Vol. 30 ! No. 4Apr) 2021
第30卷第4期2021年4月
中国矿业
CHINA MINING MAGAZINE
王有建，涂敏
(安徽理工大学省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南232001)
摘 要：在分析朱仙庄矿水文地质条件的基础上，采用经验公式、数值分析、相似模拟等方法，分析了 8105
特厚煤层工作面覆岩顶板的裂隙发育过程，考虑采动应力与渗流的耦合作用，研究了随工作面的推进上部 含水层的渗流演变规律，进而对顶板突水危险性预测。结果表明：随工作面不断推进，8105回采工作面
采
空区裂隙发育高度为72 m，与经验公式法的计算结果基本一致；通过数值模拟分析得到含水层受采动影响 发生渗流现象，孔隙水未进入到回采工作面采空区；对相似模拟、数值模拟所得结果进行综合分析，裂隙最
大发育高度与岩层孔隙水之间的距离为15 m o 为保证8105工作面的正常回采，本文提出了“预先打孔监
测钻孔涌水量$留设合理防水煤柱$不良钻孔及时封堵”等防治措施，研究结果对类似工程条件下的煤层
开米具有一定的借鉴意义)
关键词：特厚煤层；突水危险性预测；渗流演变；数值模拟；相似模拟
中图分类号：TD745. 21
文献标识码：A
文章编号：1004-4051(2021)04-0109-06
Prediction and prevention measures of roof water inrush risk
in extra-thick coal seam mining
WANG Youjian , TU Min
(Anhui Province Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mine !
Anhui University of Science and Technology !Huainan 232001!China )
Abstract : Based on the analysis of hydrogeological conditions in Zhuxianzhuang coal mine, the fracture developmentprocessoPoverburdenrooPoP8105extrathickcoalseam workingPaceisanalyzedby using
empiricalPormula ,numericalanalysisandsimilarsimulation.Consideringthecouplinge P ectoPminingstress andseepage ,theseepageevolutionlawoPupperaquierwiththeadvanceoPworkingPaceisstudied ,andthe rooPwaterinrushriskispredicted.TheresultsshowthatwiththecontinuousadvanceoPtheworkingPace ,
theheightoPPracturedevelopmentinthegoaPoP8105 workingPaceis72 m ,whichisbasica l yconsistent withthecalculationresultoPempiricalPormula method.Throughthenumericalsimulationanalysis ,itis Poundthattheaquierisa P ected by mining ,andthe pore waterdoes notenterthe goaP.The distance
between the maximum height of fracture development and the pore water is 15 m. In order to ensure the normal mining of 8105 working face,this paper puts forward some prevention measures ,such as “drilling in
advance to monitor the water inflow of boreholes $ “setting reasonable waterproof coal pillar $ “timely pluggingofbadboreholes $andsoon.Theresearchresultshavecertainreferencesignificanceforcoalseam miningundersimilarengineeringconditions.
Keywords : extra-thick coal seam ； water inrush risk prediction ； seepage evolution ； numerical simulation ；
analogsimulation
收稿日期：2020-08-13 责任编辑：边晶莹
基金项目：国家自然科学基金项目资助(编号51574007)
