1、第 卷第期 年月中国矿业 ，收稿日期：责任编辑：边晶莹作者简介：伊永杰（），男，山西朔州人，硕士，工程师，主要从事煤矿矿山压力、开采技术方面的研究工作，：。引用格式：伊永杰 保德煤矿煤层覆岩导水裂隙带高度发育特征研究 中国矿业，（）：，（）：文章编号：（）：保德煤矿煤层覆岩导水裂隙带高度发育特征研究伊永杰（神东煤炭集团保德煤矿，山西 忻州 ）摘要：煤炭绿色开采是未来煤矿开采的主流方向，在煤炭开采的同时对水资源及地表生态进行保护是研究的主要方向之一。本文结合保德煤矿煤层的赋存特征及开采条件，针对该矿区井下开采引起的开采沉陷对地表建（构）筑物的严重影响，采用理论分析和现场实测的方法对该工作面采空区
2、导水裂隙带高度进行研究，分析对比了考虑覆岩关键层位置和传统导高计算经验公式的理论导高计算结果，并采用导高物探结果进行了验证。研究结果表明：保德煤矿煤层上覆层关键层，其中主关键层位于距煤层 处，采用考虑关键层位置的导水裂隙带计算方法时，得到的理论导高为 ，而采用传统经验公式得到的导水裂隙带理论高度分别为 和 ；通过分析钻孔水位变化、冲洗液漏失量变化以及钻孔窥视结果，得到的导水裂隙带发育高度为 。由此可知，关键层判别法较经验计算法适用性更强，为保德煤矿覆岩下沉及导高预计提供可靠的理论支撑。关键词：导水裂隙带；关键层；地表沉陷；绿色开采；钻探中图分类号：文献标识码：（，）：，（），：；中 国 矿 业
3、第 卷引言矿井工程开采后往往伴随着覆岩运动，在覆岩的不同层位形成垮落带、裂缝带和整体移动带，简称“三带”。当采空区覆岩变形发育至地表时，地表会发生沉陷现象，形成地裂缝、阶梯型断裂以及下沉等。导水裂隙带是垮落带和裂缝带的总称，该范围内覆岩受开采影响剧烈，覆岩产生大量的变形和裂隙，是煤层突水的主要通道，其发育特征对上覆岩层的移动起到重要影响。保德煤矿开采范围内存在多类建（构）筑物，地下开采活动引起的地表沉陷对建（构）筑物的稳定产生较大影响，甚至影响其安全使用。为保证矿区的安全开采及区域周边地表建筑物的安全，需要掌握该地区采后覆岩移动特征，特别是导水裂隙带的发育特征。导水裂隙带高度的确定方法主要有打
4、钻实测、数值模拟、相似模拟和理论分析等。其中，打钻实测最为准确，但是耗时耗力；数值模拟和相似模拟受模拟参数影响较大，难以直接应用于现场生产；理论分析较为方便，但是传统理论计算方法较为笼统，难以针对性地对不同煤层赋存条件下的导高进行预测。针对保德矿区的煤层及覆岩赋存特征，充分考虑覆岩中关键层的位置条件，本文分别采用经验计算法和关键层判别法对导水裂隙带高度进行计算，并通过现场打钻实测进行验证，获得适用于该地区的导高理论计算方法，为该地区的覆岩控制及防治水提供便捷可靠的理论方法。关键层对导水裂隙带高度的影响在工作面回采后，上覆关键层的破断对导水裂隙带高度将产生较大影响。基于此，许家林等 提出导水裂隙
5、带高度的关键层判别法，该方法通过上覆岩层裂隙发育范围与关键层的位置进行对比，进而判断出导水裂隙带可能发育至的最大高度。假设覆岩裂隙的临界发育高度为，关键层高度为，当时，导水裂隙带最多发育至该关键层底部；当时，导高将发育至上位关键层底部或基岩厚度。该方法的具体使用如下所述。覆岩关键层层位判断工作面覆岩可能存在一层或数层坚硬岩层，煤层开采后，将采场覆岩中对岩体局部或全体运动起决定作用的岩层称为关键层，前者称为亚关键层，后者称为主关键层。关键层岩层具备岩性坚硬、厚度大、主导上覆岩层运动、断裂后形成砌体梁结构等特征，其判别方法如下所述 。）假设工作面上覆多层关键层，将首个关键层编号为第层，则其上覆岩层
6、对其施加的载荷可以由式（）确定。（）（）式中：为第层岩层至首个关键层总厚所产生的载荷；为各层弹性模量；为各层厚度；为各层体积力，其中，。）刚度判别条件。主要判别依据为不同层位对首个关键层的施加负载，若首个关键层上覆第层和第层的施加载荷关系满足式（），则第层即为关键层。（）式中，和分别为层与层覆岩及其下部岩层对首个关键层的载荷。）强度判别条件。主要判别依据为岩层的破断距，判别要求为上位硬岩层的破断距大于相邻下位硬岩层，判别公式见式（）。（）式中，和分别为第层和第层硬岩层的破断距。在实际应用过程中，首先根据式（）计算得到上覆岩层作用在目标岩层上的载荷，然后根据式（）比较相邻岩层作用在目标岩层上的载
