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河流下淺埋深綜放工作面安全開采控制技術(shù)

文檔作者：李興文檔來源：山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司王莊煤礦		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月19日
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河流下淺埋深綜放工作面安全開采控制技術(shù)
李興
（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司王莊煤礦，山西長治046031）
摘要以某煤礦為工程背景，采用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測、數(shù)值計算的方法，針對河流下淺埋煤層開采過程
中上覆巖層的垮落特點(diǎn)以及分布情況，重點(diǎn)分析了工作面推進(jìn)過程中導(dǎo)水裂隙帶的變化規(guī)律。結(jié)果表
明：在工作面的推進(jìn)過程中，導(dǎo)水裂隙帶的高度也隨之變化，當(dāng)工作面推進(jìn)到160m 時，導(dǎo)水裂隙帶的
高度將穩(wěn)定在某一個數(shù)值。該礦在開采過程中，為了防止出現(xiàn)透水事故的發(fā)生，需要分析計算合理的
采高以及對導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)測和控制，從而保證了煤礦安全高效開采。
關(guān)鍵詞淺埋煤層；河流下采煤；導(dǎo)水裂隙帶
中圖分類號：TD823.83 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009-0797（2017）05-0012-03
某礦地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，屬于淺埋煤層，雖然
煤層賦存條件相對穩(wěn)定，但位于首采區(qū)的主要可采
煤層的多數(shù)工作面地面均被水多湖川覆蓋，而在開
采過程中，由于上覆巖層的垮落產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶
將工作面與地表水或含水層溝通引發(fā)的淹井事故
對煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成了最主要的威脅，所以在開
采過程中非常容易發(fā)生井下安全事故。防水煤柱的
高度控制是河流下采煤的重要一環(huán)，其最小高度一般
取不小于導(dǎo)水裂隙帶高度與相對應(yīng)保護(hù)層厚度的和。
煤層所屬地層的巖性以及地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)也可以影響
到河流下煤層的安全開采，分析研究開采過程中上覆
巖層冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的分布特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)防水煤柱
的合理選擇，進(jìn)而保證了煤礦生產(chǎn)的安全高效性?；?
于此，筆者以某河流下淺埋煤礦綜放工作面為研究
對象， 對其在采動過程中的上覆巖層的垮落規(guī)律、
隔水關(guān)鍵層理論以及安全采高的控制進(jìn)行詳細(xì)地
模擬、計算和分析，以期達(dá)到安全高效開采的目的。
1 井田水文地質(zhì)概述
該煤礦井田區(qū)內(nèi)地形屬于典型的丘陵地帶,最
高處位于西北方向K1672 號鉆孔附近， 海拔標(biāo)高
1582.5m；最低處位于區(qū)南部土溝河附近，海拔標(biāo)高
1388.9m；最大高差193.6m。區(qū)內(nèi)只有一個水庫且有
散落分布的水井， 位于溝谷段煤層埋藏較淺處，是
礦井充水的主要部位。
礦井涌水量預(yù)算中滲透系數(shù)的計算可直接利
用井田G705、G510 號水文孔抽水試驗(yàn)成果，井田鉆
孔抽水試驗(yàn)成果見表1。
表1 井田鉆孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)表
綜合分析可知， 本井田水文地質(zhì)條件相對良
好，且主要構(gòu)成為孔隙、裂隙含水層。
2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律
煤礦現(xiàn)代化2017 年第5 期總第140 期
Shallow buried deep under the rivers fully-mechanized caving mining safety
control technology
Li Xing
（Shanxi Lu'an Environmental Energy Development Co Ltd， Sanxi Changzhi 046031）
Abstract： In the engineering background of a certain coal mine, using the empirical formula prediction, the method of numerical calculation,
the shallow buried coal seam under the river the caving characteristics of the upper strata in mining process and distribution, analyzed the
changing rule of the working face advancing process feed water fracture zones. The results showed that in the process of working face advancing,
conductivity fractured zone height changes, when the working face advancing to 160 m, the height of the water transmitting fissure zone
will be stable in a certain value. The mine in mining process, in order to prevent the happening of the accident, need analysis and calculation
reasonable mining height are broken and the water flowing fractured zone height of prediction and control, to ensure the efficient mining of coal
mine safety.
