小浪底水库下采煤导水裂隙发育监测与模拟研究.pdf

第 2 8卷第 2期 2 0 0 9年 2月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g Vb1 ．28 NO． 2 Fe b ． 2 00 9 小浪底水库下采煤导水裂隙发育监测与模拟研究 孙亚军，徐智敏 ，董青红 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 摘要新安矿有 8 ．O O x 1 0 t 煤炭资源处在小浪底水库水体之下，煤厚变化大f 0 ． 0 41 8 ． 8 m ， 现有的导水裂隙高度计 算方法不能满足水体下采煤安令评价 的要求 ，水体下采煤存在突水隐患。为确定开采过程中覆岩破坏上限及其是 否导通地表 水体 ，研究区在 5个地面钻孔中进行超声成像观测 ，在 5个井下钻孔 中进行并行 网络 电法 C T观测 ， 并通过物理模拟和数值模拟进一步研究各种不同开采条件下的覆岩破坏过程。观测及模拟结果表明，导水裂隙发 育最火高度主要取决于煤层采厚，两者之间为非线性关系，在此基础上给 出相应计算公式，为结合其他突水影响 因素确定安全可采分区提供可靠依据，并得到 3个位_『安全可采 内的lT作面工业性试采成功的验证。 关键词采矿工程；水体下采煤；覆岩破坏；导水裂隙；矿井突水 中图分类号T D 7 4 ；P 6 4 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 06 9 1 5 2 0 0 9 0 2 0 2 3 8 0 8 M oNI ToRI NG AND S I M ULATI oN RES EARCH oN DEVELoPM ENT oF W ATER FLoW I NG FRACTURES FoR CoAL M I NI NG UNDER XI AOLANGDI RES ERVoI R S U N Ya j u n ，XU Z h i mi n ，DO NG Q i n g h o n g S c h o o l o f R e s o u r c e s a n d G e o s c i e n c e s ，C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u 2 2 1 1 1 6 ，C h i n a Abs t r a c t The r e a r e o v e r 8 0 mi l l i o n t o ns c o a l u n d e r t h e wa t e r bo d y o f Xi a o l a n gd i Re s e r v o i r i n Xi n a n c o a 1 mi n e a r e a， Ch i n a S He n a n Pr o vi nc e ．Th e c o a l t hi c k ne s s c ha ng e s fro m 0 ． 0 m t o 1 8 ． 8 m t he r e f o r e， i t i s d i ffi c u l t t o c a l c ul a t e e x a c t l y t h e he i g h t of wa t e r flo wi ng f r a c t u r e d z o n e t ha t ma y c a u s e wa t e r d i s a s t e r by u s i n g t h e kn o wn me t h o ds ． I n o r de r t o d e t e r m i n e t h e u p p e r l i mi t o f wa t e r flo wi n g fra c t ur e d z o ne ， ul t r a s o ni c i ma g i n g t e c h n ol og y i s u s e d i n 5 g r o u nd s u r f a c e bo r e h o l e s ； a nd t he pa r a l l e l n e t wo r k e l