第 41 卷 第 4 期 2014 年 8 月 矿业安全与环保 MINING SAFETY ＆ ENVIＲONMENTAL PＲOTECTION Vol. 41 No. 4 Aug. 2014 邵昌尧，刘业献，栾元重，等． 唐口煤矿 2309 工作面覆岩导水断裂带高度分析［J］. 矿业安全与环保，2014，41(4) :77 － 79． 文章编号:1008 － 4495(2014)04 － 0077 － 03 唐口煤矿 2309 工作面覆岩导水断裂带高度分析 邵昌尧1 ，刘业献1 ，栾元重2 ，任雪松2 ，闫 勇1 ，姜京福1 ，王波波1 ，曹 旭1 (1. 山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272000; 2. 山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266510) 摘要:为了确定唐口煤矿 2309 工作面合理开采上限和留设安全煤柱，减少煤炭资源的浪费，需要准 确测定该工作面的导水断裂带高度。采用经验公式预计和数值模拟的方法，对 2309 工作面导水断裂带 高度进行了分析计算，其结果分别为 46. 2、48. 1 m。运用“双端堵水器”技术，采用井下仰上孔的方法， 实测了导水断裂带高度，其值为 50. 9 m。实测结果与经验公式预计值和数值模拟值基本相符，实测结 果可靠。 关键词:导水断裂带;高度;实测;数值模拟;预测 中图分类号:TD326 网络出版地址:http: / / www． cnki． net / kcms / detail /50． 1062． TD． 20140725． 0934． 021． html 网络出版时间:2014 － 07 － 25 09:34 文献标志码:C Analysis on Water － flowing Fractured Zone Height in Overburden Strata of 2309 Working Face in Tangkou Mine SHAO Changyao1 ，LIU Yexian1 ，LUAN Yuanzhong2 ，ＲEN Xuesong2 ，YAN Yong1 ， JIANG Jingfu1 ，WANG Bobo1 ，CAO Xu1 (1． Shandong Tangkou Coal Co． ，Ltd． ，Jining 272000，China; 2． College of Surveying and Mapping，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510，China) Abstract:In order to determine the upper limit for the rational mining of 2309 working face and the setting of safety pillars in Tangkou Mine and reduce the waste of coal resources，it is necessary to accurately measure the height of the water － flowing fractured zone in the working face． Analysis and computation were conducted on the height of the water － flowing fractured zone in 2309 working face by using the empirical formula and numerical simulation method，the results were respectively 46． 2 m and 48． 1 m． Actual measurement was made on the height of the water － flowing fractured zone with the technology of “double － end water blocking device”and the method of underground upward holes，the result was 50． 9 m． The measured results were basically consistent with the expected value of empirical formula and the numerical simulation value，so the measured results were reliable． Key words:water － flowing fractured zone; height; actual measurement，numerical simulation; prediction 1 概况 唐口煤矿隶属于山东能源淄矿集团，位于山东 省济宁市西北部约 10 km。该矿 2309 工作面的地面 位置位于前王、潘家庙村西 750 m，军 王 村 西 南 侧 580 m 处。煤层底板标高 － 929. 0 ～ － 696. 5 m，地面 标高 + 35. 56 ～ + 36. 9 m。井下位于西部回风大巷 以北，东面 5 m 处为已回采结束的 2308 工作面，北、 西两面均为未开拓的实炭区。 收稿日期:2013 － 11 － 20;2014 － 02 － 26 修订 作者简介:邵昌尧(1971—) ，男，山东淄博人，高级工程 师，主要从事安全生产管理方面的工作。 2 导水断裂带高度分析 2. 1 经验公式预计 由于 2309 工作面顶板多为粉砂岩及粗、中、细 砂岩和泥岩，故按顶板为中硬岩层情况考虑。根据 多年来对覆岩导水断裂带发育高度的研究，并依照 《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开 ［1 － 5］，垮落带、断裂带高度按以下经验公式 采规程》 计算。 1) 垮落带高度: H = 100∑M 4. 7∑M + 19 ± 2. 2 (1) ·77· 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