Key words： Shallow buried coal seam ; Mining under the river ; Water flowing fractured zone
孔號
計算段
名稱
涌水量
Q
m3/d
水位
降深S
m
含水層
厚度M
m
靜水位
高度H
m
煤層底
板標(biāo)高
m
水位
標(biāo)高
m
鉆孔
半徑r
m
G705
2-3煤
以上地層
32.8 18.92 49.90 120.11 1196.41 1316.52 0.0635
G510
3-1煤
以上地層
16.5 21.60 57.24 146.53 1154.40 1300.93 0.0635
·12·
萬方數(shù)據(jù)
工作面采動后，由于煤層采空區(qū)上覆巖層特別
是煤層頂板巖層離層破斷運(yùn)移、在煤層采空區(qū)上部
巖層中自下而上形成冒落帶、裂隙帶以及彎曲下沉
帶，冒落帶和裂隙帶均屬于破壞影響帶，在垮落破
壞的過程中導(dǎo)致的離層和裂隙具有導(dǎo)水的作用，所
以將兩者統(tǒng)稱為導(dǎo)水裂隙帶。彎曲下沉帶將會整體
下沉， 但總體來說巖層的主要沉陷形式是整體運(yùn)
移。該層巖石在運(yùn)動過程中會在采空區(qū)四周形成2
組裂隙，該裂隙為剪切性質(zhì)，基本呈封閉形態(tài)，所以
彎曲下沉帶連續(xù)性基本未遭破壞，具有阻水作用。
在計算厚煤層綜放工作面導(dǎo)水裂隙帶高度時，
雖沒有普遍公認(rèn)的公式，通常采用《建筑物、水體、
鐵路及主用井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的經(jīng)
驗(yàn)公式進(jìn)行初步估算（表2 為導(dǎo)水裂隙帶高度計算
公式）， 再根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與估算值的比較從而
確定其高度。
表2 厚煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式
由于本井田煤層傾角小于10°，有80%以上的
巖石抗壓強(qiáng)度小于25MPa，且上覆巖層的巖性在軟
弱與中硬的范圍內(nèi)，為了確保開采的安全性，本研
究把該煤礦主要可采煤層上覆巖層看作中硬煤層。
在表2 厚煤層綜放工作面導(dǎo)水裂隙帶高度計算公
式之一中區(qū)間正負(fù)號均按零計算。
采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)
與壓煤開采規(guī)程》計算導(dǎo)水裂隙帶高度時規(guī)定分層
開采的采高小于等于3m。為了安全起見，本研究取
2 個計算公式的最大值， 計算結(jié)果采高為3m、4m、
5m、6m、7m 時， 導(dǎo)水裂隙帶高度分別為43.5m、
50.4m、53.6m、62.1m、72m。就可以實(shí)現(xiàn)不同采高下
導(dǎo)水裂隙帶高度的科學(xué)預(yù)測，但是對導(dǎo)水裂隙帶的
進(jìn)一步確定則需要利用數(shù)值模擬軟件來計算分析。
3 導(dǎo)水裂隙帶的數(shù)值模擬分析
影響河流下安全開采的重要因素是導(dǎo)水裂隙
帶高度的確定， 通過FLAC 軟件模擬計算該煤礦在
不同采高下導(dǎo)水裂隙帶的分布規(guī)律，從而為河流下
安全開采提供合理可靠的依據(jù)。
巖石屬于脆性材料，所以載荷達(dá)到一定數(shù)值后
材料將會發(fā)生斷裂破壞， 隨之巖石強(qiáng)度進(jìn)一步弱