e c t r i c a l CT t e c h no l o g y i s us e d i n 5 b o r e ho l e s i n t h e c o a l mi ne t o ob s e r v e t he f a i l u r e p r o c e s s a n d t h e ma xi mu m he i g h t of wa t e r flo wi ng fra c t u r e d z o n e ． Fu r t he r mor e， p h y s i c a l a nd nu me r i c a l s i mul a t i o n s a r e a l s o us e d t o o b s e rve t h e h e i g h t i n mo r e d i f f e r e n t e x c a v a t i ng c a s e s ．Th e d e t e c t i n g a n d s i mul a t i o n r e s u l t s d e mo n s t r a t e t h a t t he h e i g h t o f wa t e r flo wi ng fra c t u r e d z o n e i s ma i n l y d e t e r mi n e d b y c oa l t hi c k n e s s e x c a va t e d i n a n o nl i ne a r r e l a t i o ns hi p． A f o r mu l a i s gi ve n b a s e d o n t h i s r e s e a r c h； a n d i t i s us e d t o d e t e r mi n e t h e s a f e a r e a wh i l e mi n i n g u n d e r t h e wa t e r b o d y o f Xi a o l a n g d i Re s e r v o i r wi t h c o mb i n a t i o n o f o t h e r a ffe c t i n g f a c t or s o f wa t e r i n r u s h． Th e r e s ul t i s ve r i fie d t o b e r e l i a b l e b y s u c c e s s f ul i n d us t r i a l mi n i n g e x pe r i me n t s o f t h r e e wo r k i n g f a c e s i n t h e s a f e a r e a ． Ke y wo r ds m i ni n g e n g i n e e r i n g；c o a l mi ni n g u nd e r wa t e r b o d y；o v e r bu r d e n r o c k f a i l u r e ；wa t e r flo wi n g fra c t u r e d z o ne wa t e r i n ru s h o f c o a 1 m i n e 收稿 日期2 0 0 8 0 9 2 3 ；修回日期2 0 0 81 1 1 8 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项 H 2 0 0 7 C B 2 0 9 4 0 0 ；国家 自然科学基金重点项H 5 0 6 3 4 0 5 0 作者简介 1 9 6 3一 ，男，博十，1 9 8 4年毕业于中国矿业学院，现任副教授，主要从事矿井水害防治技术及水体 下采煤方面的教学与研究 r 作。E - ma i l s c u mt e d u ． c n 第 2 8 卷第 2期 孙亚军，等．小浪底水库下采煤导水裂隙发育监测与模拟研究 2 3 9 1 引 言 据不完全统计，我国有 2 5 1 0 t 以上的煤炭资 源位于江、河、湖 、海及第三、四系松散含水层等 各种类型的水体之下。