特厚煤层重复采动覆岩导水裂隙带高度发育规律_郑德强.pdf

202311基础研究52Modern Chemical Research当代化工研究特厚煤层重复采动覆岩导水裂隙带高度发育规律郑德强1 王凯艺2 杨子琦3 赵文奇4 王岩1（1.抚顺矿业集团有限责任公司老虎台矿 辽宁 1130032.抚顺矿业集团有限责任公司 辽宁 1130033.中国石油天然气第一建设有限公司 河南 4710234.抚顺矿业集团房地产综合开发有限责任公司 辽宁 113009）摘要：以老虎台煤矿为研究对象，通过理论计算、数值模拟与微震现场监测等方法，确定特厚煤层重复采动覆岩导水裂隙带的发育高度及规律。结果表明：重复采动影响下，跨裂比为1.3，裂采比为7.6，预测55002工作面导水裂隙带发育高度为234.08m，与微震监测得到的实测值250m相近。研究结果能进一步为特厚煤层重复采动安全开采提供科学借鉴。关键词：重复采动；导水裂隙带；垮落带；裂隙带中图分类号：TQ 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.11.016Height Development Law of Water-conducting Fractured Zone of Overlying Rock Under Repeated Mining in Extra-thick Coal SeamZheng Deqiang1,Wang Kaiyi2,Yang Ziqi3,Zhao Wenqi4,Wang Yan1(1.Laohutai Coal Mine,Fushun Mining Group Co.,Ltd.,Liaoning,1130032.Fushun Mining Group Co.,Ltd.,Liaoning,1130033.China Petroleum First Construction Corporation,Henan,4710234.Fushun Mining Industry Group Real Estate Comprehensive Development Co.,Ltd.,Liaoning,113009)Abstract：Taking Laohutai Coal Mine as the research object,the development height and law of the overlying water-conducting fractured zone of the extra-thick coal seam under repeated mining were determined through theoretical calculation,numerical simulation and microseismic field monitoring.The results show that under the influence of repeated mining,the span crack ratio is 1.3,and the split mining ratio is 7.6.It is predicted that the development height of water-conducting fractured zone in 55002 working face is 234.08 m,which is close to the measured value of 250 m obtained from microseismic monitoring.The research results can further provide scientific reference for the safe mining of repeated mining in extra-thick coal seams.Key words：repeated mining；water conducting fracture zone；caved zone；fractured zone引言煤层开采后，采空区上覆岩层发生变形和破坏，并在岩层中形成采动裂隙。Singh和Kendorski与中国的刘天泉院士提出采动覆岩自下而上存在垮落带、裂隙带与连续弯沉带，即“上三带”理论1。其中，垮落带和裂隙带统称为导水裂隙带。导水裂隙带一旦与上覆含水层贯通，造成矿井涌突水2。因此，准确预计工作面导水裂隙带高度对预防矿井突水事故及防止地下水流失具有重要指导意义。国内外学者通过理论计算3、物理或数值模拟4、经验公式5-6、地球物理勘探和现场实测7-8等对导水裂隙带的发育高度和规律进行了总结和研究，但目前所开展的研究主要是针对单层采空区，对于特厚煤层重复采动条件下导水裂隙带发育高度未得到系统性研究。本文以老虎台煤矿为例，主要考虑54002、55002、55001和55003工作面，以理论计算和数值模拟得出垮落带和裂隙带与采厚的关系，以此得导水裂隙带的发育高度，并结合微震现场实测加以验证。研究结果对特厚煤层重复采动下覆岩导水裂隙带高度预测具有重要意义。1.工程概况老虎台矿位于辽宁省抚顺市区南部，抚顺煤田中部。井田所处构造类型为不对称向斜，南翼倾角较缓，北翼倾角较陡。井田内含煤地层为新生界古近系抚顺群老虎台组（E11l）、栗子沟组（E121）和古城子202311基础研究53Modern Chemical Research当代化工研究组（E21g）。井田内一煤层全区发育，平均厚度58m，为主采煤层。老虎台矿井田东部布置有四个工作面（图1），开采顺序如下：54002、55002和55001、55003工作面。老虎台矿主采煤层为大倾角巨厚复合煤层，对特厚煤层进行分层放顶煤开采，因此，预计特厚煤层重复采动覆岩导水裂隙带的发育高度，为保障煤矿安全生产提供科学依据。图1 老虎台矿井田东部工作面布置2.理论计算55003工作面采用综采开采，煤层平均厚度为13.0m。按70%的回采率得55003工作面实际的采出煤厚为9.1m，计算55003工作面导水裂隙带的发育高度。