固体充填采煤导水裂隙带发育规律范文

《矿业研究与开发杂志》2015年第十期

水体下采煤是“三下”采煤的重要组成部分，通过控制导水裂隙带发育高度和预先疏排水是实现水体下安全采煤的主要技术途径。近年来，固体充填采煤技术的发展，为我国水体下压煤开采提供了一条新的技术路线［1－2］。导水裂隙带高度研究对于预防矿井水害、提高矿井开采上限等具有重要的实用价值［3］。尽管导水裂隙带发育规律研究取得了多方面进展，但至今仍相对缺乏固体充填采煤条件下其发育情况的研究，本文结合具体矿井条件，采用数值模拟、经验公式和现场实测对比分析的方法，对固体充填采煤导水裂隙带的发育规律进行了分析。

1固体充填开采覆岩移动破坏特征

1．1充填开采与传统开采上覆岩层的移动破坏特征对比我国煤矿目前多采用垮落法处理采空区顶板，随着工作面向前推进，当老顶悬露达到一定长度时，其断裂形成三铰拱式平衡，同时伴随着已破断岩块的回转失稳和滑落失稳，导致顶板急剧下沉，从下到上分别形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带［4］。通常将垮落带和裂隙带合称为导水裂隙带，意指如果含水层位于“两带”范围内，岩体水将通过裂隙进入工作面和采空区。其发育高度同煤层采高及顶板岩性关系较大，煤层采高越大，覆岩越坚硬，“两带”发育高度也就越大，一般情况下，软弱岩层“两带”高度为采高的9～12倍，中硬岩层为12～18倍，坚硬岩层为18～28倍。目前在煤矿实际生产中多采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中规定的经验公式估算导水裂隙带发育高度。固体充填开采时，采空区的充填物料可以有效支撑顶板，大大降低顶板下沉量，充填及时不会形成垮落带，只有裂隙带和弯曲下沉带，充填开采从根本上改变了上覆岩层的移动破坏特征，显著降低了导水裂隙带的发育高度，图1为充填开采与传统开采上覆岩层的移动破坏特征对比。

1．2充实率对覆岩移动破坏特征的影响固体充填采煤相当于极薄煤层的开采，等价采高等于煤层实际采高减去充填物料高度，也等于顶板的最终下沉量。图2是充填采煤等价采高分析模型，M是煤层实际采高，Me是等价采高。采空区充填用的掘进矸石和地面堆积的矸石由于碎胀，体积增大，进入采空区充填后，在充填采煤液压支架夯实机构的夯实作用以及顶板下沉压缩作用下，会有一定的压实，体积减小，根据以上分析作如下定义。固体充填采煤中充实率对导水裂隙带发育高度有显著影响，当充实率很小时，上覆岩层移动变形规律同垮落法开采基本相同，直接顶和基本顶都会随着工作面的推进发生破断，最终导致关键层的破断，导水裂隙带发育高度较大。当充实率增大至某值时，充填体可以有效支撑顶板，将其下沉量限制在很小的范围内，直接顶和基本顶只发生弯曲下沉和形成少量裂隙，而不会形成垮落带，此时导水裂隙带发育高度很小。

2导水裂隙带发育的数值分析

2．1数值分析模型

2．1．1充填工作面采矿地质条件山西某矿64采区CT101面采用充填开采，其为近水平煤层，平均倾角6°，平均煤厚2．8m，倾向长300m，走向长1500m，为优质无烟煤。距离主采煤层40～50m处探测到有含水层存在，地表松散层底部有厚度12～38m的第四系砂、砾石含水层，是典型的第四系高水压松散含水层，对煤系地层进行间接渗透补给，给煤层的安全开采带来了威胁。含水层下64采区用传统垮落法无法开采，现考虑采用充填采煤法，表1是煤岩层的物理力学参数。

2．1．2数值模型的建立本节利用UDEC离散元分析软件，模拟不同充实率条件下矸石充填采煤导水裂隙带的发育。根据煤岩层综合柱状，确定计算模型采用摩尔－库伦模型，模型走向416m，倾向500m，采用平面应变模型。模型的左、右及下部边界为位移边界，左、右边界限制水平方向位移，下部边界限制竖直方向位移，力学模型见图3。采用上述模型，分别计算充实率为60％、70％和80％时上覆岩层塑性区的分布。