7、荷关系，结合上覆硬岩层的分布特征，确定可能是关键层的硬岩层。通过将可能是关键层的硬岩层按照式（）从下向上逐层判断两者之间的破断距关系，符合式（）要求的岩层即是覆岩中关键层的位置。覆岩关键层影响临界高度随着煤层开采的进行，工作面上覆岩层逐渐发生断裂、回转和滑动等运动，这些岩层运动会产生具有导水能力的裂隙，基于关键层的破断裂纹张开水平对导水通道的影响，有学者提出了采用关键层张开度来评价岩层破断裂隙对导水能力的影响，其计算模型如图所示。根据图所示的力学关系模型，可以得到关键层张开度的计算见式（）。（）（）式中，为关键层下部岩层综合碎胀系数。将式（）进行变换之后，可以得到关键层破断裂缝贯通的临界高度计
8、算公式见式（）。（）由式（）可得，该临界高度受覆岩破断块度大小、采高、采空区岩石碎胀性等因素影响。结合岩石类材料导水通道尺寸特征以及砂岩残余碎涨系数指第期伊永杰：保德煤矿煤层覆岩导水裂隙带高度发育特征研究图主关键层裂隙张开度模型 标，认为式（）中（）项可忽略不计，取值范围为 。因此，式（）经过简化后可以表示为式（）。（）（）导水裂隙带高度预计方法基于上述对于关键层位置和覆岩关键层影响临界高度的判断，通过比较两者之间的关系即可大致判断工作面覆岩导水裂隙带的高度，其中最主要的是评价关键层位置是否达到了覆岩关键层影响临界高度。）当关键层位置大于临界高度时，如图（）所示，覆岩裂隙发育高度无法波及该关键
9、层，关键层无法形成导水裂隙，因此该条件下导水裂隙带的最大发育高度仅能达到该关键层底部。）当关键层位置小于临界高度时，如图（）所示，覆岩裂隙发育高度可以影响到该关键层，覆岩裂隙将贯通该关键层将发育至上覆关键层下部，当主关键层也受到破坏形成导水裂隙时，整个基岩将被覆岩裂隙贯通，此时，导水裂隙带高度为煤层顶部至基岩顶部间的距离。综放面覆岩导水裂隙带高度理论预计 工作面概况 工作面开采煤层，属于稳定可采煤层。工作面地面标高 ，煤层底板标高 ；工作面煤层厚度为 ，平均厚度为 ，采用综放开采技术进行煤层开采，割煤高度为 ，放煤高度 ，采放比为 ，采用全部垮落法管理顶板。根据 工作面地质钻孔情况，通过关键层
10、分析软件判断该地层赋存条件下关键层位置，分析后认为 工作面覆岩中可能存在个关键层，其中个亚关键层分别位于距开采煤层和 处，主关键层位于距煤层 处的厚度 的细砂岩。钻孔柱状图及关键层判别位置如图所示。图关键层位置与临界高度关系示意图 图 钻孔覆岩关键层位置判别结果 中 国 矿 业第 卷 导水裂隙带高度预计）基于关键层位置的导水裂隙带高度预计结果。工作面的平均采高为 ，代入式（），可得到该工作面上覆关键层在覆岩运动过程中所产生的裂隙高度为 。根据上文分析关键层判别方法，煤层上方两层粗砂岩均位于该范围内。因此，根据垮落高度及关键层高度可以推断，随着覆岩运动的持续影响，裂隙带会持续贯穿至主关键层位置，
11、即导水裂隙带的理论发育高度应为 。）导水裂隙带传统方法预计结果。建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范 中根据工作面覆岩的不同性质，提出了相应的导水裂隙带高度计算经验公式见表。根据 工作面煤层及覆岩赋存条件，工作面平均采高为，当覆岩岩性按中硬顶板条件计算时，导水裂隙带高度为 ；当覆岩岩性按坚硬顶板条件计算时，导水裂隙带高度为 。综放面覆岩上三带发育高度实测为了验证不同导水裂隙带高度预计结果的准确性，通过在 工作面地表打钻对采空区上方的导水裂隙带发育高度进行实测，钻孔位置位于 地质钻孔附近，如图所示。通过分析钻孔水位变化、冲洗液漏失量变化以及钻孔窥视来探测采动覆岩导水裂隙带的发育高度
