综放开采覆岩导水裂隙带演化与高度确定.pdf

522017 年第 6 期 综放开采覆岩导水裂隙带演化与高度确定 刘贤庆 （阳泉煤业（集团）有限责任公司二矿，山西 阳泉 045000） 摘 要 依据 4煤层顶板条件，研究了随工作面推进，覆岩垮落带和导水裂隙带的空间演化分布规律。采用理论计算公 式结合 FLAC3D软件，分析开采全过程中覆岩活动和位移场的演化过程。得到导水裂隙带的最大稳定发育高度约为 68m。 关键词 综放 裂隙带 数值 模拟 中图分类号 TD 823.97；TD 325 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2017.06.023 Determination on evolution and height of water flowing fractured zone in overlying strata of fully mechanized top coal caving mining Liu Xian-qing No.2 Coal Mine, Yangquan Coal Industry Group Co. ,Ltd.Shanxi Yangquan 045000 Abstract According to roof conditions of the 4 coal seam,the spatial evolution and distribution of overlying rock caving zone and water flowing fractured zone are studied. The evolution process of overlying rock activity and displacement field in the whole process of mining is analyzed by using the theoretical calculation ula and the FLAC3D software. The maximum stable development height of water flowing fractured zone is about 68m. Key words sublevel caving fracture zone numerical simulation 收稿日期 2017-01-16 作者简介 刘贤庆（1979-），男，山东菏泽人，工程师，毕业 于中国矿业大学采矿工程系，现任山西省阳泉煤业 集团 有限 责任公司二矿副总工程师，长期从事矿井采掘。 目前，许多学者对导水裂隙带的研究做了大量 工作，提出了很多假说和理论。许家林 [1] 应用模型 实验、离散元模拟等方法，对上覆岩层采动裂隙分 布特征进行了研究，揭示了长壁工作面覆岩采动裂 隙的 2 个阶段发展规律；武雄 [2] 结合工程实例，采 用不同数值模拟软件对导水裂隙带发育规律进行了 大量计算和分析，确定了导水裂隙带发育高度。在 前人研究的基础上，主要运用理论和数值模拟的方 法对煤层开采后导水裂隙带发育规律进行研究，对 煤层安全开采具有指导意义。 1 工作面地质赋存条件 某矿 1203 综放面开采延安组 4煤，工作面埋 深 370490m，平均埋深为 420m，煤厚 7.19.8m， 平均 8.5m，煤层倾角 010，平均 5。工作面布 置长度为 150m，根据地质勘探报告和钻孔取样， 覆岩存在含水层，主要为顶板延安组砂岩裂隙含水 层。工作面综合柱状图如图 1 所示。 图 1 工作面综合柱状图 2 覆岩垮断裂隙分布计算 2.1 冒落带高度计算 根据工作面煤层顶板岩性，确定直接顶碎胀系 数为 1.3；工作面开采时，采高为 8.5m，理论公式 计算 [3]，得冒落带高度为 28.33m。 532017 年第 6 期 z 8.5 28.33m 11.3 1 Z M M K −− 式中 M- 采高，m； Kz- 直接顶岩层碎胀系数； MZ- 冒落带高度，m。 2.2 裂隙带高度的计算 根据工作面上覆岩层岩性，认为工作面顶板岩 层为中硬岩层，采用经验公式确定裂隙带高度 [4-5]。 100 5.6 1.63.6 L M M M ∑ ∑ 或 2010 L MM ∑ 式中 ∑ M- 累计开采厚度，m； ML- 裂隙带高度，m。 