2．2不同充实率下导水裂隙带高度塑性区韧性岩层发生塑性变形，脆性岩层发生剪切破坏，分析模拟结果的过程中，将塑性区的发育高度视为导水裂隙带的高度，不同充实率下导水裂隙带发育情况见图4。当充实率分别为60％、70％、80％时，数值模拟得出的导水裂隙带的发育高度分别为27．1，23．3，14．0m。图5是在80％充实率条件下，随着工作面的推进，固体充填开采同全部垮落法开采导水裂隙带发育高度的动态变化对比图。由图5可以看出，相对全部垮落法开采而言，固体充填开采导水裂隙带发育高度明显减小，由42．5m减小到14．0m，降幅达67％。全部垮落法同固体充填开采相比，导水裂隙带发育高度都较大，并且从图4可以看出，初期时发育高度增长较快，后期增长较缓慢，说明上覆岩层初期运动剧烈，而后移动变形趋于平稳。充填开采中，由于充填能有效限制顶板下沉，其导水裂隙带高度变化平缓。

3经验公式计算下导水裂隙带发育高度

充实率为60％，70％，80％时，对应的等价采高分别为1．12，0．84，0．56m，根据采矿地质条件，顶板为中硬岩层，相对应的导水裂隙带高度计算经验公式如下。将等价采高代入式（4），得出经验公式下导水裂隙带高度分别为26．4，22．6，18．0m。图6是不同充实率下数值模拟结果同等价采高代入经验公式计算结果的对比。由图5可以看出，等价采高代入经验公式计算出来的导水裂隙带高度与数值模拟得出的结果相差较小，并且随着矸石充实率的增大，导水裂隙带发育高度明显减小。因此在含水层下采煤时，要根据工作面到水体的距离选择合适的充实率，确保井下采矿的安全进行。

4CT101充填工作面导水裂隙带高度现场观测

4．1CT101导水裂隙带高度观测平面布置实际生产中，山西某矿用80％充实率进行充填，采用双端堵水器观测技术对CT101充填面导水裂隙带发育高度进行观测，在工作面上顺槽轨道巷布设一个钻窝，距离停采边界线15m。共施工3个钻孔，一个向不受采空区影响的方位施工，称为采前孔，用于观测未受采动影响下注水漏失量；另外还有两个采后孔，向采空区上方施工，观测采动影响下注水漏失量，钻孔施工要素见表2。

4．2实测数据注水漏失量图3个钻孔各观测一次，漏失量与垂高关系见图7和图8。从图7、图8可以看出，采前孔流量总体稳定，在38L／min左右，偶有起伏是因为砂泥岩互层所致。采后孔漏失量在36～70L／min之间，通过与采前孔的注水流失量对比发现，2＃钻孔垂直深度15．9m为导水裂隙带发育高度位置，3＃钻孔垂直深度16．4m为导水裂隙带发育高度位置，取二者中较大者为实测值，可以看出在80％充实率下，固体充填开采改变了上覆岩层的移动变形规律，有效减小了导水裂隙带的发育高度。

5结论

本文根据山西某矿CT101充填工作面开采条件，采用UEDC数值计算软件研究不同充实率下导水裂隙带的发育规律，通过与经验公式对比分析，最后结合现场注水漏失量实测，得到如下结论。（1）固体充填开采中充实率对导水裂隙带发育高度影响较大，在山西某矿采矿地质条件下，当充实率由60％增大到80％时，导水裂隙带发育高度从27．1m减低至14m，减小了48％。因此在水体下采煤时，要根据具体地质条件选择合适的充实率，以确保井下采矿的安全。（2）将等价采高代入导水裂隙带经验计算公式，同数值模拟结果对比，二者相差较小。因此在充填采煤工程应用中，可以先结合充填开始时顶板已有的下沉量、充填体初始压实系数、最终压实系数来计算出等价采高；再根据煤层采高、顶板岩性选择导水裂隙带高度计算的经验公式；最后将等价采高代入经验公式就可以预测导水裂隙带发育高度。（3）全部垮落法同固体充填开采相比，导水裂隙带发育高度都较大，初期时发育高度增长较快，后期增长较缓慢，上覆岩层初期运动剧烈，而后移动变形趋于平稳。充填开采中，由于充填能有效限制顶板下沉，其导水裂隙带高度变化平缓。（4）山西某矿CT101充填工作面实测数据得出的注水漏失量图表明，在充实率为80％时，钻孔垂直深度16．4m为导水裂隙带发育高度位置。

作者：章名东 孟建勇 张奇 汪尔乾 单位：同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司 中国矿业大学 力学与建筑工程学院