由于在大型水体下采煤存在 着严重的突水威胁，导致大量的煤炭资源呆滞 。黄 河小浪底是我国特大型水利枢纽 ，蓄水量为 1 O O - 1 5 O x 1 0 m ，最大蓄水高程为 2 7 5 m。义煤集 团 新安矿于 1 9 8 2年建成投产。2 0 0 0年小浪底水库蓄 水后 ，新安井 田4 0 ％的面积处于水库淹没区之下， 水下压煤达 8 ． O x 1 0 t 。 在水体下采煤 的矿井突水灾害防治 问题中，岩 层采动破断裂隙及采动岩体结构裂隙演化规律是形 成矿井突水的通道 、判断矿井突水发生条件、进行 矿井突水预测和制订矿井水害防治决策的重要理论 基 础 。 在 国外，前苏联于 1 9 7 3年 出版 了确定导水裂 隙发育高度方法指南，并于 1 9 8 1年颁布了有关水体 下开采的规程，规定根据覆岩中粘土层厚度、煤厚、 重复采动等条件的变化，确定安全开采深度为 2 O ～ 7 5倍开采厚度I l 】 ，并规定水体下安全开采主要取决 于第四系粘土隔水层 的性质、位置及厚度，基岩风 化带的物理力学性质 ，煤层的产状和导水裂隙的发 育高度等因素，并在此基础上通过临界变形值确定 安全可采区域。印度等一些 国家也有类似研究I 2 J 。 我 国对煤层 开采 引起 的覆 岩破坏及导水通道 的形成等问题进行了大量研究 ，提 出了覆岩破坏范 围 “ 三带”分布状态和规律 ，给 出了裂隙发展最大 高度 的经验公式，提出了水体下采煤 的安全技术措 施等。以煤炭科学研究总院刘天泉为代表 的一批学 者经过几十年 的理论研究、实验和推广应用，总体 上形成了计算各类条件下导水裂隙发育高度的经验 公式，对影响导高发育的因素及导高发育 的过程也 有了较明确的认识【 6 J 。王金庄 】 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 J 提出了 “ 岩层质量指数” ；高延法【 9 ] 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都有 重要意义。黎 良杰等【 1 u J 采用定性立体模型和平面应 力模型对无断层条件和有断层条件 的底板突水机制 进行了研究，在此基础上提出了煤层底板突水的关 键层理论，对认识煤矿底板导水通道的形成和突水 机制做出了重要发展。 对于顶板导水裂隙高度的计算， 矿井水文地质 规程和 “ 三下规程”都给 出了统计经验公式。但 是，导水裂隙的发育高度受地质条件、顶板覆岩结 构和采煤工艺等多种因素的影响，我国不同矿区的 地质条件和顶板覆岩结构有较大差异，采煤工艺也 随着技术力水平 的提高和发展 ，出现了分层综采、 厚煤层一次采全高、厚煤层综放开采及快速推进高 产高效等采煤新技术 ，导致导水裂隙实际发育高度 在不同矿区有较大变化范 围， 一般为煤层采厚 1 0 ～ 2 2倍 ，因此，有些矿区的导水裂 隙发育高度与规程 中的预测公式的计算结果并不完全相符。 鉴于上述原因，对于新安矿在小浪底水库大型 水体下采煤的安全评价和突水预测，仅仅采用规程 中的公式或前人在其他矿区提出的计算公式进行导 水裂隙发育高度计算是难以满足安全要求的，因而 有必要对其进行专 门的研究和探讨，以获得符合新 安矿区地质条件和采煤方法的导水裂隙带发育规律 及导水裂隙发育高度 的预测公式，保证突水预测结 论的可靠性和矿井安全。 本研 究为满足 小浪底 水库 下安全采煤和 突水 预测的需要 ，通过大量的现场观测、物理模拟和数 值模拟等手段综合研究揭示了新安矿煤层采动后导 水裂 隙带的发育规律，为实现小浪底水库下安全采 煤提供重要的参数依据和技术支撑。 2 新安矿区地质及开采条件 新安矿主采二叠系山西组二 煤层 ，煤层厚度 为 0 ． 0 --1 8 ． 8 m。煤层之上至小浪底库区水体之间为 第四系和二叠系土 门组、平顶山组、上石盒子组、 下石盒子组和 山西组，岩性主要为砂岩 、泥岩和砂 质泥岩，厚度为 9 0 2 1 0 r n 。其中，泥岩和砂质泥 岩构成了 8 组隔水层。在构造上 ，本区处在新安 向 斜北翼，矿区 内呈单斜构造，但是地层起伏大，倾 角为 9 。 ～1 l 。 。在水库淹没区内，未发现导水断层 。 