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国 西姿斜技丈学 学位论文 嚣* 女尸堂塑燮生塑堕型生堕垂堂生垄曼堕壹壁垦是生 流规律研究 』坐坠 坐 堂 堂世盟 堕堡- 也型_ 旦塞嶝韭 』坚 卿崆“ 婴0 1 咀幽ir 墼 ， 埋鱼 竺旦坐 研究生姓名 导师姓名、职称 申请学位级别 学科、专业 张十明 采矿I 程 学位授予单位 堕兰 旦 墨茎 论文题目榆树湾煤矿2 0 10 2 工作面覆岩导水裂隙高度及其渗流规律研究 专业采矿工程 硕士生张小明 指导导师侯忠杰 摘要 。签名逮壁叁竺影 签名1 2 互丝垄 通过近十多年来，陕北榆神东矿区沙基型浅埋煤层开采对水资源和环境影响的研究 表明，神北区沙基型浅埋煤层开采会直接波及萨拉乌苏组含水层，造成土地和地表沉陷 损害、地下潜水水位大幅度下降、荒 沙 漠化面积扩展、生态环境恶化。而对榆横地 区沙土基型浅埋煤层开采过程中采动裂隙分布及水体流失情况的研究则比较少． 因此本论文以重点保水区的榆树湾煤矿顶底板岩性及覆岩特征为基础，利用力学分 析，相似材料模拟以及数值模拟的方法对覆岩的导水裂缝产生发展规律进行了研究，并 对其发育过程中覆岩裂隙水流动规律和地表潜水变化进行了分析。对覆岩三带分布形式 进行了探讨，将“顶三带”理论中的弯曲下沉带划分为弯曲损伤带和弯曲整体移动带。 通过相似材料模拟得出工作面来压时没有表现出厚松散层浅埋煤层覆岩全厚度切落而 出现一般开采条件下的“三带”，但和保水开采方法密切相关的裂隙带高度却与一般煤 层并不相同。数值模拟中首先利用F 【，A 萨D 软件分析了采动过程中覆岩应力及塑性区的 变化情况，然后利用F ．R F P A 2 D 系统直观的模拟了采动过程中覆岩垮落及水体流失情况， 通过岩层渗透系数的变化确定了导水裂隙的分布规律，得出覆岩裂隙水呈V 字型渗流形 式，5 m 采高时导水裂隙未贯通整个土层，覆岩潜水含水层在采动稳定后能形成新的平衡。 最后在模拟数据的基础上利用回归分析方法得出5 m 和1 0 m 采高的导水裂隙高度计算公 式。为完善保水采煤研究理论和实验技术体系提供一定的理论依据和技术支持。 关键词浅埋煤层；沙土基型；弯曲损伤带；导水裂隙；保水采煤 研究类型应用研究 S u b j e c tS t u d yo nt h ew a t e rc o n d u c t e dz o n eh e i g h ta n di t sS e e p a g eR u l e i nt h eo v e r b u r d e no f2 0 1 0 2w o r k i n gf a c ei nY u s h u w a nM i n e S p e c i a l t y M i n i n gE n g i n e e r i n g N a m e Z h a n gX i a o m i n g S i g n a t u r e I n s t r u c t o r H o uZ h o n 舀i e S i g n a t u r e A B S T R A C T T h r o u g ht h ep a s t1 0y e a r s ．t h es t u d yo nw a t e rr e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t a li m p a c t , w h e n t h es h a l l o wc o a l9 e 鼬c o v e r e dw i t hr o c ka n ds a n dW a sm i n e di ny u s h e n d o n gm i n ea r e ai n s h a n b e i , w h i c hi n d i c a t e sm h [ 1 i n gw i l lf e s l l l ti na s e r i e so fg e o l o g ya n de n v i r o n m e n tc a l a m i t y ． F o re x a m p l e , t h es u r f a c ec r a c k sa n dt h ec a v e - i np i t s ，t h ea q u i f e r sl e a k i n g ，t h ew 撕r e s o R r c e d e s t r o y e d , t h es e r i o u ss o i le r o s i o na n dt h ed e s e r t i f i c a t i o n , e t c ．