稱為導水裂隙帶，意指如果含水層位于“兩帶”范圍內，巖體水將通過裂隙進入工作面和采空區。其發育高度同煤層采高及頂板巖性關系較大，煤層采高越大，覆巖越堅硬，“兩帶”發育高度也就越大，一般情況下，軟弱巖層“兩帶”高度為采高的9～12倍，中硬巖層為12～18倍，堅硬巖層為18～28倍。目前在煤礦實際生產中多采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中規定的經驗公式估算導水裂隙帶發育高度。固體充填開采時，采空區的充填物料可以有效支撐頂板，大大降低頂板下沉量，充填及時不會形成垮落帶，只有裂隙帶和彎曲下沉帶，充填開采從根本上改變了上覆巖層的移動破壞特征，顯著降低了導水裂隙帶的發育高度，圖1為充填開采與傳統開采上覆巖層的移動破壞特征對比。

1．2充實率對覆巖移動破壞特征的影響固體充填采煤相當于極薄煤層的開采，等價采高等于煤層實際采高減去充填物料高度，也等于頂板的最終下沉量。圖2是充填采煤等價采高分析模型，M是煤層實際采高，Me是等價采高。采空區充填用的掘進矸石和地面堆積的矸石由于碎脹，體積增大，進入采空區充填后，在充填采煤液壓支架夯實機構的夯實作用以及頂板下沉壓縮作用下，會有一定的壓實，體積減小，根據以上分析作如下定義。固體充填采煤中充實率對導水裂隙帶發育高度有顯著影響，當充實率很小時，上覆巖層移動變形規律同垮落法開采基本相同，直接頂和基本頂都會隨著工作面的推進發生破斷，最終導致關鍵層的破斷，導水裂隙帶發育高度較大。當充實率增大至某值時，充填體可以有效支撐頂板，將其下沉量限制在很小的范圍內，直接頂和基本頂只發生彎曲下沉和形成少量裂隙，而不會形成垮落帶，此時導水裂隙帶發育高度很小。

2導水裂隙帶發育的數值分析

2．1數值分析模型

2．1．1充填工作面采礦地質條件山西某礦64采區CT101面采用充填開采，其為近水平煤層，平均傾角6°，平均煤厚2．8m，傾向長300m，走向長1500m，為優質無煙煤。距離主采煤層40～50m處探測到有含水層存在，地表松散層底部有厚度12～38m的第四系砂、礫石含水層，是典型的第四系高水壓松散含水層，對煤系地層進行間接滲透補給，給煤層的安全開采帶來了威脅。含水層下64采區用傳統垮落法無法開采，現考慮采用充填采煤法，表1是煤巖層的物理力學參數。

2．1．2數值模型的建立本節利用UDEC離散元分析軟件，模擬不同充實率條件下矸石充填采煤導水裂隙帶的發育。根據煤巖層綜合柱狀，確定計算模型采用摩爾－庫倫模型，模型走向416m，傾向500m，采用平面應變模型。模型的左、右及下部邊界為位移邊界，左、右邊界限制水平方向位移，下部邊界限制豎直方向位移，力學模型見圖3。采用上述模型，分別計算充實率為60％、70％和80％時上覆巖層塑性區的分布。

2．2不同充實率下導水裂隙帶高度塑性區韌性巖層發生塑性變形，脆性巖層發生剪切破壞，分析模擬結果的過程中，將塑性區的發育高度視為導水裂隙帶的高度，不同充實率下導水裂隙帶發育情況見圖4。當充實率分別為60％、70％、80％時，數值模擬得出的導水裂隙帶的發育高度分別為27．1，23．3，14．0m。圖5是在80％充實率條件下，隨著工作面的推進，固體充填開采同全部垮落法開采導水裂隙帶發育高度的動態變化對比圖。由圖5可以看出，相對全部垮落法開采而言，固體充填開采導水裂隙帶發育高度明顯減小，由42．5m減小到14．0m，降幅達67％。全部垮落法同固體充填開采相比，導水裂隙帶發育高度都較大，并且從圖4可以看出，初期時發育高度增長較快，后期增長較緩慢，說明上覆巖層初期運動劇烈，而后移動變形趨于平穩。充填開采中，由于充填能有效限制頂板下沉，其導水裂隙帶高度變化平緩。