在水文地质上，本区主要有第四系松散层含水 层和部分砂岩弱含水层。 小浪底水库蓄水后，第四系 与库区水体具有水力联系，并通过绕流渗入浅部砂 岩含水层，其水文地质结构如图 1所示。采煤方法 主要是走 向长壁后退式开采 ，炮采放顶煤 ， 沿底回 采 ，一次采全高。 2 4 0 岩石力学与工程学报 2 0 0 9年 北治山 ． ’ ． ． ’ t ’ ． ’ ． ， ’ ．．t t ’ t ’ t’ F； 一 曩 曩 小浪底水库淹没区 边界煤柱壬 釜 毳i亏亏i ； i 坚 毒 墨 ． }厂 r J 1 T ～ lX ，工 云 梦 山 图 1 小浪底水库蓄水后新安矿水文地质 结构示意图 Fi g． 1 Hyd r o ge o l ogi c a l s t r uc t u r e of Xi n a n c oa l mi ne f o r mi n i n g u n d e r Xi a o l a n g d i Re s e r v o i r 3 现场观测及成果 3 ． 1 观测方案 为确定新安矿地质及开采条件下顶板覆岩破坏 规律 和导水 裂 隙发育最 大 高度 ，本 研 究选取 了 1 1 2 0 1 ，1 4 1 4 1 和 1 4 1 9 1 三个具有不同采厚的工作面， 布置了 7个地面 L K1 ～K3及 K5 ～K8 和 5个井下 f q J L Y1 ～Y3 ，Y5及 Y 6 对采前采后的覆岩破坏进 行动态观测。采区位置及观测孔布置如图2所示。 在总结前人研究煤层顶板以及大型水体下采煤 导水裂隙发育高度采用观测方法的基础上 J ，本研 究采用了多种物探手段相结合、井上下观测相结合的 综合观测模式。其中 5个地面钻孔 K 2 ，K 3及 K 5 ～ K7 采用超声成像技术，分别在采前、采后各进行⋯ 次测井，K1和 K 8主要用于含水层水位监测。5个 井下仰孔采用并行 网络电法 C T技术进行 了历时 1 a 的长期动 态监 测 。每 个工 作面均 采用 地面和 井 下钻孔互相配合的布置方式。 3 ． 2 地面钻孔超声成像技术测井 超声成像技术测井是采用工作频率 1 MH z 、直 径 2 0 mm 的圆片压电陶瓷换能器向井壁发射超声 波脉冲，然后测量回波幅度和传播时间。经计算机 处理后 ，可直接观察出孔壁岩性、裂隙、层理、洞 穴及钻孔几何形状的变化、深度及方位 J 。观测 孔布置于工作面推进前方，首先观测采动影响之前 的原岩裂隙，然后在工作面推过后 1 ． 5 ～3 ． 0个月内 观测采后裂隙，通过前后 2次观测结果比较判断开 采形成的导水裂隙发育高度 O n 图 3所示，图中的角 度分别为倾角和倾 向 。新安煤矿各钻孔在不同采厚 条件下导水裂隙发育高度观测结果如表 1 所示。 3 ． 3 井下仰孔并行 网络 电法 C T探测 并行网络电法技术是继常规 电法和高密度电法 后发展起来的具有全电场观测特点的新一代电法数 据采集技术。和常规电法和高密度电法每次供 电只 能采得一个测点数据不同，并行 电法每次供电可同 时获得多个测点数据，采集效率高，可 同步完成多 种装置的数据测量 。由于采用网络并行技术在数据 采集时具有同步性和瞬时性，使得电法图像更加真 实合理，大大提高了视 电阻率的时间分辨率。将并 行采集技术和先进 的通讯系统、控制系统相结合构 成 了网络并行电法监测系统，可实现电法数据远程 获取和智能控制L 1 H j 。本次覆岩破坏探测结果剖 面如图 4所示。 井 孔 地 目 矿 蝴圈 库 区 积 栅 1 主斜井；2 副斜井；3 一风井；4 一井底车场；5 1 1 2 0 1工作面；6 1 4 l 9 1 工作面；7 1 4 1 4 l 工作面 图 2 现场观测方案布置 图 F i g ． 2 I n s i t u l a y o u t o f o b s e r v a t i o n s c h e me 第 2 8 卷第 2期 孙亚军 ，等 ． 小浪底水库下采煤导水裂 隙发育监测与模拟研究 2 4 l a 1采矿前 b 采矿后 图3 采动前后覆岩破坏超声成像观测结果对比图像 F i g ． 