基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法

　第37卷第5期煤　　炭　　学　　报Vol.37　No.5　　2012年5月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYMay　2012　　　文章编号:0253-9993(2012)05-0762-08基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法许家林1,2,朱卫兵1,2,王晓振1,2(1．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州　221116;2．中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州　221116)摘　要:在深入研究覆岩关键层对导水裂隙发育高度影响规律的基础上,提出了通过覆岩关键层位置来预计导水裂隙带高度的新方法。工程实测和理论研究结果表明:覆岩关键层位置会影响导水裂隙发育高度,只有当关键层位置距开采煤层小于某一临界高度时,该关键层破断裂缝才会贯通成为导水裂隙,且受该关键层控制而同步破断的上覆岩层破断裂缝也会贯通成为导水裂隙。关键层破断裂缝贯通的临界高度可以粗略按(7~10)M(M为煤层采厚)估算。当覆岩主关键层位于临界高度(7~10)M以内时,导水裂隙将发育至基岩顶部,导水裂隙带高度等于或大于基岩厚度;当覆岩主关键层位于临界高度(7~10)M以外时,导水裂隙将发育至临界高度(7~10)M上方最近的关键层底部,导水裂隙带高度等于该关键层距开采煤层的高度。上述基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法能适应不同采厚条件下的导水裂隙带高度预计,同时可以对由于覆岩关键层结构变化引起的导水裂隙带高度异常发育情况作出判别,其可靠性得到了工程实测结果的验证。关键词:导水裂隙带高度;预计方法;关键层;顶板突水;绿色开采中图分类号:TD823．83;P641．135　　　文献标志码:A收稿日期:2011-04-27　　责任编辑:王婉洁　　基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2007CB209403);国家自然科学基金资助项目(50974116)　　作者简介:许家林(1966—),男,江苏句容人,教授,博士生导师。Tel:[phone],E-mail:[e-mail]eightoffracturedwater-conductingzonebylocationofkeystrataXUJia-lin1,2,ZHUWei-bing1,2,WANGXiao-zhen1,2(1．StateKeyLaboratoryofCoalResourceandSafemining,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou　221116,China;2．SchoolofMines,ChinaUni-versityofMining&Technology,Xuzhou　221116,China)Abstract:Basedondepthstudyoftheinfluencelawofkeystrataontheheightoffracturedwater-conductingzone,thispaperproposedanewmethodtopredicttheheightoffracturedwater-conductingzonebylocationofkeystrata.Theen-gineeringmeasurementsandtheoreticalresearchresultsshowthatthekeystratumlocationaffectstheheightoffrac-turedwater-conductingzoneintheroof,whenthedistancefromkeystratumtothecoalseamislessthanacriticalval-ue,thefractureofkeystratumwilldeveloptowater-conductingfracture,andthesamegoestothefractureoftheover-lyingstratacontrolledbykeystratumleadingtoasynchronousbreakagewithkeystratum.Thecriticalheightofkeystratumfracturecanberoughlyestimatedtobe(7~10)M,whereMiscoalminingheight.Whenitislessthan(7~10)Mfromtheprimarykeystratumtocoalseam,water-conductingfracturewillgrowtothelocationabovetheroofofthebedrock,thentheheightoffracturedwater-conductingzoneisequaltoorgreaterthantheheightofthebedrock.Whenthedistancefromtheprimarykeystratumtocoalseamisgreaterthan(7~10)M,water-conductingfractureintheroofwilldeveloptothepositionbelowthenearestkeystratumbeing(7~10)Mmoreawayfromthecoalseam,andthentheheightoffracturedwater-conductingzoneequalstothedistanceofthekeystratumtocoalseam.Thepredic-tionmethodisabletopredicttheheightoffracturedwater-conductingzoneintheroofwithdifferentminingheights,meanwhile,italsocanbeutilizedtodistinguishtheabnormaldevelopmentoftheheightoffracturedwater-conducting第5期许家林等:基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法zoneinducedbystructuralchangesofkeystratum,anditsreliabilityisverifiedbyengineeringmeasurementsresults.Keywords:heightoffracturedwater-conductingzone;predictionmethod;keystratum;water-inrushofroofwater;greenmining　　导水裂隙带高度预计是煤矿水体下采煤设计和保水采煤的基础和前提。目前,我国应用最为普遍的导水裂隙带高度预计方法为《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称《规程》)中推荐的统计经验公式[1],它是在大量实测基础上统计得到计算导水裂隙带高度的经验公式,在一定程度上满足了我国煤矿水体下采煤设计的要求。经验公式中仅有煤层采厚参数,而覆岩岩性结构的影响在经验公式中没有得到直接体现,而是通过将覆岩岩性分类为坚硬、中硬、软弱等类型分别采用不同的经验公式来计算覆岩导水裂隙带高度。对覆岩岩性的分类方法是将覆岩所有不同岩性岩层进行强度和厚度的加权平均后获得的,属于数学均化的思路,它掩盖了关键层在覆岩破断运动中的控制作用,在特定开采条件下,会导致预计的覆岩导水裂隙带高度与实际偏差很大,甚至会导致一些突水事故的发生[2-9]。此外,受当时生产技术条件的限制,其统计样本的煤层分层开采厚度一般小于3．0m,也就是说,当煤层分层采厚大于3．0m时,《规程》中的统计经验公式是不适用的。如许多煤矿放顶煤开采的导水裂隙带高度实测结果与按《规程》预计方法的预计结果存在较大的差异[9-13]。事实上,煤层开采引起的导水裂隙演化与采动岩层破断运动有关。采动岩层破断运动受关键层的控制,导水裂隙演化必然受关键层结构的影响。因此,研究基于关键层理论的导水裂隙带高度预计方法,可以充分体现具体开采条件下覆岩关键层结构特征,避免对顶板岩性进行统计均化的不足,减少预计误差。1　关键层位置对导水裂隙发育高度的影响规律　　笔者在文献[8]中通过现场实测与模拟实验研究发现,覆岩主关键层(覆岩最上部的关键层)位置影响导水裂隙带高度,当主关键层距开采煤层距离较近并小于某一临界值时,主关键层破断裂缝会贯通成为导水裂隙,且受主关键层控制而同步破断的上覆岩层破断裂缝也会贯通成为导水裂隙,导水裂隙带将发育至基岩顶部,导水裂隙带高度明显偏大。通过建立关键层位置与破断裂缝张开度计算模型[8],分析认为可以粗略按(7~10)M(M为煤层采厚)估算该临界高度。进一步的研究发现,当主关键层距开采煤层高度大于(7~10)M而位于临界高度以外时,导水裂隙带高度将受亚关键层位置的影响。也就是说,当亚关键层位置距煤层高度小于(7~10)M时,其破断裂缝会贯通成为导水裂隙,且受该亚关键层控制而同步破断的上覆岩层破断裂缝也会贯通成为导水裂隙,导水裂隙将发育至临界高度(7~10)M上方最近的关键层底部。为了进一步说明上述观点,在实测基础上开展了对比模拟实验研究。1．1　实验方案设计了3个实验模型进行对比研究。3个实验模型的关键层位置、煤层采厚等条件见表1。表1　关键层位置影响导水裂隙发育高度的实验方案与实验结果Table1　Experimentalprogramandresultsofkeystratumlocationaffecttheheightoffracturedwater-conductingzonem　条件模型I模型II模型Ⅲ煤层采厚4．04．02．5亚关键层1距煤层高度444亚关键层2距煤层高度181818亚关键层3距煤层高度456545主关键层距煤层高度858585导水裂隙带高度456545　　3个模型中都有4层关键层,且各模型中对应关键层的厚度和强度是一致的。模型Ⅱ与模型Ⅰ相比不同之处在于,亚关键层3位置距煤层高度由模型Ⅰ的45m变为65m,其他条件相同。模型Ⅲ与模型Ⅰ相比不同之处在于,煤层采厚由模型Ⅰ的4．0m变为2．5m,其他条件相同。模拟实验采用长×宽×高为2．5m×0．2m×2．0m的平面应力模型架,模型的几何相似比为CL=1∶100,容重相似比Cγ=1∶1．6,应力相似比Cσ=1∶160。根据相似理论确定各分层物理力学参数并进行材料的配比,物理模拟材料以河砂、云母做骨料,以碳酸钙和石膏做胶结料。1．2　实验结果开挖过程中在模型两侧预留一定宽度的边界保护煤柱,煤层单次开挖步距为50mm,相当于实际每次5m的推进距。3个模型采后对应的覆岩采动裂隙发育素描图如图1所示,表1列出了3个模型的导水裂隙带高度实验结果。367煤　　炭　　学　　报2012年第37卷图1　亚关键层位置对导水裂隙发育高度影响的实验结果素描Fig．1　Sketchdrawingsoftheinfluenceofkeystratalocationontheheightoffracturedwater-conductingzone　　由图1和表1可知:3个模型的竖向贯通裂隙都达到亚关键层3底部,模型I、模型Ⅱ和模型Ⅲ的导水裂隙带高度分别为45,65,45m。尽管模型Ⅰ与模型Ⅱ的煤层采厚相同,但导水裂隙带高度却相差20m。显然,造成2个模型导水裂隙带高度存在明显差异的原因是由于2个模型的亚关键层3位置的不同。实验结果表明,模型Ⅰ与模型Ⅱ的亚关键层2位置距煤层高度同为18m,小于(7~10)M即28~40m,其破断裂缝能贯通,且其上覆受控岩层(亚关键层2与亚关键层3之间的岩层)破断裂缝亦能贯通,使得导水裂隙发育至亚关键层3下部。但两模型的亚关键层3位置距煤层高度分别为45,65m,均大于(7~10)M,其破断裂缝不能贯通,从而阻止了导水裂隙继续向上发育。尽管模型I与模型Ⅲ的煤层采厚不同,但覆岩导水裂隙发育高度却相等。这