化。本研究采用虎克- 布朗(Hoek-Brown)強(qiáng)度準(zhǔn)則：
σs=σ3+（mσcσ3+sσc
2）1/2 （1）
式中，σs 為巖石最大強(qiáng)度時的最大主應(yīng)力；σ3為最
小主應(yīng)力；σc 為煤巖單軸抗壓強(qiáng)度；m 和s 為常數(shù)。
為了實(shí)現(xiàn)對開采的全程模擬，在采空區(qū)冒落的
矸石可以視為松散介質(zhì)。在工作面的推進(jìn)過程中，
經(jīng)過上覆巖層的作用，矸石呈現(xiàn)被壓實(shí)狀態(tài)，進(jìn)而
材料的密度、彈性模量以及泊松比發(fā)生了顯著的增
加。根據(jù)研究表明ρ、E 和ν 的變化特征采用以下
經(jīng)驗(yàn)公式表示：
ρ=1600+800（1-e-1.25t） kg/m3 （2）
E=15+175（1-e-1.25t） MPa （3）
υ=0.05+0.2（1-e-1.25t） （4）
式中，t 的單位為年。
FLAC 軟件中單元破壞的形式分別是剪切破壞
和拉伸破壞。本研究認(rèn)為：若頂板單元拉伸破壞區(qū)
域呈現(xiàn)片狀，則頂板發(fā)生垮落；若頂板僅出現(xiàn)剪切
破壞區(qū)域且呈片狀，則頂板未垮落。故在模擬計算
時， 按每次工作面推進(jìn)5m 便對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和計
算，若工作面頂板單元未顯示呈片狀的拉伸破壞區(qū)
域，即視作頂板未發(fā)生垮落，然后將工作面繼續(xù)推
進(jìn)5m 再將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。若頂板單元呈現(xiàn)出片狀
拉伸破壞區(qū)域，那么視作初次來壓，緊接著頂板垮落
到采空區(qū)。按同樣的方法，繼續(xù)將工作面推進(jìn)，若頂
板單元呈現(xiàn)出片狀拉伸破壞區(qū)域，那么視作周期來
壓，緊接著頂板垮落到采空區(qū)。直至開采結(jié)束。以下
是模擬計算出的不同采高下的頂板最大主應(yīng)力圖。
(a)推進(jìn)80m (b)推進(jìn)120m (c)推進(jìn)160m (d)推進(jìn)200m
圖1 采高為3m 工作面推進(jìn)頂板最大主應(yīng)力圖
(a)推進(jìn)80m (b)推進(jìn)120m (c)推進(jìn)160m (d)推進(jìn)200m
圖2 采高為4m 工作面推進(jìn)頂板最大主應(yīng)力圖
圖1～圖3 為采高分別為3m、4m 和5m 時工作
煤礦現(xiàn)代化2017 年第5 期總第140 期
巖性計算公式之一（m） 計算公式之二（m）
堅硬Hli= 100ΣM
1.2ΣM+2.0 ±8.9 Hli=30√ΣM +10
中硬Hli= 100ΣM
1.6ΣM+3.6 ±5.6 Hli=20√ΣM +10
軟弱Hli= 100ΣM
3.1ΣM+5.0 ±4.0 Hli=10√ΣM +5
極軟弱Hli= 100ΣM
5.0ΣM+8.0 ±3.0
·13·
萬方數(shù)據(jù)
（上接第11 頁）
（2）工作面水體采動等級屬Ⅲ類，按“三下”規(guī)
程規(guī)定，允許垮落帶波及“四含”，因此留設(shè)15m 防
水煤巖柱，上限標(biāo)高確定為-230m，是安全可靠的。
（3）盡管該區(qū)域地壓大，采掘巷道容易變形，容
易造成冒頂，在生產(chǎn)中使用大斷面全封閉“U”型支
護(hù)，用竹背板、雙層雙抗網(wǎng)全封閉腰幫過頂?shù)劝踩?