12、。表导水裂隙带经验公式 覆岩岩性公式一公式二坚硬 .中硬 .软弱 .极软弱 .图探测钻孔位置示意图 ）冲洗液漏失量及水位变化。统计钻进过程中每班记录的冲洗液漏失量及水位变化表，并绘制成随总控深度的变化曲线，如图所示。根据水位变化及冲洗液漏失量变化判断得出，探测钻孔导水裂隙带顶界为孔深 处，鉴于此处埋深为 ，则导水裂隙带发育高度为 。）地面钻孔电视窥视结果。采用 型高清钻孔全景摄像仪器，配备 长电缆，适合对 左右采深的钻孔条件进行观测，根据钻孔窥视结果，在钻孔 处出现了较小的离层，如图（）所示；在 处出现明显的横向裂隙，如图（）所示；在 处横向裂隙中出现的气泡以及气体的涌出，如图（）所示；在 处
13、出现大离层现象，如图（）所示，之后钻孔壁均处于破碎或图水位变化及冲洗液漏失量随钻孔深度的变化曲线 第期伊永杰：保德煤矿煤层覆岩导水裂隙带高度发育特征研究图钻孔电视成像结果 离层状态。据此可知，导水裂隙带高度的顶部位于钻孔深 处，即导水裂隙带高度为 。通过钻孔电视窥视的结果，能够真实观测到采场上覆岩层的运移状况，对岩层的导高判断提供真实的材料，同时结合导高预计新方法，更为准确得到矿井的导水裂隙带演化高度。结论）工作面覆岩关键层位置对导水裂隙带高度具有显著影响，当关键层位于裂缝贯通的临界高度之下时，导水裂隙带高度为上位关键层下部或者基岩上部；当关键层位于裂缝贯通的临界高度之上时，导水裂隙带最大高度
14、为该关键层底部。）以 工作面的煤层赋存条件为工程背景，对比基于关键层位置的导水裂隙带和传统导水裂隙带计算结果后发现，前者得到的导水裂隙带理论高度为 ，后者计算得到的导水裂隙带理论高度分别为 和 ，两种理论得到的理论导水裂隙带高度相差较大；通过分析钻孔水位变化、冲洗液漏失量变化以及钻孔窥视等方法实测得到 工作面采空区覆岩导水裂隙带发育高度为 。）理论分析和钻孔试验结果表明，在保德煤矿采空区覆岩导水裂隙带高度进行预测时，基于关键层位置的导水裂隙带高度计算方法具有良好的适用性，验证了关键层对于导水裂隙带高度判断的重要性，为该地区煤矿及类似上覆多层关键层工作面的导高预测提供借鉴。参考文献李晓斌，李全生
15、，韩鹏华，等高强度开采地表损伤程度分类判别与控制研究采矿与岩层控制工程学报，（）：，（）：徐祝贺，李全生，李晓斌，等浅埋高强度开采覆岩结构演化及地表损伤研究煤炭学报，（）：，（）：聂文杰，赵晓光，杜华栋，等榆神府矿区不同导水裂隙发育对地表土壤性质的影响 西安科技大学学报，（）：，（）：王双明，申艳军，孙强，等西部生态脆弱区煤炭减损开采地质保障科学问题及技术展望 采矿与岩层控制工程学报，（）：，中 国 矿 业第 卷 ，（）：崔志中，崔树彬伊犁矿区覆岩“两带”发育特征及对工作面涌水的影响研究煤炭工程，（）：，“”，（）：蔚保宁，黄庆享浅埋煤层综采面覆岩破坏规律的钻探实测研究 西安科技大学学报，（）
16、：，（）：孙庆先，牟义，杨新亮 红柳煤矿大采高综采覆岩“两带”高度的综合探测煤炭学报，（）：，“”，（）：许延春，李俊成，刘世奇，等综放开采覆岩“两带”高度的计算公式及适用性分析 采矿与岩层控制工程学报，（）：，“”，（）：，李浩，白海波，马立强，等双系煤层采动导水裂隙演化规律的 耦合模拟研究 煤炭学报：，：孙学阳，李鹏强，寇规规，等特厚煤层导水裂隙带发育高度的模拟实验煤炭技术，（）：，（）：马建全，吴钶桥，彭昊，等煤岩采动应力裂隙带发育规律研究：以榆树湾煤矿为例 西安科技大学学报，（）：，：，（）：乔伟，赵世隆，李连刚，等 采动覆岩高位离层演化特征及涌（突）水前兆信息研究煤炭科学技术，（）：，（）：许家林，朱卫兵，王晓振基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法 煤炭学报，（）：，（）：许家林，钱鸣高岩层控制关键层理论的应用研究与实践中国矿业，（）：，（）：许家林，钱鸣高覆岩关键层位置的判别方法中国矿业大学学报，（）：，（）：孙磊保德煤矿上覆岩层运移规律与地表沉陷研究煤炭科学技术，（）：，（）：许家林，王晓振，刘文涛，等覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响岩石力学与工程学报，（）：，（