工作面开采时，采高为 8.5m，由公式得 100 100 8.5 5.65.649.425.6m 1.63.61.6 8.53.6 L M M M ∑ ∑ 201020 8.51068.31m L MM ∑ 通过理论计算，工作面煤层开采后上覆岩层裂 隙带高度在 43.8268.31m 之间。 3 工作面导水裂隙带发育高度计算 导水裂隙带的发育高度主要受到岩性、采高、 岩石碎胀性等影响 [6]，可以通过垮落步距下部对应 自由空间来判断。表 1 为不同层位岩层导水裂隙带 及对应的推进距离的动态演化过程（岩层的前、后 方破段角分别取 60和 65）。 表 1 各岩层垮落步距及下部自由空间高度 岩层 编号 岩性厚度 /m 初次垮 落步距 / m 自由空 间高度 / m 垮断对应 的推进距 离 /m 裂隙带 高度 /m 1砾岩28.4---- 2粉砂岩4.860.38--66.4 3泥岩2.634.170.32128.0666.4 4中粒砂岩10.672.570.58 5粉砂岩2.951.311.75105.9853.2 6砂岩4.057.692.155 7泥岩2.634.172.6496.6346.3 8粉砂岩5.256.482.90 9中粒砂岩5.246.893.6287.5638.5 10砾岩3.361.214.16 11泥岩1.828.864.69 12粉砂岩14.072.754.87 13细粒砂岩4.057.646.8372.6114.2 14中粒砂岩8.170.527.3570.52 15粉砂岩1.536.438.24 16泥岩0.515.218.45 工作面导水裂隙带发育过程见图 2。 图 2 导水裂隙带发育过程 4 导水裂隙带发育规律数值分析 4.1 模拟方案及参数 工作面煤层平均采厚 8.5m，工作面长度为 150m，采用综放开采，沿走向推进总长为 240m。 工作面推进过程中每次推进 5m 直至推进到边界煤 柱。岩体物理力学参数如表 2 所示。 表 2 工作面煤岩体物理力学参数 岩层 编号 岩性 厚度 / m 剪切 模量 / MPa 体积 模量 / MPa 粘聚力 /MPa 抗拉 强度 / MPa 内摩擦 角 / 1砾岩28.4210060003.812.234 2粉砂岩4.8200048002.6011.132 3泥岩2.6160024001.205.328 4中粒砂岩10.6254055003.07.830 6砂岩4.0200058003.609.135 13细粒砂岩4.0220045002.310.329 17煤层8.5196032001.801.925 数值计算模型如图 3 所示。 图 3 数值计算模型 4.2 数值模拟结果分析 为了分析得到采场导水裂隙带发育高度，结合 542017 年第 6 期 数值模拟分析覆岩的应力场和位移场的动态变化特 征，得到裂隙带发育的稳定高度。 4.2.1 围岩破坏场分析 图 4 随工作面推进覆岩破坏情况 （1）当工作面推进至 60m 时的塑性区分布如 图 4（a）所示，此时煤层直接顶编号 14、15 和 16 的 8.1m 厚中粒砂岩、1.5m 厚粉砂岩和 0.5m 厚泥岩 已完全破坏。 （2）工作面回采 140m 时的塑性区分布如图 4 （b）所示，由图可以看出，随着开采扰动范围的 不断扩大，在采空区自下而上，依次发育表现出拉 伸破坏、剪切破坏和弹性变形区域分布。上覆岩层 破坏的范围已经穿透直罗组编号 4 厚度 10.6m 的中 粒砂岩到达了位于直罗组最上部的编号 2 厚度 4.8m 粉砂岩。 （3）工作面回采 200m 时的塑性区分布图如图 4 （c） 所示， 开采扰动作用下的塑性区发育范围最高， 最终形成两端高凸、 中间略低的 “马鞍形” 分布形态。 从图中还可以看出，工作面采空区塑性区扩展到了 直罗组上部岩层，导水裂隙带并未导通洛河组砂岩 含水层。 综合分析可知此时导水裂隙带高度约为 70m。 4.2.2 围岩位移场分析 为了进一步说明工作面推进到 200m 时，其覆 岩导水裂隙带高度将不在增加，结合理论计算和数 值模拟，重点分析工作面推进到 140m 和 200m 时 的 10.6m 中粒砂岩和 28.4m 砾岩的垂直位移场，结 果如图 5 所示。 （a）距煤层 58.4m 的 10.6m 厚中粒砂岩 （b）距煤层 85.3m 的 28.4m 厚砾岩 图 5 工作面回采 140m 与 200m 时覆岩位移分布 由图 5 可以看出，当工作面回采 140m 时， 距煤层 58.4m 的 10.6m 厚中粒砂岩最大位移值为 0.47m，距煤层 85.3m 的 28.4m 厚砾岩最大位移值 （下转第 57 页） 552017 年第 6 期 S1206 工作面安全 通过断层构造带技术研究与应用 戎冬冬 郗泽松 潞安集团 余吾煤业有限公司，山西 长治 046103 摘 要 余吾矿 S1206 工作面回采过程中需要穿过 F77 断层构造带，通过采用 KDZ1114-6A30 矿井地质探测仪对断层产 状进行现场勘探，在掘巷期间通过钻孔窥视仪对断层构造区附近巷道顶板进行观测，通过布置测点对围岩变形情况进行监 测，在此基础上提出了采取锚网索和钢筋梯子梁联合加强支护的方法来控制围岩的稳定性。研究结果为断层构造区工作面 的安全高效回采提出了一种新的监测和防治思路。 关键词 断层 钻孔 窥视 支护 中图分类号 TD322；TD35 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2017.06.024 Research and Application of S1206 Working Face Safety Through Fault Zone Rong Dong-dong Xi Zhe-song Yuwu Mining Co．Ltd．，Lu an Group，Shanxi Changzhi 046103 Abstract Need to pass through the F77 fault zone more than my mine working face S1206 mining process, through the use of KDZ1114-6A30 mine geology detector field exploration of fault occurrence, and in roadway driving period through borehole instrument on the near fault zone of roadway roof were observed, by arranging the measuring points on the surrounding rock deation monitoring based on the stability of cable anchor and steel ladder beam combined support to control the surrounding rock. The results of this study provide a new for monitoring and controlling the safety and high efficiency of the working face in the fault zone. Key words fault drilling peep support 收稿日期 2017-03-14 作者简介 戎冬冬（1988-，男，山西五台人，2011 年毕业于山 西大同大学采矿工程专业，助理工程师，长期从事煤矿技术管理 工作。 1 地质概况 余吾矿 S1206 工作面布置在 3煤层中，煤层平 均厚度 6.4 m，老顶为粉砂岩，厚 11.25m，深灰色， 夹薄层砂质泥岩。直接顶为砂质泥岩，厚度约 1.3m， 深灰色，底部夹薄层泥岩。伪底为砂质泥岩，厚度 为 00.5m。直接底为细粒砂岩，厚度为 00.2m， 深灰色，含少量白云母。老底为粉砂岩，厚度为 011.57m，局部夹薄层细粒砂岩。 S1206 工作面顺槽掘进过程中，勘探到有断层 的存在，为了准确的探明断层的具体方位参数，选 用现场适用性强、探测准确度高的 KDZ1114-6A30 矿井地质探测仪，并配合钻探对 S1206 工作面 F77 断层进行了分析。分析结果显示断层揭露位置为 1222.6m 处，为逆断层，走向 1、倾向 91、断 距为 7.5m。巷道前方 30m 处（断层下盘）煤层坡 度约为 -23，煤层逐渐变薄。断层上盘煤层厚度 6m，煤层倾角 610。综合分析初步预报 F77 断层如图 1 所示（与掘进揭露断层情况相近）。 图 1 S1206 胶带顺槽过 F77 断层地质剖面图 2 断层构造带附近顶板特征 S1206 工作面胶带顺槽掘进通过断层时，在断 层附近采用钻孔窥视方法对顶板进行监测，部分典 型的裂隙发育情况如图 2 所示。统计发现，顶板下 位岩层 02.5 m 范围内裂隙相互贯通，整体破碎、 脱落，2.55 m 范围内有多处层理、劈裂并有大范 围离层现象，破裂范围和规模甚至超过巷道中部顶