有效的技術(shù)措施，同時加強(qiáng)工程質(zhì)量管理，只要措
施落實(shí)好， 回采9105 工作面就會杜絕出現(xiàn)大面積
冒頂和抽冒事故。
參考文獻(xiàn)：
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[3] 張維峰“. 四含” 水體下留設(shè)防砂煤巖柱開采可行性研究
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采的試驗(yàn)與研究[J].煤炭學(xué)報，2002（4）：342-346.
作者簡介：
李國強(qiáng)（1987-），男，山西大同，2017 年畢業(yè)于大同大學(xué)
采礦工程專業(yè)，助理工程師，工作方向：采煤。
（收稿日期：2017-3-14）
面不同推進(jìn)距離時頂板最大主應(yīng)力的塑性區(qū)破壞
區(qū)域圖。導(dǎo)水裂隙帶高度就是最大主應(yīng)力圖中拉應(yīng)
力和壓應(yīng)力的分界線。最大主應(yīng)力圖的分布形態(tài)是
馬鞍型，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最大值即馬鞍型的最小
值，導(dǎo)水裂隙帶的高度即導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的最大值
與和煤層之間的距離。圖4 反映除了導(dǎo)水裂隙帶高
度與工作面推進(jìn)距離之間的聯(lián)系和變化規(guī)律，由圖
可知，工作面漸次推進(jìn)的過程中，導(dǎo)水裂隙帶高度
也隨之發(fā)生變化，當(dāng)工作面推進(jìn)到約160m 時，導(dǎo)水
裂隙帶趨于穩(wěn)定。當(dāng)采高為：3m、4m、5m 時，導(dǎo)水裂
隙帶高度分別為：45m、54m、63m。
(a)推進(jìn)80m (b)推進(jìn)120m (c)推進(jìn)160m (d)推進(jìn)200m
圖3 采高為5m 工作面推進(jìn)頂板最大主應(yīng)力圖
圖4 導(dǎo)水裂隙帶高度隨工作面推進(jìn)變化情況
4 結(jié)論
（1）按照規(guī)程經(jīng)驗(yàn)公式估算該煤礦在開采過程
中，當(dāng)采高分別為：3m、4m、5m、6m、7m 時，導(dǎo)水裂隙
帶高度分別為：43.5m、50.4m、53.6m、62.1m、72m。
（2）按照FLAC3D 數(shù)值模擬計算，工作面逐漸
推進(jìn)過程中， 導(dǎo)水裂隙帶高度便隨之發(fā)生變化，當(dāng)
工作面推進(jìn)到約160m 時，導(dǎo)水裂隙帶趨于穩(wěn)定。當(dāng)
采高為：3m、4m、5m 時， 導(dǎo)水裂隙帶高度分別為：
45m、54m、63m。
（3）通過研究高頭窯煤礦開采過程中導(dǎo)水裂隙
帶的運(yùn)動規(guī)律，同時結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測以及數(shù)值
模擬分析等方法進(jìn)行驗(yàn)證，為同類型淺埋深河流下
煤礦的開采提供了一定的借鑒意義， 也為制定合
理、經(jīng)濟(jì)、安全的防治措施提供了科學(xué)依據(jù)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 杜計平，汪理全.煤礦特殊開采方法[M].徐州：中國礦業(yè)
大學(xué)出版社，2011：35-80.
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法研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39（11）：1-4.
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社，20010：2-90.
[4] 竇林名，鄒喜正，曹勝根，等.煤礦圍巖控制[M].徐州;中國
礦業(yè)大學(xué)出版社，2010：18-56.
[5] 國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱與
壓煤開采規(guī)程[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.
作者簡介：
李興（1987-），男，河南民權(quán)縣人，2010 年畢業(yè)于河南理
工大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)就職于潞安集團(tuán)王莊煤礦，從事采
煤行業(yè)。（收稿日期：2017-3-1）
煤礦現(xiàn)代化2017 年第5 期總第140 期
·14·

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