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第 32 卷 第 4 期 采矿与安全工程学报 Vol.32 No.4 2015 年 07 月 Journal of Mining Safety Engineering July 2015 文章编号1673-3363-201504-0634-051 覆岩导水裂缝带高度与开采参数的关系研究 赵兵朝，刘樟荣，同超，王春龙 西安科技大学能源学院，西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054） 摘要 为了研究覆岩导水裂缝带最大高度与开采参数之间的关系，结合岩层中间层和导水裂缝带 广义损伤因子的定义，假定可用两段椭圆弧来拟合导水裂缝带上位岩土层的下沉曲线，导出了开 采厚度、基岩厚度、载荷层厚度和导水裂缝带广义损伤因子之间的关系，简化了确定导水裂缝带 最大高度的计算方法。研究结果表明导水裂缝带最大高度与开采参数之间存在较大联系，确定 导水裂缝带最大高度时必须考虑开采参数。同时，通过工程实例验证了该计算方法的适用性和可 靠性，为进一步研究保水开采奠定了理论基础。 关键词 概率积分；导水裂缝带；开采参数；保水开采 中图分类号 TD 823.83 文献标志码 A DOI 10.13545/ki.jmse.2015.04.018 Relation between height of water flowing fractured zone and mining parameters ZHAO Bingchao，LIU Zhangrong，TONG Chao，WANG Chunlong School of Energy，Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention of the Ministry of Education， Xi’an University of Science and Technology，Xi’an，Shaanxi 710054，China Abstract To study the relation between the maximum height of water flowing fractured zone and mining parameters, combining with the generalized damage-factor definition of interlayer stratum and water flowing fractured zone, and assuming that two elliptical arcs could be used to fit the subsidence curve of rock-soil layer above the water flowing fractured zone, the relation among mining height, bed- rock thickness, loading layer thickness and generalized damage factors of water flowing fractured zone were deduced, which simplified the calculation of determining the maximum height of water flowing fractured zone. The results show that there is a great relationship between the maximum height of water flowing fractured zone and mining parameters, and the mining parameters must be considered when determining the height of water flowing fractured zone. Meanwhile, the applicability and reliabil- ity of the calculation has been proved by engineering instances, which provides theoretical foundation for the further study on water conservation mining. Key words probability distribution； water flowing fractured zone； mining parameter； water-preserved mining 收稿日期2014-03-24 基金项目国家自然科学基金项目51304156；陕西省重点科技创新团队计划项目2013KCT-16；陕西省重点实验室科学研究计划项目 13JS066；陕西省自然科学基金项目2011JY005 作者简介赵兵朝1978，男，山西省晋城市人，博士，副教授，从事开采损害及防护方面的研究。 E-mailzhaobc913 Tel13152175386 第 4 期 赵兵朝等覆岩导水裂缝带高度与开采参数的关系研究 635 从国内环境看，煤炭开发布局矛盾加剧东部 资源日渐枯竭，煤炭开发加速向生态环境脆弱的西 部转移。