垮落带高度：（1）裂隙带高度：由于55003工作面与55002工作面之间的垂直距离小于55003工作面的垮落带高度，应根据式（1）先计 算出两工作面的综合开采高度。其中M55002为11.6m，M55003为13.0m，h55002-55003为1.4m，y55003为1.3，得两工作面综合开采高度M55002-55003为25.7m。（2）式中：上、下两层煤综合开采厚度；、工作面开采厚度；上、下两层煤之间的法线距离；下层煤的垮落带高度与采厚之比。工作面回采率按照70%计算，实际采高为18.0m，计算出综合开采高度下的裂隙带高度：（3）（4）确定垮落带高度为11.7，裂隙带高度为47.2m。由此可得，55003工作面覆岩垮落带与采厚的比值为1.3左右，裂隙带与采厚的比值为5.2左右。3.数值模拟与分析(1)模型建立采用FLAC3D数值模拟，分析了54002、55002、55001和55003工作面开采后覆岩结构变化特征。依据所在区域的地质条件和采矿技术条件，建立了模型（图2）。模型尺寸长宽高为1005m200m880m。模型中煤岩层的性质指标如表1所示。表1 老虎台矿煤岩性物理力学参数岩石名称天然视密度/(kgm-3)天然含水率/%抗拉强度/MPa抗压强度/MPa弹性模量/MPa泊松比凝聚力/MPa内摩擦角/凝灰岩27121.524.6040.144768 0.22 6.854绿色页岩24536.272.9526.314920 0.21 4.050煤12202.242.9817.333500.28 3.442油页岩21895.131.015.511700.18 1.144(2)模型的边界和应力条件位移边界：模型Y、Z和X轴两端界线分别沿Y、Z和X轴受约束，即边界在Y、Z和X向的位移均为零；底部是固定的边界，在Y、Z和X方向上的位移为零；顶部的边界是自由的。初始应力：模型的X轴、Z轴和Y轴方向上施加的应力分别为：30.8MPa、22MPa、17.6MPa。此外，自重载荷设置在Z轴方向上。图2 数值模拟模型(3)数值模拟结果与分析开采后的54002工作面，垂直方向有26m的破坏区域。55001工作面开采后，工作面顶板的塑性受损区域在垂直方向上为36m（图4）。因此，55001工作面的断裂带高度确定为36m。图3 54002工作面覆 图4 55001工作面覆布 岩破坏区域分布 岩破坏区域分 202311基础研究54Modern Chemical Research当代化工研究55002工作面开采后（图5），受重复采动的影响，55001和54002工作面破裂高度分别增大到101m和104m。此时，能够确定55002和55001工作面的垮落带高度依次为101m、104m。开采后的55003工作面（图6），主要的破坏范围在上覆岩层有增加，55001和54002工作面裂隙带又再一次扩大为216m和221m，可以确定，此时55003和55001工作面的垮落带高度分别为216m、221m。图5 55002工作面覆 图6 55003工作面覆 岩破坏区域分布 岩破坏区域分布 由于受到重复采动影响，55002和55003工作面的开采使得上覆岩层裂隙带进一步叠加在55001和54002工作面的开采上。就54002单一工作面而言，数值模拟过程表明，55003和55002开采后，受重复采动影响，裂隙带高度在26m的基础上依次增加到101m、216m（表2）。如图7所示，采厚与上覆岩层毁坏高度近似呈线性关系，重复开采条件下覆岩破坏高度约为累计等效采厚的7.6倍。上覆岩层破坏高度与采厚的关系可用式（5）表示：（5）式中，H覆岩破坏高度，m；M采厚，m。表2 55001工作面覆岩破坏高度变化工作面等效采厚/m累计等效采厚/m覆岩破坏高度/m540028.18.126550028.116.2101550039.125.3216图7 54002工作面覆岩破坏高度与采厚的关系由理论计算和数值模拟得，重复采动条件下，垮落带高度为累计等效采厚的1.25倍，裂隙带高度为累计等效采厚的7.55倍。重复采动条件下，55002工作面累计等效采厚26.6m，由此预计得55002工作面导水裂隙带发育高度为234.08m。4.微震监测微震监测技术能够记录岩体断裂。依据空间方位、波形等指标，剖析了岩层的空间移动规律和上覆岩石结构的破坏特征。(1)微震监测成果分析利用微震监测，绘制剖面图（图8），可得上覆岩层破裂高度达250m。55002工作面上覆岩层破裂范围逐渐增加，主要是受工作面下部增加的开采空间所影响。图8 55002工作面采动岩体破裂剖面图5.结论（1）55003工作面导水裂隙带发育高度理论计算值58.9m，得垮落带高度为累计等效厚度的1.3倍。重复采动影响下，数值模拟54002工作面导水裂隙带发育高度为221m，得裂隙带高度为累计等效采厚的7.6倍。（2）预计重复采动影响下55002工作面导水裂隙带发育高度为234.08m。与微震监测得到的实测值250m相近，验证了重复采动条件下，垮落带和裂隙带与累计等效采厚关系的可靠性。【参考文献】1徐树媛,张永波,时红,等.采动覆岩导水裂隙带发育高度研究进展J.科学技术与工程,2018,18(34):139-148.2王子升.浅埋厚煤层工作面导水裂隙带发育高度研究J.煤炭工程,2021,53(09):66-70.3施龙青,辛恒奇,翟培合,等.大采深条件下导水裂隙带高度计算研究J.中国矿业大学学报,2012,41(01):37-41.4郭文兵,娄高中.覆岩破坏充分采动程度定义及判别方法J.煤炭学报,2019,44(03):755-766.5建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范M.北京:煤炭工业出版社,20176武强.煤矿防治水手册M.北京:煤炭工业出版社,2013.7黄万朋,高延法,王波,等.覆岩组合结构下导水裂隙带演化规律与发育高度分析J.采矿与安全工程学报,2017,34(02):330-335.8魏久传,吴复柱,谢道雷,等.半胶结中低强度围岩导水裂缝带发育特征J.煤炭学报,2016,41(04):974-983.【作者简介】郑德强（1989-），男，汉族，辽宁盘锦人，本科，工程师，研究方向：采矿工程、地质、防治水。