b u tt h es t u d yo nM i n i n g f r a c t u r e dd i s t r i b u t i o na n dw a s t a g eo f w a t e rI e S O U l “ O ei sr e l a t i v e l yl e s si nt h es h a l l o wc o a ls e 锄 c o v e r e dw i t hr o c ks o i la n ds a n di ny u h 趾gm i n ea r e a ． T h e r e f o r e ，t h i sp a p e rb a c e do nt h em e c h a n i c sp a r a m e t e ra n dc h a r a c t e ro fc o a lb e di n y u s h u w a nc o a lm i n e , a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c sa n a l y s i sa n ds i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o na n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h i sp a p e rm a k ea s t u d y o nd e v e l o p i n gl a wo f t h ew a t e rc o n d u c t e dz o n e h e i g h ta n dr o c k si nt h ep r o c e s so f t h e i rd e v e l o p m e n ta n dr e h a b i l i t a t i o no fs u r f a c ew a t e rf l o w a n dc h a n g e si nt h ed i v i n ga n a l y s i s ．d i s c u s s e dt h et h r e eo f o v e r b u r d e nr o c kb a n dd i s t r i b u t i o ni n t h e 群I p e f ，t h ec u r v es u b s i d e n c ez o n ew a sd i v i d e di n t oL L l l v ed a l n a g ez o n ea n dL l n v eo v e r a l l m o b i l eZ o n e ．t h r o u g hs i m i l a fm a t e r i a ls i m u l a t i o nc o m ef a c ep r e s s u r en o tt os h o wt h i c kl o o s e l a y e ro fo v e r b u r d e nr o c ks h a l l o ws e 锄t h i c k n e s ss h e a rd r o pa n dt h ee m e r g e n c eo faw h o l e m i n i n gc o n d i t i o n sa st h et h r e eb a n d s , b u t 、Ⅳi t l lt h ew a t e r 勰c l o s e l yr e l a t e dt ot h em i n i n g m e t h o di sh i g h l yf T a c t u r e dz o n ea n dt h eg e n e r a lc o a la r en o tt h es a m e ．i nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h eu s co fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eF I ，』址印a n a l y s e dt h e 蛐p r o c e s s r o c ks t r e s sa n dt h ec h a n g e si nt h ep l a s t i cz o n ef i r s t l y ．F - R F P A ”t h e nu s e dt os i m u l a t et h e v i s u a ls y s t e mo fo v e r b u r d e nr o c km i n i n gp r o c e s sc o l l a p s e da n dW a J 皓1 “ l o s s ．r o c kp e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n td e t e r m i n e db yt h ec h a n g e si nt h ed i s t r i b u t i o no fw a t e rf i s s u r e s ，R o c k sa n dg e tt h e w a t e r ∞忸g er u l eW a sV - s h a p e df o r mo f m i m n g ，5 mh i g hw a t e rd i d n o tl i n ku pt h ee n t i r es o i l c r a c k s ，u n c o n f i n e da q u i f e rs t r a t as t a b i l i t yi nm i n i n gc a nf o r man e wb a l a n c e ．F i n a l l y , t h ed a t a a 糟b a s e do nt h eu s eo fr e g r e s s i o na n a l y s i sm e t h o d o l o g ya d o p t e d5 ma n d1 0 mh i g hw a t e r f r a c t u r eh e i g h tf o r m u l a ．t oi m p r o v ew a l e rm i n i n gt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a l t e c h n o l o g ys y s t e mt op r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n o l o g i c a ls u p p o r t ． K e y w o r d s S h a l l o wS e a m M i n i n gw i t hw a t e rp r o t a c t e d C u r v ed a m a g ez o n e W a t e rs u t u r ez o n e1 1 地c o a ls e a mc o v e r e dw i t hr o c ks o i la n ds a n d T h e s i s A p p l i c a t i o nS t u d y 西要料技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果．尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材科．与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意． 学位论文作者签名毵舨日期纱呷6 ‘吖 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文．同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明． 学位论文作者签名裂j } V 哩 指导教师签名 馔移互一 c ；叩 年彳月∥日 1 绪论 l 绪论 1 ．1 课题研究的背景及意义 1 ．1 ．