近年随着国家对生态脆弱区保水采煤的高 度重视，国务院 2013 年 1 月 1 日印发的国家能 源发展“十二五”规划已将“保水开采技术”列 为积极推广的新技术之一。国内许多科研院所都开 展了保水开采课题的研究[1]，为保水开采增加了新 的内涵保水开采不仅是一个矿井实现保水开采， 而是要实现整个区域的保水开采。保水开采就是使 采场上覆的导水裂缝带与地表或含水岩层不贯通， 就可以达到保水的目的。可见，实现保水开采的关 键技术就是能否准确地确定覆岩导水裂缝带的最 大高度。导水裂缝带高度不仅与覆岩岩性有关，还 与开采参数存在较大的关系，如开采厚度、开采尺 寸等，如何确定导水裂缝带的最大高度是许多科研 工作者所面临的主要困难。研究导水裂缝带高度的 成果较多，理论研究方面具有代表性的有高延法 等[2]定义了中间层的概念，采用 2 段圆弧来拟合岩 层下沉盆地的内外边缘曲线，研究覆岩导水裂缝带 内裂隙岩层导水性与覆岩岩层层向拉伸变形的关 系；康永华[3]对不同的开采厚度、采煤方法对导水 裂缝带发育高度及其分布形态的影响进行了研究， 给出了减小初次开采厚度可以降低导水裂缝带发 育高度的结论；本文作者[4]提出了导水裂缝带广义 损伤因子的概念，研究了导水裂缝带高度与广义损 伤因子的关系。研究覆岩岩层层向拉伸变形、开采 厚度、采煤方法以及导水裂缝带广义损伤因子对导 水裂缝发育高度的影响，其均与开采参数有直接的 关系。因此，研究覆岩导水裂缝带高度与开采参数 的关系，是研究导水裂缝带发育高度亟待解决的问 题之一。 1 导水裂缝带上位岩土层下沉函数的选择 文献[2]指出， 目前岩层的下沉曲线函数在进行 计算岩层水平变形量时计算公式较为复杂，提出采 用 2 段圆弧来拟合岩层下沉盆地的内外边缘曲线， 并假定 2 段圆弧曲率和弧长相等而曲率方向相反, 对充分或超充分采动条件下覆岩导水裂缝带裂隙 岩层导水性与覆岩岩层层向拉伸变形的关系进行 了研究。作者曾提出了导水裂缝带广义损伤因子的 概念，在计算导水裂缝带广义损伤因子及导水裂缝 带最大高度时需要应用计算机编程进行计算[4]。针 对上述问题，结合文献[2]，通过分析地表移动变形 分布函数表中下沉函数的分布形态如图 1a 所示， 认为覆岩导水裂缝带上位岩土层下沉盆地的内外 边缘曲线可采用 2 段椭圆曲线进行拟合见图 1。 拐 点 导水裂缝带上位 岩土层下沉盆地 la/2 H z wmax 地表 导水裂缝带 上位岩土层 lb/2 la lb la/2 lb/2 la/2 lb/2 wz rzrz L0 zz d 覆岩弯曲、破坏下沉 b 椭圆的分布形态 a 下沉函数的分布形态 c 两段椭圆拟合下沉函数 图 1 导水裂缝带上位岩土层下沉函数几何模型 Fig.1 Geometrical model of subsidence function on upper rock and soil layer in facture zone 由图 1 可知，椭圆的长半轴 lb/2 等于导水裂缝 带上位岩土层的影响半径 rz即 lb/2rz，椭圆的 短半轴 la/2 等于上位岩土层最大下沉值的一半即 la/2 wz/2。则上位岩土层下沉半盆地边缘曲线的 长度为 L1la/2lb-la 1 导水裂缝带上位岩土层的影响半径 rz的计算 表达式为 rzH-z/tan z 2 若地表为厚松散层（土层），则导水裂缝带上 位岩土层与地表的下沉为同步下沉，且松散层的移 动形式与基岩的移动形式基本一致[5]，故可近似地 认为上位岩土层和地表影响范围基本相同。因此， 为了便于计算，可假定上位岩土层影响半径 rz与 地表主要影响半径 r 相等，故导水裂缝带上位岩土 层的影响半径 rz的计算表达式为 rzrH/tan  3 导水裂缝带发育高度达到最大时，上位岩土层 最大下沉值的表达式为 wzmz 4 上位岩土层的总拉伸变形量 ε 为 ε1000L1-L0/L0 5 式中L0为导水裂缝带上位岩土层弯曲变形前的直 线段长度，m；L1为导水裂缝带上位岩土层弯曲变 形后的曲线段弧长，m；rz为岩土层影响范围的主 要影响半径，m；tan 为地表主要影响角的正切值； tan z为导水裂缝带上位岩土层主要影响角的正切 值；z 为地表距导水裂缝带上位岩土层的距离，m； wz为导水裂缝带发育高度达到最大时上位岩土层 最大下沉值，mm；z为导水裂缝带发育高度达到 采矿与安全工程学报 第 32 卷 636 最大时上位岩土层的下沉系数；ε 为上位岩土层的 总拉伸变形量，mm/m。 2 导水裂缝带发育高度与开采参数的关系 研究导水裂缝发育高度与开采参数的成果也 较多，具有代表性的有许家林等[6]采用工程探测、 理论分析和模拟实验等方法，就覆岩主关键层位置 对导水裂缝带高度的影响进行深入研究，研究结果 表明，对导水裂缝带高度产生影响的主关键层与开 采煤层临界距离主要与煤层采高、主关键层破断块 度和顶板碎胀压实特性等因素有关；康永华[3]在总 结炮采、综采及综放开采方法对导水裂缝带发育高 度及其分布形态影响的基础上，提出了减小初次开 采厚度以降低导水裂缝带发育高度的观点。作者认 为，既然关键层位置对导水裂缝带的发育高度存在 较大影响，那么分析关键层位于“冒落带”、“裂 缝带”还是“弯曲下沉带”则显得尤为重要，已有 研究成果见文献[7-8]表明，其与基载比简称JZ 和基采比简称JC有如下关系 1 当JZ＜0.8，开采高度较大，JC＜1015时， 顶板体现为单一主关键层结构特征，顶板具有明显 的动载现象，此时，关键层位于“冒落带”。 