辛置煤矿10-428B工作面导水裂隙带发育高度研究

郑宏旭

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

1 工程概况

山西焦煤霍州煤电10-428B工作面位于10#煤层东四左翼采区，工作面位于东四左翼采区北侧，南面为东四左翼轨道巷、皮带巷，西面为10-428A工作面。工作面开采10#煤层，煤层均厚为2.6m，10#煤层位于太原组下段上部，全井田可采，煤层结构复杂、含两层或三层夹矸。10#煤顶板岩性以泥岩石灰岩和砂岩为主，直接底为砂质泥岩（0.8m）；老底为中砂岩（7.0m）。

10-428B工作面的主要水源为10#基本顶K2灰岩岩溶裂隙水，该含水层岩溶裂隙发育，含水丰富，现分析10-428B工作面回采期间覆岩的运动情况，掌握工作面回采期间覆岩导水裂隙带的发育高度，以有效指导后续工作面防治水工作面的开展，特进行工作面导水裂隙带发育高度的研究分析。

2 导水裂隙带发育高度理论分析

根据10-428B工作面的具体地质条件可知，工作面长度240m，可采走向长度880m，周期来压步距平均为18m，覆岩的平均厚度为4.5m，据此可知，工作面上覆岩层板的厚度h与板宽度之间的比值为K≤1/5，据此薄板理论，可将覆岩视为薄板进行分析[1-3]，现采用基于压力拱效应的薄板理论进行导水裂隙带动态高度的分析。

1）压力拱效应：根据导水裂隙带内岩层破坏的原因，大致可将导水裂隙带划分为剪切破坏区和张拉破坏区，具体工作面上覆岩层破坏区的性质及分布特征如图1所示。根据压力拱理论可知，导水裂隙带在走向上的发育断面图呈现为拱形，图1中的剪切破坏区相对不发育，可近似将导水裂隙带的高度视为张拉破坏区的高度，即前后两条破裂线与上部岩层形成大的梯形区域。

图1 工作面上覆岩层破坏区的性质及分布特征

压力拱效应认为下部岩层所受的载荷与上部岩层的自重并不相等，故建立导水裂隙带发育高度模型前，需确定张拉破坏区所受载荷情况。如图2所示，在工作面初始开采阶段，推进方向上煤层上方的第一层岩层S1为主要承载层，随着工作面回采S1发生破断垮落，形成1#垮落平衡拱，此时上部的S2岩层称为主要承载层，2#垮落平衡拱随着回采作业的进行会逐渐发育，随着回采作业的进一步进行，平衡拱会逐渐发育上移，最终达到充分采动，停止发育[4-6]。同理在工作面倾向方向阿时能够平衡拱的发育形态同样如此。

图2 工作面推进与倾向方向覆岩破断形态图

针对上覆岩层薄板模型建立基本的微分方程，薄板的长采用a表示，宽采用b表示，厚度采用h表示，分别将长宽厚位于xyz轴上，建立各变形应变参量弯曲变形时的挠度方程w（x,y），在通过平衡方程求出薄板弯曲微分方程，具体薄板力学模型如图3a。

图3 薄板力学模型图

根据弹性力学知识能够推导得出，以w(x,y)为基础变量的薄板弯曲基本微分方程表达式为：

在工作面回采过程中，上覆岩层的力学模型属于四边固支的薄板，力学模型如图4b所示，薄板面所受的荷载呈现为正弦函数的分布，基于材料力学知识能够推导出第n层岩层中心处的挠度表式为：

式中：E为第n层岩层的弹性模量；hi为第i层岩层的厚度；v为第n层岩层的泊松比；θ1、θ2和θ3、θ4分别为工作面走向方向上的破裂角和倾向方向的破裂角；λ为平衡拱内岩层的平均容重，Lx、Ly分别为工作面的斜长和推进距离。

根据薄板的抗拉强度能够推导出薄板的极限跨距am和bm，表达式为：

联立式（2）～（4）能够计算得出岩层的垮落距Lx，采用薄板模型判断导水裂隙带高度时，有以下原则：①当第j层岩层的实际挠度小于极限挠度时，此时该岩层不会发生破断，当岩层所受挠度超过极限挠度时，岩层便会发生破断；②当第j层的极限跨距下岩层的挠度大于下方自由空间高度时，不会发生破断，在该岩层处导水裂隙带发育高度达到最大值。

根据10-428B工作面具体地质条件，采用压力拱理论进行导水裂隙带高度的分析，岩层破断角经过相似模拟实验，取θ1～θ4均为60°，具体计算结果如表1所示。

根据10-428B工作面上覆岩层的计算结果及表1中的数据可知，工作面上覆14#岩层的极限挠度为1.785m,大于其下部空间的高度1.305，根据判别准则可知该岩层不会发生破断，工作面上覆岩层导水裂隙带在该层达到最大值，导水裂隙带的高度稳定在42.56m，根据计算过程能够绘制出导水裂隙带的动态发育过程如图4所示。

3 导水裂隙带发育高度现场实测

为充分保障10-428B工作面导水裂隙带的发育高度不会导通上覆采空区，需准确得出导水裂隙带的发育高度，故进一步采用钻孔彩色窥视进行10-428B工作面导水裂隙带发育高度的观测分析，工作面煤层底板平均埋藏深度为331.15m，通过工作面埋深减去煤层厚度及观测得出的裂隙带的标高，即能够得出导水裂隙带的发育高度。

表1 工作面上覆岩层导水裂隙带高度计算结果

图4 导水裂隙动态发育过程曲线图

本次利用工作面回采前的疏水钻孔进行窥视作业，钻孔垂直顶板打设，根据观测结果能够得出如图5所示图像。

图5 顶板导水裂隙带钻孔彩色窥视观测图像

根据钻孔窥视结果及图5a中的图像可知，钻孔内在279.07m深度及以上的岩层较为完整，从窥视结果上看该区域的岩层主要由泥岩和砂质泥岩组成，且从图像上能够看出该区域无明显的采动裂隙存在。

分析图5b可知，在窥视钻孔深度279.07～279.27m之间，存在一个近乎垂直的裂隙，在286.3～294.6m之间岩层存在着众多的离层现象，另外能够看出在294m深度以下的岩层中，裂隙发育现象明显，且裂隙基本以近乎垂直的方向发育，基于此该区域的裂隙发育情况可知，在钻孔深度为279.07的位置处为导水裂隙带的发育顶部。

分析图5c可知，在钻孔深度298.9m以下的区域，岩层的破坏现象严重，裂隙发育程度高，且从图像中能够看出存在着较大的空洞，据此可知该处存在着岩层的垮落塌陷现象，结合窥视结果，判定在钻孔298.8m的深度处为上覆岩层垮落袋的顶部边界。

因此根据煤层底板的深度，导水裂隙带的计算式为：

式中：H为导水裂隙带的发育高度；H'为煤层底板的埋藏深度；M为煤层的厚度；h为导水裂隙带的顶部深度；基于上述窥视结果能够得出导水裂隙带的发育高度H=331.15-279.07-3.4=48.68m。

根据钻孔窥视结果得出的工作面导水裂隙带的发育高度与基于压力拱效应的薄板理论计算得出的导水裂隙带发育高度基本相同，导水裂隙带的发育高度为48.68m。

4 结论

根据10-428B工作面的地质条件，采用基于压力拱效应的薄板理论进行导水裂隙带发育高度的理论计算和分析，根据分析结果可知，导水裂隙带的发育高度为42.56m，通过工作面钻孔窥视结果，得出工作面导水裂隙带的发育高度为48.68m，与理论分析结果相近，验证了理论分析的正确性。