3 E x p l o r a t i o n i ma g e s o f u l t r a s o n i c i ma g i n g o f o v e r b u r d e n f a i l ur e b e f o r e ／ a f t e r mi n i n g 表 1 地面钻孔超声成像观测结果表 T a b l e 1 Ob s e r v a t i o n r e s u l t s i n s u r f a c e h o l e s b y u l tr a s o n i c i ma gi ng 7 0 6 5 6 0 5 5 5 O 45 回采至测点距离／ m a 背景值 ． 二 二二二二二 7 0 6 5 6 O 5 5 5 O 4 5 回采至测点距离／ m b 进入探测区 1 ， 二二 7 0 6 5 6 0 5 5 5 O 4 5 回采至测点距离， m C 进入探测区2 2 4 2 岩石力学与工程学报 2 0 0 9 正 ． 7 0 6 5 6 0 5 5 5 0 回呆至测点距离／ m d 回采经过探测 区 图 4 覆岩破坏并行 网络 C T探测结果剖面 F i g ． 4 P r o fi l e s o f p a r a l l e l n e t wo r k CT d e t e c t i o n o f o v e r b u r d e n r o c k f a i l u r e de t e c t i o n 本研究先后在新安煤矿 1 1 2 0 1 ，1 4 1 4 1 及 1 4 1 9 1 工作面井下进行了 5孔次的导水裂隙发育高度探测 工程，各孔的数据解释结果如表 2 所示。 表 2 并行网络 电法 C T技 术探测结果 1 1a b 1 e 2 De t e c t i n g r e s u l ts o f p a r a l l e l n e t wo r k e l e c t ri c a l CT me t h o d 3 ． 4 地面钻探验证 在 1 4 1 4 1 工作面施工的专门地质孔K7 孔钻进到 孑 L 深 5 1 2 ． 4 1 1 1时，孔 内冲洗液突然大量漏失，待钻 具提出后孔 内观测不到水位。因此 ，可 以确定煤层 采出后形成的导水裂隙带的最大高度为 4 5 ． 4 m，与 在相同煤厚控制区域的井下仰孔 Y 6采用并行网络 电法 C T探测的结果 4 3 ． 0 m 比较接近，表明通过并 行网络电法 C T探测与实际钻孔验证相结合的综合 分析方法能够有效 、准确地确定煤层采 出后导水裂 隙带的发育高度。 4 物理模拟研究 在现场观测的基础上，本研究进一步采用物理 模拟的方法 ，对水体下采煤可能的各种情况进行研 究，一方面与观测结果互相验证，另一方面，可以 检验在相 同条件下覆岩破坏的可重现性。 4 ． 1 实验模型 本次工程地质力学模 型相似材料模拟实验依据 的是新安煤矿 1 1 2 0 1 ，1 4 1 4 1以及 1 4 1 9 1 工作面的开 采条件及地质参数，以二 1 煤开采为主要研究对象， 煤层采厚 3 ～9 m。 根据现场 的地质和 开采条件 ，模 型 比例 定为 2 0 0 1 ，即模型的相似比为 2 0 0 。模型在平面应变模 型架上进行，模型体的尺寸2 ． 0 mx 1 ． 0 mx 0 ． 2 4 m 长 X 高 宽 。煤层覆岩施加的应力采用施加外力荷 载补偿法来实现。模型开采时间相似系数 1 4 ． 1 4 。 在选取物理模拟的相似材料时，参考中国矿业 大学以往进行工程地质力学模型研究的经验 ，本次 模拟选取重晶石粉、石 膏、甘油、河砂及澎润土等 为模型相似材料 。以 1 4 1 4 1工作面为例，材料配 比 几尢表 3 。 表 3 1 4 1 4 1 工作面相似材料配 比 1 ’a b1 e 3 S i mi l a r ma t e r i a l ma t c h i n g f or 1 4 1 4 1 wo r k i ng f a c e g 材料名称 重晶石粉 石膏 甘油 水 河砂 膨润土 泥岩 2 5 0 3 4 8 0 0 6 0 砂质泥岩 2 5 0 4 4 8 1 5 O 7 O 粗粒砂岩 2 5 0 8 4 8 6 2 5 0 中粒砂岩 2 5 0 1 2 4 8 9 2 5 0 细粒砂岩 2 5 0 1 4 4 9 3 2 5 0 粉粒砂岩 2 5 0 1 6 4 9 5 2 5 0 4 ． 