1 课题研究的背景 八十年代初，我国在浩瀚的毛乌素沙漠下发现了储量丰富的优质煤炭，仅神府和东 胜煤田储量达2 0 0 0 多亿吨，该侏罗纪煤田是我国现己探明煤炭储量最大的煤田，约占全 国的2 5 ％，被誉为世界七大煤田之一，且煤层埋藏浅，赋存稳定、近水平、低灰、低硫、 低磷、高发热量，开采条件优越，开采效益极佳。根据国家规划，这里将成为我国西部 优质动力煤的供应和出口煤基地，且地理位置又具承东启西的作用，是2 l 世纪煤田工业 战略西移的首选基地，对本世纪国民经济的发展具有重大意义I l 】。 随着国家对神府矿区进行大规模地投资开发，附近地区形成了“煤．油．电一体化”的 特大型煤化工基地，这不仅给国家发展及西部大开发提供了极大的能源保障，而且为陕 北地区的发展带来了有史以来最好的机遇f 2 l 。然而该区在煤矿开发过程中，除了神华集 团的数对大型矿井外，还有近4 0 0 对中小型矿井和地方小煤矿开采。由于该矿区的煤层 埋藏浅，埋深一般在1 0 0 m 以内．煤层上覆基岩薄，煤层开采沉陷会直至地表，开采不 仅导致水资源流失，而目造成地表风积沙流动，耕地、草场风蚀沙化或为流沙所侵占， 严重地影响着当地的居民及其农牧业的生活、生产，从而导致农作物产量降低，土地生 产潜力下降，最终造成可利用土地资源丧失，严重地影响了陕北的经济发展和人民生活， 也使该地区的生态平衡遭受了严重的破坏【3 J 。 根据有关资料显示，由于陕北资源大规模的开发，一方面矿区开发以及相应土工范 围剧增，使植被破坏面积己达1 8 0k m 2 ，水上流失面积高达8 2 ％，年均新增侵蚀量超过 5 0 0 万t 每年穿过矿区的乌兰木伦河输走的泥沙已从1 ．7 亿t 增加到2 ．3 9 亿t ，并且有日趋 严重之势；另一方面，矿井开采破坏立即波及基岩面和地表，导致地下潜水水位大幅度 下降，植物枯死、农作物旱死、荒 沙 漠化面积扩展，生态环境进一步恶化。如神府矿 区大柳塔煤矿第一个综合机械化1 2 0 3 采煤工作面，采深4 0 ～6 0 m ，来压时顶板台阶下 沉直通地表，使风积沙下的丰富潜水 平均潜水水位高l O m 直泻工作面，最大涌水量达 5 0 0 m 3 ／h , 不仅淹没工作面，影响生产，而且导致靠近地表的宝贵水资源流失1 4 J 。现场调 研也表明，潜水水位接近地表或溢出地表时，不仅可以促进植物的生长，而且由于土的 含水量较大，风既难以吹起沙层。水土流失也难以出现，环境质量比较好，当潜水位降 低到草木植物仍能直接或间接 通过毛细现象 吸收的位置时，该区域就能生长出大量草 木植物及灌、乔木植物，于是水土流失、沙漠化也不易发生，且环境质量往往也较好。 西安科技大学硕士学位论文 当潜水水位继续降低，以致部分草木植物因缺水而逐渐死亡，但耐旱耐酷热的草木植物 仍能残存，而对根系较为发达的灌木也没有大的影响。当水位持续下降，即使灌木也难 以幸免，而连乔木植物也会死亡，此时即使仍有未死掉的残艾野草，也抵挡不住风沙侵 袭，因而最终导致环境质量的彻底恶化，荒漠化扩大就必不可免。所以，保持水环境不 变，即保持地下潜水水位和地表植物位置保持一致，对预防陕北矿区荒 沙 漠化具有十 分重要的作用垮J 。 同时，该煤层赋存的最大特点是煤层顶板基岩薄 最薄处仅2 m ，基岩上为厚度很大 的风积沙 3 0 ～6 0 m ，沙层之下粘土隔水层 离石黄土和三趾马红土，厚度不均，0 ～1 0 0 m 之上蕴藏着大量潜水 1 0 m ，在这种特殊条件下开采，矿井受到涌水溃沙的严重威胁。 在该煤田开发过程中，曾经发生过两次涌水溃沙灾害第一次是瓷窑湾煤矿，另一次是 大柳塔煤矿1 2 0 3 工作面。瓷窑湾煤矿是一个4 5 万柏的地方国营煤矿，尽管流沙淹井 给矿井造成巨大损失，但它毕竟是一个小型矿井，而在同一煤层赋存条件下总生产能力 达几千万吨的第一个特大型现代化矿井神华集团公司大柳塔煤矿，该矿2 0 6 0 1 工作面是 矿区第一个高产高效工作面，若发生溃沙淹井事故，其损失是不可估量的，因此在开采 前采取防治水的原则是“坚持强排提前疏放，上吐下泻、双向设防”，达到提前疏降地下 水，使初次放顶时水动力降低，以沙溃入矿井的动力条件不存在为目的，才使得矿井没 有出现涌水溃沙的灾害事故1 6 1 。 