杨军++杨盛浩++周裕如++赵晔++许猛堂

摘要：指出了近距离煤层开采覆岩导水为安全高效开采煤矿资源，采用经验公式预计、计算机数值模拟和实测相结合的方法，分别研究了单采10#煤层后和开采10#、11#煤层两层近距离煤层后覆岩导水裂隙带高度。采用经验公式计算出的两值分别为44.46 m和52.43 m；采用数值模拟得出的两值分别为42.28 m和51.57 m，理论计算和采用计算机模拟方法计算出的两值基本一致，并在实测中得到了验证。

关键词：近距离煤层；导水裂隙带高度；数值模拟

中图分类号：TD823.1

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）16017703

1工程概况

山西某矿10、11号煤层为主要可采煤层，10、11号煤层垂直距离为8.5 m，为近距离煤层，含水层距10煤的高度为61.6 m，含水层距11煤的高度为70.1 m，为保证工作面安全生产及保护地表生态环境，需确保近距离煤层开采过程中导水裂隙不能发育至含水层。两煤层具体情况如下。

1.110号煤层

该直接顶板为9号煤层底板，由于其间距小，顶板难以管理，多采用合并一次开采。

10号煤层底板岩性变化大，多为中、细砂岩，局部为砂质泥岩和黑色泥岩，厚1.85～8.06 m，平均4.43 m。该3个试件单向抗压强度分别为28.6、50.6和41.7 MPa，平均40.3 MPa。

1.211号煤层

该直接顶板多为泥岩或砂质泥岩，厚1.39～7.26 m，一般4.30 m。老顶为中、细砂岩，厚约1.5～1.9 m。单向抗压强度泥岩为23.9 MPa，粉砂岩为43.7 MPa，细砂岩85.2 MPa；细砂岩为单向抗拉强度为2.0 MPa，单向抗剪强度为10.9 MPa。

该底板多为不稳定细粒石英砂岩，局部为泥岩或粉砂岩，厚0～12.13 m，一般厚2.93 m。其下为K1石英砂岩，厚0.30～9.91 m，平均2.34 m，硅质胶结。单向抗压强度粉砂岩43.7 MPa，泥岩18.9 MPa；泥岩单向抗拉强度为3.6 MPa，单向抗剪强度3.51 MPa。其他相似材料模拟岩石力学参數见表1。

2导水裂隙带高度预计

2.1煤层采后冒（垮）落的高度

根据国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与煤压开采规程》（以下简称“规程”）中冒（垮）落带最大高度计算的公式为：

Hm=100∑M4.7∑M+19±2.2（1）

式（1）中：Hm冒落带高度最大值，m；∑M采厚，m。

对于10#煤层，根据式（1），按煤层最大厚度23.2 m计算，冒（垮）落高度18.092.2 m；按规划设计破底采厚3 m计算，冒（垮）落带高度9.062.2 m。

对于11#煤层，根据式（1），按煤层最大厚度2 m计算，冒（垮）落高度11.762.2 m；按规划设计破底采厚1.5 m计算，冒（垮）落带高度11.212.2 m。

2.2煤层开采后覆岩导水裂隙带高度

根据《规程》以及煤层开采参数和地质采矿条件，导水裂隙高度可按下试计算：

HLi=100∑M（1.6∑M+3.6）±5.6（2）

HLi=20∑M+10（3）

式（2）、（3）中：HLi导水裂隙带高度，m；

∑M采厚，m。

这样，根据式（3）得近距离煤层10#煤层采厚覆岩采动导水裂隙带高度HLi10-11为44.46 m；11#煤层采厚覆岩采动导水裂隙带高度HLi10-11为52.43 m。

3数值模拟

3.1模型的建立

结合工作面的地质概况，采用UDEC离散元软件进行数值模拟，模型总长度为360 m，高度在90 m以上，模型两侧与底面为固定边界，防止岩层有水平位移，垂直载荷为15.0 MPa，具体模型见图1。

3.2模拟结果分析

在10#煤层模型模拟中，开采边界距设计边界距离有65 m，每次进行开挖10 m，进行23次开挖，煤层开采后，上覆岩层中形成离层裂隙和竖向破断裂隙，岩层与岩层构成了间水的通道，沟通到工作面。随着工作面的推进，离层在沿着顶板的高度方向上呈跳跃式由下向上发育在上覆岩层的一定高度内裂隙较为发育，岩性及采高决定了裂隙发育的最大高度3。模拟推进距离为230 m，10煤工作面开挖完毕后上覆岩层裂隙最大高度发育至42.28 m，开挖完毕后上覆岩层运动状态及裂隙发育特征如图2所示。

图210煤工作面推进至230 m

10#煤层开挖后，进行11#煤层开采模拟，当11#煤层开采边界距设计边界距离有65 m，每次进行开挖10 m，进行23次开挖，煤层开采后，上覆岩层中形成离层裂隙和竖向破断裂隙，岩层与岩层构成了间水的通道，沟通到工作面。随着工作面的推进，离层在沿着顶板的高度方向上呈跳跃式由下向上发育在上覆岩层的一定高度内裂隙较为发育，岩性及采高决定了裂隙发育的最大高度。模拟推进距离为230 m，11煤工作面开挖完毕后上覆岩层裂隙最大高度发育至51.57 m，开挖完毕后上覆岩层运动状态及裂隙发育特征如图3所示。

图311煤工作面推进至230 m

2017年8月绿色科技第16期

4近距离煤层开采导水裂隙发育高度分析

4.1理论计算与数值模拟方法比较分析

（1）按规划设计的采厚，开采10#煤层时，根据《规程》中经验公式计算得冒落带为9.06±2.2 m，理论计算导水裂隙带高44.46 m；数值模拟方法导水裂隙带高度为42.28 m。

显然，按规划设计开采厚度，开采10#煤层时，其理论计算导水裂隙带高度平均值比数值模拟结果平均值增加了2.18 m。endprint

（2）按规划设计的采厚，开采11#煤层时，根据《规程》中经验公式计算得冒落带为11.2±2.2 m，理论计算导水裂隙带高52.43 m；数值模拟方法导水裂隙带高度为51.57 m。

显然，按规划设计开采厚度，开采完10#煤层，开采11#层时，其理论计算导水裂隙带高度平均值比数值模拟结果平均值增加了0.86 m。

4.2现场实测

目前，10、11#煤层已开采完毕，在实际开采过程中，覆岩导水裂隙未发育至含水层，工作面未发生大范围淋水事件，现场实测与理论计算、数值模拟结果相一致。

5结论

（1） 采用经验公式计算，开采10#煤层时，其导水裂隙带高度最大高度值为44.46 m，10#煤层导水裂隙最高高度距离含水层垂直距离有17.14 m；开采11#煤层时，其导水裂隙带最大高度值为52.43 m。11#煤层裂隙带距离含水层垂直距离为17.14 m；开采完10#、11#煤层后裂隙带均未沟通含水层。

（2） 采用数值模拟，开采10#煤层时，其导水裂隙带高度最大高度值为42.28 m，10#煤层导水裂隙带最高高度距离含水层垂直距离为19.32 m；开采11#煤层时，其导水裂隙带最大高度值为51.57 m。11#煤层裂隙带最高高度距离含水层垂直距离为18.53 m。开采完10#、11#煤层后裂隙带均未沟通到含水层。

（3） 通过现场实测可知，在实际开采过程中，覆岩导水裂隙未发育至含水层，现场实测与理论计算、数值模拟结果相一致。

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