2 实验过程 为了模拟现场月 4 5 m 的推进速度 ， 本次模型试 验采用 1 d推进 2 1 ．2 m 的速度来模拟开采 。实验过 程中，观测岩层移动和覆岩破坏特征。共模拟了正 常开采、分层开采 、一次采全高和有断层条件下的 开采等不同情况下 的覆岩破坏和导水裂隙发育情 况，见图 5 。 a 1 4 1 4 1 工作面一次采全高模拟 第 2 8卷第 2期 孙亚军，等．小浪底水库下采煤导水裂隙发育监测与模拟研究 b 1 1 2 0 1 工作面开采覆岩破坏模拟 表 4 物理模拟实验结果 T a b l e 4 Re s u l t s o f p h y s i c a l s i mu l a t i o n e x p e r i me n t s ‘ 。 工 作 面 二 分 层 开 采 模 拟 5 数值模拟研究 d 1 4 1 9 1 工作面一次采全高模拟 e 1 4 1 9 1 工作面分层开采 f 1 1 1 2 0 1 工作面有断层开采模拟 图 5 不同条件下覆岩破坏物理模拟结果图 F i g ． 5 M a p s o f p h y s i c a l s i mu l a t i o n r e s u l t s o f o v e r b u r d e n r o c k f a i l u r e u n d e r v a rio u s c o n d i t i o n s 4 ． 3 实验结果 以 l 1 2 0 1 ，1 4 1 4 1 及 1 4 1 9 1 三个工作面地质结构 条件及其物理力学参数为基础先后进行了 4个工程 地质力学模型的 8次模拟开采 ，物理模拟实验结果 如表 4所示。 为了研究煤层开采后上覆岩层的破坏过程及范 围，国内外学者做了很多工作，形成了许多方法， 其 中常用的方法之一就是数值模拟。 目前在进行数 值模拟研究的过程中，通常用来判 断导水裂隙带范 围的判剧主要有塑性区和应力 。近年来发展起来 的快速拉格朗日分析 F L AC 法已被程序化、实用化 ， 其基本原理类 同于离散单元法，并有较多应用 ，如 新集矿采用 F L A C m 对导水裂隙带高度进行预测， 取得了较为满意的效果f 1 4 ] ；马立强 利用 F L AC D 的应力 一 渗流耦合系统进行了采动岩体裂隙产生、 发展、闭合及相关危害性 的可靠的数值定量分析； 刘伟韬等【 l 6 J运用 F L AC 进行 了覆岩破坏范围的数 值仿真模拟 ，模拟结果真实可靠，可用于对类似条 件下的开采覆岩破坏高度进行预计。 5 ． 1 计算模型 的建立 本研究模型的几何和网格初始化主要考虑 了研 究区域的实际采矿地质条件 。根据该工作面的实际 开采条件，整个模型尺寸确定为4 0 0 m 2 0 0 mx 2 0 0 m 长 宽 高 ，采厚 5 1 1 1 ，模型共计 1 2层。数值 计算时，此模 型被划分为若干长方体 网格组成，共 由2 5 5 0 0个单元和 2 5 3 9 6个节点组成 。 5 ．2 模型的开采 F L AC m 数值模拟 的实际过程采用分步开挖实 现 ，考虑了工作面推进 2 0 ，4 0 ，6 O ，8 0 ，1 0 0 ，1 2 0 ， 1 4 0 ，1 6 0 m共 8步的情况。本次模拟的研究重点是 上覆岩层随工作面推进 的破坏过程，并通过数值模 拟来判断覆岩破坏后导水裂隙带的发育高度。通过 2 4 4 岩石力学与工程学报 2 0 0 9矩 模拟结果 合得出导水裂隙带发育高度的计算公式为 1 7 6 ． 3 6 0 0 3 1 一e “ 7 8 m 1 塑性区范围和应力分布 2个方面的分析 ， 如图 6 所示。 a 塑性 区 b 应力 单位MP a 图 6 丁作面充分采动时的塑性 区及应力分布范围 F i g ． 6 Ra n g e o f p l a s t i c z o n e a n d s t r e s s d i s t r i b u t i o n u n d e r f u l l mi n i n g 模拟结果显示，覆岩结构受采动影响的塑性区 变化直观地给出了煤层采动后顶板岩层受到扰动的 范围。