浅埋煤层的十多年的开采实践表明，开采引起特殊的岩层控制问题，主要是开采出 现的贯通裂隙，造成水沙溃入、工作面报废、水资源严重流失，从而加剧了地表荒漠化， 对本来就脆弱的生态环境带来严重的影响；顶板覆岩出现全厚切落形成剧烈的矿山压力 显现，支架压死；若采取其他采煤方法，则回采率低，浪费了优质的煤炭资源，且顶板 大面积悬顶，有大面积垮落的隐患，对矿井生产和安全带来灾难性危害。 1 ．I ．2 课题研究的意义 综上所述，浅埋煤层开采引起特殊的岩层控制问题，主要是开采出现的导水贯通裂 隙，造成水沙溃入。这种粗放式大规模开发中潜水流失、生态环境不断恶化的教训，在 榆神区、榆横区开始建设大型矿井的今天，保水开采技术的研究就追在眉睫。正如有关 专家所指出的，开发煤炭资源如不能再对水源地进行有效的保护，将导致陕北极其宝贵 的水资源遭到毁灭性的破坏，使其成为第二个“山西”。 同时导水裂缝带高度及形态研究也是矿井开采中合理确定开采边界的基础，是矿井 水体下采煤安全生产的关键。对于缓倾斜煤层矿井的开采，合理确定其开采边界，不但 是安全生产的问题，更是提高开采上限、扩大矿井储量，延长矿井服务年限，提高经济 效益的有效途径。 因此本论文对重点保水区的沙土基型浅埋煤层榆树湾煤矿首采面2 0 1 0 2 工作面导水 2 1 绪论 裂隙分布规律的研究，将对沙土基型浅埋煤层开采引起的潜水流失造成的土地沙漠化的 防治及矿井安全开采提供一定的参考价值。 1 ．2 国内外研究的现状 1 ．2 ．1 浅埋煤层研究现状 大型浅埋煤田在世界上不多。国外较为典型的是莫斯科近郊煤田和美国阿巴拉契亚 煤田，印度和澳大利亚也在进行浅埋煤层开采，埋深在l O O m 以内，美国、澳大利亚等 发达国家均有浅埋煤层，且对埋深在l O O m 以上的煤层开采沉陷规律进行了长期卓有成 效地研究，已有大量用于采矿的预计沉陷规律的方法和软件，而对l O O m 以内的浅埋煤 层因其地表为不连续运动而研究甚少。对于浅埋煤层矿压显现规律研究最早的是前苏联 的M ．秦巴列维奇，它根据莫斯科近郊浅埋深条件提出了台阶下沉假说，认为当煤层埋 藏较浅时，随工作面推进，顶板将呈斜方六面体沿着向煤壁的斜面而跨落直至地表，支 架上所受的力应考虑整个上覆岩层载荷的作用。8 0 年代初，澳大利亚B ．霍勃尔依特 博士等对新南威尔士安谷斯．坡来斯煤矿浅部长壁开采的一些矿压现象进行了实测。也 发现了浅埋采空区迅速压实、顶板岩层发生迅速整体移动的现象。英国和美国为控制浅 部开采地表沉陷，多采用房柱式开采，主要进行了地表岩层移动和采前地震波探测与工 程地质评价等研究工作1 7 1 4 J 。 对于浅埋煤层开采有关的研究。我国进行得较早，并作了全面的、系统的研究，而 且一直在不断地深化、提高。主要成果如下 1 侯忠杰教授在钱鸣高院士提出“关键层理论”基础上，用“组合关键层”理论，深 入研究了浅埋煤层顶板控制理论。研究认为【1 5 1 ，对于一般浅埋煤层，指出地表厚松散层 浅埋煤层覆岩中两层坚硬岩层均为关键层，为浅埋煤层长壁工作面来压剧烈的原因提供 了理论依据。地表厚松散层浅埋煤层的两层关键层必然发生组合效应，形成组合关键层， 其不仅应满足刚度条件，还要满足来压强度条件。地表厚松散层浅埋煤层组合关键层既 不能形成三铰拱式平衡，也不能形成“砌体梁”平衡。 2 石平五教授等主持完成的煤炭科学基金项目0 6 1 “浅埋煤层矿压显现与岩层控 制研究”。研究认为，基岩上覆盖层下部的基岩风化带及其上部的粘土层沙砾层在一定 的采高范围内可能形成上部大结构，对基岩小结构的形成有影响。 3 黄庆享教授给出了浅埋煤层的定义【1 7 1 ，并认为浅埋煤层顶板台阶下沉是由单 一关键层破断失稳造成的，顶板存在结构效应；建立了浅埋煤层顶板控制理论，系统地 应用顶板结构理论对浅埋煤层进行了顶板控制的定量化分析；确定了浅埋煤层顶板结构 运动过程中，岩块摩擦因数和端角挤压因数。 4 魏秉亮对神府矿区地质灾害研究【I 瓢1 9 1 认为解决浅埋煤层矿区突水溃沙灾害， 西安科技大学硕士学位论文 目前最为有效的措施是采前疏排基岩顶部直接充水含水层中的潜水，使沙失去水载体而 无法进入矿井。他对浅埋近水平煤层采动岩移与塌陷机理的研究，建立覆岩移动的有限 元地质模型。探讨浅埋近水平煤层采动条件下的岩移和塌陷的岩体应力位移变化 5 范立民在“论保水采煤问题”中p l ，论述了陕北侏罗纪煤田保水采煤的由来、基 本思路、途径及地下水的勘查、开发利用、水源保护区设置等问题，评述了陕北株罗纪 煤田榆神府矿区保水采煤区划，从科学发展观角度，提出了一些保水采煤建议。 