3經驗公式計算下導水裂隙帶發育高度

充實率為60％，70％，80％時，對應的等價采高分別為1．12，0．84，0．56m，根據采礦地質條件，頂板為中硬巖層，相對應的導水裂隙帶高度計算經驗公式如下。將等價采高代入式（4），得出經驗公式下導水裂隙帶高度分別為26．4，22．6，18．0m。圖6是不同充實率下數值模擬結果同等價采高代入經驗公式計算結果的對比。由圖5可以看出，等價采高代入經驗公式計算出來的導水裂隙帶高度與數值模擬得出的結果相差較小，并且隨著矸石充實率的增大，導水裂隙帶發育高度明顯減小。因此在含水層下采煤時，要根據工作面到水體的距離選擇合適的充實率，確保井下采礦的安全進行。

4CT101充填工作面導水裂隙帶高度現場觀測

4．1CT101導水裂隙帶高度觀測平面布置實際生產中，山西某礦用80％充實率進行充填，采用雙端堵水器觀測技術對CT101充填面導水裂隙帶發育高度進行觀測，在工作面上順槽軌道巷布設一個鉆窩，距離停采邊界線15m。共施工3個鉆孔，一個向不受采空區影響的方位施工，稱為采前孔，用于觀測未受采動影響下注水漏失量；另外還有兩個采后孔，向采空區上方施工，觀測采動影響下注水漏失量，鉆孔施工要素見表2。

4．2實測數據注水漏失量圖3個鉆孔各觀測一次，漏失量與垂高關系見圖7和圖8。從圖7、圖8可以看出，采前孔流量總體穩定，在38L／min左右，偶有起伏是因為砂泥巖互層所致。采后孔漏失量在36～70L／min之間，通過與采前孔的注水流失量對比發現，2＃鉆孔垂直深度15．9m為導水裂隙帶發育高度位置，3＃鉆孔垂直深度16．4m為導水裂隙帶發育高度位置，取二者中較大者為實測值，可以看出在80％充實率下，固體充填開采改變了上覆巖層的移動變形規律，有效減小了導水裂隙帶的發育高度。

5結論

本文根據山西某礦CT101充填工作面開采條件，采用UEDC數值計算軟件研究不同充實率下導水裂隙帶的發育規律，通過與經驗公式對比分析，最后結合現場注水漏失量實測，得到如下結論。（1）固體充填開采中充實率對導水裂隙帶發育高度影響較大，在山西某礦采礦地質條件下，當充實率由60％增大到80％時，導水裂隙帶發育高度從27．1m減低至14m，減小了48％。因此在水體下采煤時，要根據具體地質條件選擇合適的充實率，以確保井下采礦的安全。（2）將等價采高代入導水裂隙帶經驗計算公式，同數值模擬結果對比，二者相差較小。因此在充填采煤工程應用中，可以先結合充填開始時頂板已有的下沉量、充填體初始壓實系數、最終壓實系數來計算出等價采高；再根據煤層采高、頂板巖性選擇導水裂隙帶高度計算的經驗公式；最后將等價采高代入經驗公式就可以預測導水裂隙帶發育高度。（3）全部垮落法同固體充填開采相比，導水裂隙帶發育高度都較大，初期時發育高度增長較快，后期增長較緩慢，上覆巖層初期運動劇烈，而后移動變形趨于平穩。充填開采中，由于充填能有效限制頂板下沉，其導水裂隙帶高度變化平緩。（4）山西某礦CT101充填工作面實測數據得出的注水漏失量圖表明，在充實率為80％時，鉆孔垂直深度16．4m為導水裂隙帶發育高度位置。

作者：章名東 孟建勇 張奇 汪爾乾 單位：同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司 中國礦業大學 力學與建筑工程學院