通过对塑性变形区的分析可知，随着工作面 的推进，顶板岩层破坏区域逐渐增加 。工作面前端 顶板岩层的破坏范围虽然有所增加，但只是局部性 的。当推进至 1 4 0 m 时，在距工作面开切眼 5 2 m 处，由于工作面项板岩层破坏范围迅速增大 ，塑性 区范围也进一步加大，其最大高度值达到了7 0 ． 4 8 m。 同时，随着工作面的推进 ，岩层 中的应力分布 逐渐增大，在水平方向上 ，工作面正上方应力值偏 小，在工作面前后方煤壁处最大 。普遍规律表现为 工作面前方岩体中的应力值大于工作面后方岩体中 的应力倌 。 6 导水裂隙发育高度综合分析 在通过上述多种手段取得新安矿区导水裂隙带 发育参数的基础上，采用 O r i g i n非线性拟合工具拟 式中m为煤层开采厚度 m ，H为导水裂隙发育高 度预测值 m 。 根据新安矿区地质结构和实际开采条件 ，将本 公式计算结果与 “ 三下规程 ”和 矿井水文地质规 程中相应经验公式的预测结果进行比较，得出如 图 7所示的结果。 宕 _嬗 3 4 5 6 7 8 9 厚度／ m 何一 川 ．2 2 ． 4 H 2 ． 1 H1 7 6 ． 3 6 0 0 3 1 一e 。 。 m 2 0 1 O H 5 ． 6 1 ．6 Z m 3 ． 6 图 7 拟合公式与经验公式计算结果比较 F i g ． 7 Co mp a r i s o n o f r e s u l t s o f fi t t i n g f o r mu l a e a n d e x p e r i e n t i a l f o r mu l a e 通过与现场实测资料的对 比发现 ，由于 “ 三下 规程 ”计算公式仅适用于分层开采、单层采厚不大 于 3 m 的情况，所以其导水裂隙发育高度的计算值 偏低。与 矿井水文地质规程中提供的经验公式 的计算结果相比，在采厚6 m 时两者较为接近， 但是随采厚增大， 导水裂隙发育高度增加趋势减缓， 呈非线性增长关系。 上述公式为小浪底水库下采煤导水裂隙发育高 度计算和突水预测提供 了重要依据 。在对库区水体 下导水裂隙发育高度计算的基础上，以覆岩破坏带 与有效隔水层之间保证至少有 2 0 m 间距， 并保证足 够的承载力的基础上，预测出了新安矿在水体下采 煤的安全区。 目前，1 1 2 0 1 ，1 4 1 4 1 和 1 4 1 9 1 三个工作面 已成 功地进行 了工业性试采，其中水下工作面 l 1 2 0 1最 低高 2 6 2 m，地面平均水深为 1 3 m，限制煤 层采高小于 5 m，其他工作面不在淹没区。上述工 作面的试采 成功为本研究提供 了有效验证，并为 我 国大型水库下安全开采和水害防治提供了应用范 例 。 ∞ ∞ 如 加 m ∞ 跚 加 ∞ 如 ∞ 第 2 8卷第 2期 孙亚军，等．小浪底水库下采煤导水裂隙发育监测与模拟研究 7 结论 通过对小浪底水库下采煤覆岩破坏规律及导水 裂隙发育高度的现场监测和模拟研究，主要可得 出 以下结论 1 采用地面钻孔 的超声波成像测井和井下仰 孔并行 网络电法 C T 探测技术的综合观测手段，对 采动前后覆岩破坏进行动态监测的方法是可行 、有 效的，丰富了对煤层项板导水裂隙发育规律的研究 手段 。 2 物理模拟和数值模拟研究表明， 导水裂隙带 的发育高度 随着推进距离和采厚增大而增大 ，但 随 着煤层采厚的增加 、工作面推进到一定距离后，导 水裂隙带发育高度 的增大趋 势有所减缓但；新安矿 区软硬互层 的覆岩地质结构可有效抑制覆岩破坏 向 周围空间发展 ，不利于导水裂隙带的发育 。 f 3 在大量现场 实测和模拟实验数据 的基础上 提出的导水裂隙最大发育高度预测公式与 已有 的经 验统计公式相 比，更好地揭示 了新安矿 区特定的地 质条件 、覆岩结构和开采特点。 4 结合其他突水影响因素分析 ， 导水裂隙发育 高度的监测与模拟研究为大型水库下采煤防治水决 策提供 了可靠数据 。经 3个工作面成功试采验证 ， 为大型水库下采煤形成 了应用范例 。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 】 F B H P R MAH 1 3 且． 水体下安全采煤【 M】 ．于振海译．