6 王经明、叶贵钧对毛乌素沙漠东缘沙土下采煤的环境地质效应进行分析[ 2 0 ～2 2 1 ， 认为采矿造成的地下水位下降使该地区土地沙化的根本原因。指出了改革采煤方法，改 变水文地质边界条件，控制降落漏斗扩展，排灌结合的环保采煤方法。对榆神府矿区保 水采煤及地质环境综合研究，论证了保水采煤的可能性，估算了地表水可利用资源量， 并对地质环境质量现状及其采动后的影响进行了评价与预测。 7 张文军等对浅埋煤层开采覆岩移动规律数值分析吲，得出卸荷变形是引起浅 埋煤层直接项初始离层的主要因素之一，浅埋煤层老顶岩层破坏的主要顺序仍为“离层． 断裂- 垮落”，厚松散层浅埋煤层开采时，当关键承载层完全垮落后，覆岩会发生直达地 表的整体切落现象。 8 武强等对榆神府矿区大柳塔并田煤层群采地面沉陷可视化数值模拟／2 4 - 2 5 1 ，结 果表明煤层开采引起的地面沉陷不仅与采厚有关，而且与采面大小、覆岩岩性、煤层倾 角、开采方法等因素有关，而且与煤层的重复采动有关。对于煤层回采引起的地面沉陷 预测问题，应综合考虑各种影响因素，这对矿山进行科学规划有重大的指导意义。 以上对神北区沙基型浅埋煤层开采的矿压规律与顶板破断基本特征有了深入的研 究，对覆岩项板采动应力变化机理及覆岩垮落的规律有了深刻的认识，并形成了浅埋煤 层组合关键层理论等多项成果。对浅埋煤层的地表移动变形破坏与塌陷机理、工作面溃 沙机理都做了较多的研究，但对榆横矿区的沙土基型浅埋煤层开采特征及采动裂隙分布 和开采过程的关系方面研究较少，因此，为了陕北矿区的生态环境保护及实现保水开采 的目标，对厚土层浅埋煤层采动裂缝损害进行深入的研究，具有非常重要的意义。 1 ．2 ．1 覆岩导水裂隙研究现状 覆岩运动和破坏是一个复杂的动力学现象，其影响因素众多，对其研究存在很大的 难度。几十年来，国内外学者对其进行了大量的研究，取得了宝贵的成果和经验，但仍 然存在许多问题，目前仍处在经验积累和理论探索之中。 国外对导水裂隙带的理论也进行了长期研究1 2 6 例，并各自根据本国实际制订了相关 规程与规定。英国矿业局早在1 9 6 8 年就颁布了海下采煤条例，对覆岩的组成、厚度， 煤层采厚以及采煤方法等作了相应的具体规定；日本曾有1 1 个矿井进行过海下采煤， 海下采煤的水患防治措施严密，安全规程针对冲积层的组成与赋存厚度作出了允许与禁 4 l 绪论 止开采规定；俄罗斯于1 9 8 1 年颁布了有关水体下开采的规程，根据覆岩中粘土层厚度、 煤厚、重复采动等条件的变化来确定安全采深，但这些规定与规程大多是统计经验而没 有深人的理论与方法研究。 国内主要研究现状如下| 3 0 ～3 6 ] 2 0 世纪6 0 年代以前，煤炭资源开采的重点多集中在开采技术条件较好的地区，但 已有了水体下采煤的尝试。对导水裂隙带高度的研究基本上处于认识性阶段。主要从岩 层移动造成的地表沉陷等地质灾害出发，定性分析煤岩层的地质环境条件，进而利用经 验法或类比法对导水裂隙带高度进行初步预测，其特点为以煤岩层赋存条件为主要研究 内容，研究方法主要为定性描述和分析。 2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代，为适应水体下采煤技术的迫切需要，开展了大量的用专 门的观测孔来研究开采导水裂隙带高度，并就观测孔中水位变化及水的漏失量等方法， 提出了有效和无效导水裂隙的区分。同时进行试验性研究工作，特别是相似材料模拟技 术也得到了较快发展。我国许多矿区在裂高现场观测资料和试验研究的基础上，结合煤 层的采出厚度、岩体的强度类型等，总结出不同覆岩类型条件下，煤层采出厚度与冒高、 裂高的相关关系式，并以此来指导实际生产。 2 0 世纪8 0 年代以来，我国开展了许多水体下采煤的专题性研究，取得了不少突破 性进展，我国于1 9 8 5 年制订了‘建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采 规程 简称为‘规程 ，详细规定了导水裂隙带在各类条件下的计算公式及导水裂隙 带形态的描述，也已获得了微山湖下、淮河下、渤海湾地区水域下、华东、华北、东北 地区巨厚流砂层下，以及许多矿区的含水 砂 层下压煤开采的成功，为解放上亿吨煤炭 储量提供了丰富经验。 