2 当JZ＜0.8，开采高度较小，1015＜JC＜ 2530时，表现为一组关键层和多组亚关键层，顶 板不会出现台阶下沉现象，此时，关键层位于“裂 缝带”。 3 当JZ0.8，开采高度较小，JC25时，关键 层上覆岩层表现出同步连续变形结构特征，此时， 关键层位于“弯曲下沉带” 。 根据导水裂缝带的定义、形成机理和关键层的 破断失稳特征，其所处“三带”的位置① 关键层 位于“冒落带” ；② 关键层位于“裂缝带” ；③ 关 键层位于“弯曲下沉带”，可以由下式进行初步判 别 若hgks-1cos α/m-f≥1或JZ≥0.8且JC≥25， 则关键层位于“裂缝带”或“弯曲下沉带” ； 若hgks-1cos α/m-f0.8，基采比 JC117.5/523.5＜25，根据导水裂缝带位置与开采 参数的关系中关于基载比和基采比的判定，覆岩表 现为一组关键层和多组亚关键层，可初步推断关键 层位于导水裂缝带上部或位于弯曲下沉带下部。 2 根据关键层的几何特征初步判定 表 1 的第 24，22，20，15，11，7 和 4 层位可能为关键层或 亚关键层。通过关键层判定可知20102 上工作面煤 层开采，覆岩上部的第 11 和第 15 层为亚关键层， 第 7 层为主关键层，可初步判定关键层位于导水裂 缝带上部或位于弯曲下沉带下部。 3 岩移参数的确定 该处岩移参数参照大柳塔 采矿与安全工程学报 第 32 卷 638 煤矿的实际观测数据，主要影响正切值为 1.7，覆 岩的残余碎胀系数取 1.05，关键层层位的中粒砂岩 极限拉伸变形量 ε 为 2.9 mm/m；按 20102 上工作面 完全开采进行下沉系数的确定，则工作面开采尺寸 大于关键层的极限破断距，导水裂缝带上位岩土层 的下沉系数z为 zm-hytks-1cos α/m0.191 4 结合表 1，利用上述岩移参数，且地表有较 厚黄土层覆盖，故结合式1，35计算出关键层 层位的变形量 ε1 L0lb2r258.94 m； r117.5102.6/1.7≈129.47 m； wzlamz0.955 m； la/20.4775 mm； L1la/2lb-la 259.484 m； ε11000L1-L0/L02.1 mm/m。 亚关键层第 11 层层位的变形量 ε2 zm-hytks-1cos α/m0.2952； wzlamz1.476 m； la/20.738 mm； L1la/2lb-la259.781 m； ε21000L1-L0/L03.24 mm/m。 5 关键层层位发生破坏的极限变形量 ε2.9 mm/m。因为 ε2.9 mm/mε12.1 mm/m，故关键层 未破断；ε2.9 mm/mε23.24 mm/m，故第 11 层位 亚关键层发生破断。导水裂缝带位于关键层下部， 其最大高度为 89.42 m， 与现场实测结果 90 m详见 文献[9-10]基本吻合。与此同时，结合表 1 可知， 该区域覆岩属中硬岩层， 与文献[2]研究成果进行对 比分析可知中硬岩层裂采比为 10.015.88该区域 裂采比为 18， 出现偏差的原因在于本区域上覆存在 较厚的黄土层，其作为荷载将会对覆岩破坏产生一 定的影响， 导水裂缝带顶部岩层层向临界拉伸率为 0.10.24该区域为 0.21与之基本吻合。 5 结 论 1 将覆岩导水裂缝带上位岩土层下沉盆地曲 线用 2 段椭圆曲线进行表示，给出了确定导水裂缝 带最大高度数学模型和计算过程。 2 揭示了导水裂缝带高度与开采参数、 基岩厚 度、载荷层厚度和导水裂缝带广义损伤因子之间的 关系。 3 以榆树湾煤矿 20102 上工作面煤层开采为工 程实例，求解出的导水裂缝带最大高度为 89.42 m， 与相关研究成果 90 m 基本吻合，解决了在原计算 导水裂缝带最大高度时需要计算机编程的难题。 参考文献 [1] 缪协兴，浦海，白海波．隔水关键层原理及其在保水 采煤中的应用研究[J]． 中国矿业大学学报， 2008， 371 1-4． MIAO Xiexing， PU Hai， BAI Haibo． Principle of water- resisting key strata and its application in water-preserved mining[J]．Journal China University of Mining Tech- nology，2008，37 11-4． [2] 高延法，黄万朋，刘国磊，等．覆岩导水裂缝与岩层 拉伸变形量的关系研究[J]．采矿与安全工程学报， 2012，293301-306． GAO Yanfa， HUANG Wanpeng， LIU Guolei， et al． The relationship between permeable fractured zone and rock stratum tensile deation[J]．Journal of Mining Safety Engineering，2012，293301-306． [3] 康永华．采煤方法变革对导水裂缝带发育规律的影响 [J]．煤炭学报，1998，233262-266． KANG Yonghua．The effect of various mining s on development law of water 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