北京煤炭工 业出版社 ，1 9 8 0 ． F B HP HMAH B 兄 S a f e t y min i n g u n d e r w a t e r b o d y [ M] ． T r a n s l a t e d b y Y U Z h e n h a i ． B e ij i n g C h i n a C o a l I n d u s t r y P u b l i s h i n g Ho u s e ，1 9 8 0 ． i n C h i n e s e GANDHE A， VE NKATE S WARLU V， GUPT A R N． Ex t r a c t i o n o f c o a l und e r a s u r f a c e w a t e r b o d y a s tr a t a c o n t r o l i n v e s t i g a t i o n [ J ] ． Ro c k M e c h a n i c s a n d Ro c k E n g i n e e r i n g，2 0 0 5 ， 3 8 f 5 1 3 9 941 0 ． NI S KOVS KI Y Y， V AS I ANOVI CH A． I n v e s t i g a t i o n o fp o s s i b i l i t y t o a p p l y u n t r a d i t i o n a l a n d e c o l o g i c a l l y g o o d me t h o d s o f c o a l mi n i n g u n d e r s e a b e d [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e 6 th I n t e r n a t i o n a l O f f s h o r e a n d P o l a r E n g i n e e r i n g Co n f e r e n c e ． L o s An g e l e s I S OP E，1 9 9 6 5 15 3 ． S I NGH R N， J AKEMAN M ． S t r a t a mo n i t o r i n g i n v e s t i g a t i o n s a r o u n d lo n g wa l l p a n e l s b e n e a t h t h e c a t ara c t r e s e r v o i r [ J ] ． Mi n e Wa t e r a n d the En v i r o n me n t ，2 0 01 ，2 O f 2 1 3 341 ． W l NTER T C，BUS O D C， S HATT UCK P C，e t a 1 ． T h e e f foc t of t e r r a c e g e o l o g y o n g r o u n d wa t e r mo v e me n t a nd o n t h e i n t e r a c t i o n of g r o u n d wa t e r a n d s ur f a c e wa t e r L a k e ，Ne w H a m p s h i r e ，US A[ J ] o n a mo u n t a i n s i d e n e a r M i r r o r Hy d r o l o g i c a l P r o c e s s e s ，2 0 0 8， 2 2 f 1 213 2 ． 刘天泉． 矿 山岩体采动影响与控制工程学及其应用【 J J ．煤炭学报 ， 1 9 9 5 ，2 0 1 1 5 ． L I U T i a n q u a n ． I n fl u e n c e o f mi n i n g a c t i v i t i e s o n mi n e r o c k ma s s a n d c o n t r o l e n g i n e e ri n g [ J ] ． J o u m