以中国煤炭科学研究院刘天泉院士为代表的一批学者，经过几十年的研究、试验和 推广应用，对导水裂隙带的理论研究总体上已基本形成了各类条件下导高预计公式，对 影响导高发育的因素及导高发育的时间过程都有了较明确的认识。马伟民，郝庆旺等提 出了采动岩体空隙扩散模型以及考虑节理损伤的力学模型；王金庄，吴立新等研究了连 续大面积开采条件下托板控制岩层变形模型；姜福兴教授提出了“岩层质量指数”高延 法教授提出了岩移“四带”模型等，对解释和计算导水裂隙带的形状和高度具有较大的帮 助。但我国对导水裂隙带的研究仍基本处于经验统计、类比、数值模拟 包括以A D I N A 、 A N S Y S 、F L A C 为主的有限元以及U D E C 、M D E C 等离散元、边界元以及离散元与边界 元藕合等 、相似材料模拟、实测 钻孔冲洗液法、钻孔电视法、瞬变电磁法、高密度电 阻率法、超声波穿透法、声波C T 层析成像技术、井下仰孔注水测漏法等 以及某一类条 件的简单理论分析等的研究阶段。对于导水裂隙带高度的计算，‘规程中给出一组统 计经验公式，该公式是基于当时炮采与普通机采、推进速度在4 0 m ／月左右的开采条件 下取得的，并且每一公式都有其应用条件．随着生产力水平的提高和发展，出现了分层 西安科技大学硕士学位论文 综采、厚煤层一次采全高、厚煤层综放开采及快速推进高产高效的新采煤技术。‘规程 中的导水裂隙带高度的预测公式不再完全适用，进而有必要对其进行新的探讨和研究， 获得在新型采煤方法条件下导水裂隙带的发育规律及导水裂隙带高度的预测公式。 从总体上看，目前对于普通薄煤层和中厚煤层的一次采全高和厚煤层的分层开采的 研究已经相对比较全面，但对于陕北特殊的厚土层覆盖下大采高覆岩导水裂隙带发育规 律的研究还是较少。对于这方面的问题其研究意义和经济效益较大，有必要对其进行深 入研究。 1 ．3 课题研究的目的及主要内容 榆树湾煤矿首采工作面开采2 - 2 煤层，榆神矿区2 吒煤层与神北矿区2 心煤层虽同为 一层煤，但覆盖层条件并不相同。首先榆神矿区2 - 2 煤层覆岩强度比神北矿区2 ．2 煤层覆 岩强度大，榆神矿区顶板基岩强度的这种变化对工作面来压强度有何种影响 目前还没 有任何现场实践数据。其次按上覆岩层厚度、土层厚度、覆岩分布空间及其组合形态特 征等可将陕北侏罗纪煤田覆盖层分为沙土基型、沙基型、土基型、基岩型和烧变岩型， 沙基型覆盖层为薄基岩与厚风积沙层，其大部分分布于神北区，如大柳塔、哈拉沟、石 圪台等矿；沙土基型覆岩除基岩与厚风积沙外，覆盖层有厚度较大的第三系的亚粘土层， 最厚达百米左右，主要分布在榆神和榆横地区[ 3 r l 。沙基型矿压显现如前述为基岩整体切 落，沙土基型因目前尚无长壁工作面的开采实践，其矿压显现特点有待立题研究。 因此，本文通过理论分析、相似模拟实验及数值模拟实验，对沙土基型的榆树湾煤 矿2 0 1 0 2 工作面覆岩岩石力学结构进行分析，模拟研究覆岩“三带”的发展形态、导水裂 隙的高度、覆岩裂隙水流动规律以及地表潜水在采动影响下的变化，具体内容包括 1 研究2 0 1 0 21 - 作面在不同采高的情况下覆岩三带的分布形态和导水裂隙高度； 2 分析覆岩裂隙水在采动情况下的渗流情况和地表潜水在不同采高条件下的变化 情况； 3 研究采动过程中导水裂隙的发展规律，利用回归分析理论拟和出不同采高下导 水裂隙发育高度的合理公式，为提出既能实现高产高效，又能达到保护环境的采煤方法 提供依据。 1 ．4 课题研究的方法及技术路线 本论文拟采用力学分析、相似材料模拟、数值模拟等手段对该区特殊的厚土层浅埋 煤层覆岩导水裂缝带发育过程、发育高度以及采动过程中覆岩渗水规律进行分析，为重 点保水的该矿区，井下安全开采以及防止采动过程中潜水的流失提供有用的技术参考和 理论依据，技术路线见 图1 ．1 所示。具体步骤如下。 1 深人现场调研、收集矿井开采过程中和导水裂隙有关的覆岩地质资料，为本 6 1 绪论 课题研究提供真实、可靠的基础数据。 2 以矿山压力和开采理论为指导，对其进行力学分析，得出导水裂隙带最高点 位于采空区位置的条件，根据现场调研资料，总结和分析导水裂隙带高度及其发育影响 因素。 3 在地质资料的基础上进行相似材料模拟，分析不同采高情况下，覆岩裂隙发 育情况，采动对地表土层的影响程度，确定三带高度及分布形态。 4 在上述总结分析的基础上，应用东北大学开发的F ．