覆岩导水裂隙带高度的研究方法

技术研究

覆岩导水裂隙带高度的研究方法陈旸，梁世伟（西安科技大学高新学院采矿工程系，陕西西安710000）

摘要：在煤矿开采过程中，确定上覆岩层导水裂隙带高度是水体下采煤的工作重点。就目前技术发展而言，实践证

明没有哪种单一手段能准确确定其高度。经过长期的总结，只能多个方法联合应用才能判断出上覆岩层导水裂隙带高度，使用的方法有相似材料物理模拟实验法、计算机数值模拟、经验公式计算法、现场实测等。关键词：导水裂隙带高度；相似材料物理模拟实验法；经验公式计算法；计算机数值模拟中图分类号：TD315文献标识码：A文章编号：2095-0802-(2019)08-0091-02

ResearchMethodoftheHeightofDiversionFissureZoneinOverlyingStrata(MiningEngineeringDepartment,Xi'anKedaGaoxinUniversity,Xi'an710000,Shaanxi,China)

Abstract:Intheprocessofcoalmining,thedeterminationoftheheightofdiversionfissurezoneinoverlyingstrataisthekeypointofcoalminingunderwaterbody.Asfarasthecurrenttechnologicaldevelopmentisconcerned,ithasbeenprovedthatnosinglemethodcanaccuratelydeterminetheheight.Afteralong-termsummary,onlyacombinationofseveralmethodscanbeusedtojudgetheheight.Themethodsincludesimilarmaterialphysicalsimulation,computernumericalsimulation,empiricalformulacalculationmethod,fieldmeasurement,etc.

Keywords:theheightofdiversionfissurezone;similarmaterialphysicalsimulation;empiricalformulacalculationmethod;computernumericalsimulation

CHENYang,LIANGShiwei

0引言

煤炭在高速发展的中国起到了至关重要的作用，目前为止，没有哪种能源可以完全替代煤炭。在中国广袤的大地上，有非常多的煤炭积压在水体下，这种特殊的覆存条件为煤炭开采带来了相当大的难度，水体下的煤炭安全开采是亟待解决的工程问题，其中，煤层上覆岩层的顶板突水问题尤其突出。顶板突水主要取决于导水裂隙带高度，它是决定上覆岩层安全的关键。中国从20世纪六七十年代开始对其进行研究，直到20世纪80年代才总结出了一些方法，目前应用的方法有相似材料物理模拟实验法、经验公式计算法、计算机数值模拟、现场实测等。不同的导水裂隙带高度。在国内，很多学者进行了相关研究，比如马立强等，对西部矿区的导水高度进行了试验。2经验公式计算法

20世纪80年代以来，根据经验获取了许多开采参数，并在相关领域取得了不小的成就。中国于1985年制定了《筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，这个规程的制定为后续的水体下采煤奠定了基础，对工程现场具有重要的指导作用。下面就对相关经验公式进行总结，具体如表1所示。表1不同岩性经验计算公式

岩性坚硬中硬软弱极软弱

100移M1.2移M+2.0Hd=100移M1.6移M+3.6Hd=100移M3.1移M+5.0Hd=100移M5.0移M+8.0Hd=计算公式之一/m

依8.9依5.6依4.0依3.0计算公式之二/mHd=30姨移M+10Hd=20姨移M+10Hd=10姨移M+51相似材料物理模拟实验法

相似材料物理模拟实验法是以相似理论为依据，对工程现场进行模拟。模具是按照一定比例缩小制作而来的，这样得到的结论基本符合现场实际情况，然后再将实验中观测得来的数据规律放大到现实情况中去应用，从而完成实验到现场的指导作用。上覆岩层运动是煤炭开采引起的动力现象，是造成导水裂隙带发展的客观因素，因此，应用相似模拟对煤炭开采的上覆岩层运动进行试验，具有很高的可信度。根据不同的地质条件，采用不同的开采方法进行试验会得到收稿日期：2019-06-26

基金项目：陕西省教育厅专项科学研究计划（18JK1046）

第一作者简介：陈旸，1974年生，男，陕西西安人，2013年毕业于西安建筑科技大学控制工程专业，硕士，高级工程师。

m；M为累计采高，m。注：Hd为导水裂隙带高度，

3计算机数值模拟

随着计算机的大众化，对矿山岩石力学复杂性的分析取到了较大的进展。整理矿区的地质资料，对岩石力学参数进行实验分析，在计算机中做分析模型，从而实现计算机中的模拟开挖，得到的结论与实际情况相似度很大，这样的技术为工程指导节约了时间和成本投入[1]。·91·