Vol. 41 No. 4 Aug. 2014 矿业安全与环保 MINING SAFETY ＆ ENVIＲONMENTAL PＲOTECTION 第 41 卷 第 4 期 2014 年 8 月 式中 ∑M 为累计采高，取∑M = 4. 1 m。 计算得:H = 8. 5 ～ 12. 9 m。 2) 断裂带高度: H = 100∑M 1. 6∑M + 3. 6 ± 5. 6 计算得:H = 35. 0 ～ 46. 2 m。 (2) 2. 2 导水断裂带模拟 岩石是一种脆性材料，当荷载达到屈服强度后 将发生破坏、弱化，应属于弹塑性体。选择莫尔—库 仑准则，计算模型中采用的岩层力学参数包括弹性 模量( E) 、泊松比( μ) 、黏聚力( C) 、内摩擦角( φ) 、抗 拉强度( σt ) 和密度( ρ) ，见表 1。 表 1 工作面计算模型的岩土层力学参数 层位 岩性 ρ / ( kg / m3 ) E / MPa μ C / MPa σt / MPa φ / ( °) 老顶 细砂岩 2 615 直接顶 泥炭 2 523 煤层 煤层 1 403 泥岩 2 523 粉砂岩 2 613 底板 8 503 0. 235 9. 03 2. 616 34. 0 5 312 0. 247 2. 75 1. 308 33. 1 989 0. 240 2. 02 0. 179 30. 2 5 312 0. 247 2. 75 1. 308 33. 1 17 560 0. 250 4. 01 2. 766 36. 1 煤层开采破坏了岩土体内天然应力平衡状态， 造成采空区周围岩土体的应力发生重新分布，在煤 柱一侧形成应力增高区，土层中产生超静孔隙水压 力，当采空区达一定范围，产生的应力超过了岩石强 度的极限，煤层直接顶板则在拉应力和剪应力作用 下，发生垮落和下沉，其上部老顶以梁弯曲的形式沿 岩层面的法线方向发生移动、弯曲，直至断裂，这样 就形成了煤层开采后上覆岩层的“三带”，即垮落带、 断裂带、弯曲带。 2309 工作面所采煤层数值模拟结果如图 1 ～ 3 所示。由图 1 ～ 3 可得:垮落带高度为 14． 6 m，导水 断裂带高度为 48． 1 m。 图 1 模型变形图 ·87· 图 2 岩层组裂隙发展图 图 3 水平位移云图 2. 3 实测分析 本次导水断裂带高度观测采用井下仰上孔分段 注水测漏技术，井下观测钻孔的布置如图 4 所示。 图 4 井下观测钻孔布置示意图 井下仰上孔探测顶板采动破坏裂隙发育高度的 现场观测系统如图 5 所示。观测系统由孔内双端双 路堵水器、耐压软管、推进杆、观测工作台、外界水源 及相应的阀门和压力测量测试仪表等构成。 2309 工作面导水断裂带高度观测是在终采线附 近完成的。向 2309 工作面采空区内施工了 2 个采 后孔和 1 个基准孔，采后观测孔用于观测煤层顶板 覆岩受采动破坏后覆岩漏水量，以确定覆岩导水断 裂带的最大发育深度;基准孔用于观测煤层顶板覆 岩原始状态漏水量。钻场布置如图 6 所示。 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 41 卷 第 4 期 2014 年 8 月 矿业安全与环保 MINING SAFETY ＆ ENVIＲONMENTAL PＲOTECTION Vol. 41 No. 4 Aug. 2014 图 5 井下仰孔观测系统示意图 图 6 2309 工作面两带探测钻场位置示意图 钻孔施工要素见表 2。 表 2 钻孔施工要素 名称 基准孔 采后孔 1 # 采后孔 2 # 孔径 / 方位角 / mm 75 75 75 ( °) 283 84 111 仰角 / ( °) 45 45 45 孔深 / 完成时间 m 100 未受采动影响 100 100 采后 采后 根据所测数据，其采前、采后注水漏失量变化情 况对比如图 7 ～ 8 所示。 图 7 基准孔与采后孔 1 # 漏失量对比图 图 8 基准孔与采后孔 2 # 漏失量对比图 2. 4 各方法分析结果对比 采用 UDEC 数值模拟、经验公式计算，以及运用 “双端堵水器”技术实测所得的 2309 工作面所采煤 层垮落高度及导水断裂带高度结果见表 3。 表 3 各方法结果对比 方法类别 垮落带高度 / m 导水断裂带高度 / m 经验公式计算 UDEC 数值模拟 实测 12. 9 14. 6 46. 2 48. 1 50. 9 由表 3 可见，UDEC 数值模拟、经验公式计算的 导水断裂带高度与实测导水断裂带高度基本相符， 说明实测所得的导水断裂带高度 50. 9 m 是可靠的。 3 结语 1) 采用经验公式预计和 UDEC 数值模拟的方 法，对唐口煤矿 2309 工作面导水断裂带高度进行了 分析计算，其结果分别为 46. 2、48. 1 m。 2) 通过在井下施工仰上孔，运用“双端堵水器” 技术，实测了导水断裂带高度，其值为 50. 9 m。按照 实际采高 4. 1 m 计算，裂采比为 12. 4。 3) 经验公式预计、UDEC 数值模拟结果与实测 数 据 基 本 相 符，确 定 了 导 水 断 裂 带 最 大 高 度 为 50. 9 m。 参考文献: ［1］ 国家煤炭工业局． 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留 设与压煤开采规程［S］． 北京:煤炭工业出版社，2000． ［2］ 高召宁，孟祥瑞． 采动条件下煤层底板变形破坏特征研 究［J］． 矿业安全与环保，2010，37(3) :17 － 18． ［3］ 邹海，桂和荣，陈兆炎． 导水裂缝带高度预测途径探讨 ［J］． 中国煤田地质，1997，9(2) :53 － 55． ［4］ 康建荣，王金庄． 采动覆岩力学模型及断裂破坏条件分 析［J］． 煤炭学报，2002，27(1) :16 － 20． ［5］ 刘宝琛． 矿山岩体力学概念［ M］． 长沙:华南科学与技 术出版社，1992． ( 责任编辑:陈玉涛) ·97· 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net