R F P A 2 D 软件及有限差分法 软件F L A C 2 D 对上分层5 m 开采以及采放高1 0 m 的放顶煤开采两种采煤方法过程中采动 导水裂隙带高度的发育规律进行相应的模拟、分析不同采高对上覆岩层导永裂隙带高度 的影响、采动覆岩渗流规律以及地表潜水的变化。 5 根据模拟结果，应用回归分析原理对不同采高下导水裂隙高度发育规律拟和 出函数关系。 图1 ．1 研究技术路线图 7 西安科技大学硕士学位论文 2 采动覆岩裂隙发育的力学及规律分析 2 ．1 覆岩破坏结构形态 煤层开采后，覆岩必然发生破坏与移动，经广大科研工作者及生产技术人员长期观 测研究，对覆岩破坏与移动变形得到了较为一致的认识，即覆岩的破坏和移动变形具有 明显的分带性，并且各带特征与地质、采矿等条件紧密相关。在采用全部垮落法开采的 工作面，只要采深到达一定的深度0 0 0 m 左右 ，覆岩的破坏和移动变形就会出现如图 2 ．1 所示的三个具有代表性的部分冒落带，裂隙带和弯曲下沉带，即典型的“顶三带”理 论【翊。 图2 ．1 采动覆岩三带分布图 A ．冒落带B ．裂隙带；C 一弯曲下沉带 2 ．2 覆岩破坏发育高度的力学分析 地下煤层采出之后，上覆岩层在重力作用下其原始应力平衡状态遭到破坏，应力重 新分布的结果是岩层产生移动、变形、破坏及渗透性的变化。由于成岩时间和矿物成分 等不同，各层厚度和力学特性等方面存在着不同程度的差别，而岩层中的关键层【3 9 1 在采 场上覆岩体的变形和破坏中起着主要的控制作用，它们以某种力学结构 板或简化为梁 等 形式支承上部岩体的压力，而它们破断后形成的结构形式 如砌体粱 又直接影响着采 场矿压显现和岩层移动。虽然岩层中软弱岩层受采动后的破坏特性对于导水裂缝带发育 高度有一定的抑制作用，但对导水裂隙的发展起决定作用的还是岩层中的关键层。因此 研究覆岩中关键岩层的破坏特性对于研究导水裂缝带发育高度有着非常重要的意义。 2 ．2 ．1 覆岩关键层理论【3 9 】 采场上覆岩层中的关键层有如下特征①几何特征相对其它相同岩层厚度较厚；② 岩性特性相对其它岩层较为坚硬，即弹性模量较大，强度较高；③变形特征在关键层下沉 S 2 采动覆岩导水裂隙发育的力学分析 变形时，其上覆全部或局部岩层的下沉量与它是同步协调的；④破断特征关键层的破断 将导致全部或局部上覆岩层的破断，引起较大范围内的岩层移动；⑤支承特征。关键层破 坏前以板 或简化为梁 的结构形式，作为全部岩层或层部岩层的承载主体，断裂后若满足 岩块结构的S ．R 稳定，则成为砌体梁结构，继续成为承载主体。 1 关键层的判别方法 关键层理论的基本观点是当煤层上覆岩层存在多层坚硬岩层时，各坚硬岩层因其特 征不同而对其采场顶板岩层运动所起的作用不同，把对覆岩全部或局部起决定作用的 岩层称为关键层，前者称主关键层，后者称亚关键层。若采场上覆岩层中有m 层岩层， 从第1 层坚硬岩层起由下而上n n s m 层同步协调变形，则第1 层岩层上的载荷为 H，” g l x I 。 置啊3 ∑n g 魄 ／∑E 吩3 2 ．1 l ；l，l - I 依此向上计算，设L 为坚硬岩层初次断裂步距，则第n 1 层岩层成为主关键层的刚 度判别条件和强度判别条件为‘ 9 1 k L l 2 ．3 一般当满足上述要求时，第 n 1 层成就成为关键层。 2 关键层的受力分析 如图2 ．2 所示，假设梁上作用有均布载荷q l k 支承粱的弹性基础符合W m l d e r 假设，则 基础内的垂直反力为F k y 。其中，l 【为W m k l e r 弹性地基系数，与梁下垫层的厚度及力学 性质有关, k - - F d d o 阮；E o 为地基的弹性模量；d o 为垫层厚度。根据在此条件下梁的对 称性 初次断裂前 ，可取梁的一半长l 进行力学分析。由梁的平衡原理，可得梁的挠度曲线 方程为 严阶吼 【置～ 4 2 吼一耖 - t s j 【兰0 0 量x 兰∞ 2 ．4 当k Ⅻ，即∞一- Ⅷ，则a l ／6 ，即为两端固支梁的解．设在r - - 1 处，即梁的中部弯矩为‰ 则M e E I y ”- l D u u l n l z ． 当y ” o ，则此时的弯矩值I M l M 。，其位置x ∥为 x , a 塑躺喀f 压瓶 丽一2 I ∞川 2 ．5
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