2019年第8期2019年8月

目前数值模拟分析的软件非常多，其中具有代表性的有快速拉格朗日分析，简称“FLAC”，离散元分析UDEC，以及有限元方法等，这些都能对上覆岩层破坏进行很好的理论模拟[2]。张明等对兖矿集团田庄煤矿煤层的开采上限进行了数值模拟，得到了导水裂隙带现场的高度，从而提高了煤矿的开采上限；涂敏应用数值模拟软件FLAC对安徽淮南潘谢矿区的导水裂隙带高度进行了模拟[3]，根据覆岩的工程岩组特点，建立了相应的采动力学模型，模拟得出了上覆岩层塑性区破坏及导水裂隙带高度。近些年，随着科学技术的发展，逐渐出现了岩石破裂过程分析软件RFPA，它是基于有限元方法开发的，对上覆岩层的采动破坏、离层模拟非常有效。性好；反之，则说明岩石的完整性较差。1998年和1999年2次在淮南矿区的孔集煤矿应用此方法，其在实践中的应用取得了令人满意的效果。另外，在义马矿区的新安煤矿，在其工作面对该方法进行测试，通过分析电子剖面图，成功获得了上覆岩层三带高度。d)高密度电阻率法[4]，是利用煤层采动前后岩层电阻率的变化来判断的方法。当岩层完整性遭到破坏时，会有水分充填在内，使得电阻率发生变化，这时就可以分析得到导水裂隙带的破裂范围。e)微地震技术，是目前应用较为广泛的一种方法，它是利用地震波传播信息，观测岩石的完整性，从而判断裂隙带的发展情况[5-6]。4现场实测

5结语

目前确定导水裂隙带高度的方法主要是现场实测，现在应用的现场实测方法有超声成像法、注水试验法、声波CT层析成像法、高密度电阻率法和微地震技术等。a)超声成像法，主要是采用超声成像数控测井仪对钻孔进行扫描，并绘制出声幅曲线。曲线表现的含义代表岩石的破裂情况，从而分析反映岩层破裂状况和导水裂隙带发育高度。b)注水试验法，是由山东科技大学研制并应用于井下的。其工作原理是，在巷道倾斜方向打若干孔，钻孔的长度为采高的10耀14倍。采用这种方法实现了对岩石裂隙的动态测试，得到了岩石破裂的实时发展情况，具有较高的可信度，但是，该方法成本较高，费时费力。该方法于20世纪90年代中期，在肥城矿业集团的杨庄煤矿8608工作面取得了显著的应用效果，之后应用于鲍店煤矿、兴隆庄煤矿也取得了成功。c)声波CT层析成像法，是利用声波的传递来判断岩石的完整性，如果声波传递得快，说明岩石的完整经过上述分析，观察确定导水裂隙带高度的方法，发现不管是相似模拟、数值模拟、经验公式，还是现场实测，一种方法确定的导高是不准确的，如果用各个方法来确定它们的的优缺点就可以相互补充，得到符合实际情况的导水裂隙带高度。参考文献：［1］刘红元，刘建新，唐春安.采动影响下覆岩垮落过程的数值模

拟［J］.岩土工程学报，2001，23(2)：201-204.［2］李焕春，张有朝，王士平.高密度高分辨电阻率法在采空区“三

带”的探测研究［J］.河北煤炭，1999(2)：38-40.［3］涂敏.潘谢矿区采动岩体裂隙发育高度的研究［J］.煤炭学报，

2004，29(6)：641-645.［4］刘伟韬，武强，李献忠，等.覆岩裂缝带发育高度的实测与数值

仿真方法研究［J］.煤炭工程，2005(11)：55-57.［5］程学丰，刘盛东，刘登宪.煤层采后围岩破坏规律声波CT探

测［J］.煤炭学报，2001(2)：153-155.

［6］王双美.导水裂隙带高度的研究方法概论［J］.水文地质工程

地质，2006(5)：126-128.

(责任编辑：白洁)

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d)采取提前爆破底板的方式预先破碎底板，避免过断层割底时间过长而增加过断层用时[5]。此外，考虑到断层和回采面处于斜交状态，因此，自轨道巷向运输巷方向逐段进行过断层作业，在断层前后10m区域内，作业人员必须实时观测回采面覆岩，特别是在割断层底板时，需确保截割速度不超过4m/min。同时，移架作业应当滞后滚筒2台支架进行，移动时需打出护帮板，以防冒落现象的发生[6]。了良好的保障。此外，通过现场矿压数据实测，矿压变化规律与数值模拟所得结果基本相同，说明数值模拟手段对于指导生产实际有一定的作用。参考文献：［1］李甄.厚煤层综放工作面过断层的技术及应用［J］.内蒙古煤

炭经济，2018(20)：138-139.

［2］张玉成.综放工作面过断层方案分析研究［J］.能源技术与管

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［3］张玉成.综放工作面过断层方案研究分析［J］.江西煤炭科技，

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［4］梁安文.综采工作面过断层顶板管理实践［J］.煤，2018，27(3)：53.［5］王海川，韩世勇，宋小科.综放工作面过断层期间破碎顶板管

理［J］.煤，2018，27(1)：48.

［6］张沛顶.浅析姚桥煤矿综放工作面过断层技术［J］.能源技术

与管理，2017，42(5)：94-96.

（责任编辑：白洁）

4结语

在A矿10301综放面应用相关安全措施，自距离断层15m处超前破底到完全通过断层，共计耗时10d，整个过程中未发生任何突水事故，顶板冒落或煤壁片帮现象也仅在设备检修期间发生一两次。这表明，所采用的综合措施为回采面过断层期间的生产安全提供·92·