第一作者简介：王有建(1995-)，男，汉族，河南商城人，硕士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制研究,E-mail :707258882@qq. com 。
引用格式：王有建，涂敏.特厚煤层开采顶板突水危险性预测及防治措施:J + .中国矿业，2021,30(4):109-114. doi : 10. 12075/j. issn. 10044051 2021 04 031
110中国矿业第30卷
引言
煤层经过回采后，上覆岩层出现变形、位移、破坏等现象，产生裂隙并形成“三带”破坏状态，对于上覆岩层中具有含水层的回采工作面来说，在开采过程中土层裂隙不断发育直至贯通至含水层形成导水通道，孔隙水易通过裂隙渗透到采空区进而造成安全事故，为此国内学者对顶板突水危险性预测进行了大量的研究。
靳德武等⑴通过对彬长矿区巨厚洛河组砂岩进行研究，将顶板含水层对开采影响划分为3个等级，分别为弱影响、中等影响、强影响，并通过注浆的方式实践于矿区典型矿井进行综放减水开采的工程中，取得了较好的实际效果；尹嘉帝等⑵针对潘二矿11111综采工作面裂隙发育高度，采用理论分析、相似
模拟以及PFC数值模拟等多种方法，得到了裂隙发育角度呈现区域性分布的特点；曹祖宝等⑶针对黄陇煤田煤层突水问题，分析了不同覆岩组合采动破坏特征和覆岩导水裂隙与覆岩结构之间的相关关系，得出煤层的硬-硬-软-软型覆岩结构倒水层高度最大；郭文兵等⑷采用地面钻孔冲洗液漏失量法对芦沟煤矿32101工作面导水裂缝带高度进行了现场实测，并根据上覆岩层岩性及结构进行了理论分析计算，论证了芦沟煤矿在水库水体下采煤的可行性；李路等囚通过数值模拟导水裂隙带发育高度，提出 以导水裂隙带发育高度是否突破不同含水层进行分段，采用“大井法”和集水廊道法对采动过程中的涌水量进行分段分层预计，对涌水量的预计更接近实际；王晓振等采用理论分析、现场探测等方法，得到特定关键层结构条件下，当工作面采高小于某一阀值时，导水裂隙带发育高度对采高变化不敏感，有效提高了水下煤炭采出率；杨达明等⑺利用井下钻孔分段注（放）液系统及钻孔电视等手段确定了工作面导水裂隙度!并采用数值模导水
裂隙带的发育规律，对相似地质条件下保水开采具有重要的参考意义；马立强等「1+系统研究了岩层控制理论，有效地解决了浅埋煤层受采动影响上覆岩层导水裂隙带高度难以准确计算的难题；陈超等
针对巨厚煤层在综放开采条件下的煤矿工程实例，对采高和离层水突水的关系以及工作面推进速度与离层空间积水量的关联性进行了研究；还有学者采用理论、数值模、理相模以及通场实测等手段「10「15+，对多个矿区进行了裂隙发育高度的研究，保证了含水层下工作面的安全回采。
综上所述，我国学者通过不同的方法对回采工作面上覆岩裂隙发规律研究!了丰厚的研究成果，对工作面突水危险性的防治起到了重要的指导作用。但关于特厚煤层开采覆岩裂隙发育规律以及采动影响下含水层渗流演变过程的相关研究较少。因此，本文在前人研究的基础上，以朱仙庄煤矿1105工作面为研究背景，采用经验公式、相似模拟实验以及数值模拟相结合的方法，对顶板突水危险性进行了评估，预先提出了防治措施并成功应用于1105回采工作面，保障了回采工作的安全进行。
1工程地质概况
仙庄1105工作面为420m!平均煤层厚度为1.2m，煤层倾角为12°〜16°，平均为14°。煤层开采采用一次采全高综采技术，顶板采用全部垮落法管理，岩层柱状如图1所示。由经验公式「17+计算可得朱仙庄煤矿裂隙发育高度为69.26〜71.26m，但由于1煤层上方100.77m处存在厚含水松散层，且上覆岩层地质条件复杂，因此开采到!为保证1105工作面安采!采用相似模拟试验进一步验证。
图1岩层柱状图
Fig.1Rock column diagram
岩性柱状岩层厚度/m
泥岩16.60
含水层10.00
下隔水层
■
25.00
砂砾层7.71
粉砂 6.81
砂砾层/ 2.03
细砂 5.11
砂砾层 5.52
泥岩20.53
细粒砂岩1/ 3.82
7煤层:/ 1.33
粉初'岩/
\ 2.40
泥岩/ 4.35
粉砂岩/\ 3.27
细粒砂岩
V4a
10.65
粉砂岩\/ 2.25
8煤层8.20
粉砂岩 6.43
细粒砂岩 6.77
泥岩 6.84
2相似模拟试验
2.1试验方案设计
结合仙庄1105工作面场开采
第4期王有建，等：特厚煤层开采顶板突水危险性预测及防治措施111
件，试验方案的相关参数如下所述。
1)容重相似比。由8105工作面岩层柱状图可
知，研究区顶底板以粉砂岩为主，根据经验设计容重
相似比为3：5。
2)几何相似比。安徽理工大学能源与安全学
院试验大厅拥有3mX0.3mX2m的平面相似模
拟实验台，根据经验设计几何相似比为1：100，搭建
3mX0.3mX12m物理相似模拟实验模型，模拟
现场走向长为300m，宽为30m，高为120m的煤
岩层范围。
3)应力相似比。根据模型几何相似比1：100,
模型高度1.2m，模拟现场实际断面高度为120m
的煤层，模型上方上覆岩层高度为320m，经计算取
应力相似比为1：150。
4)时间相似比。由于模型和原型中重力加速
度相等，取时间相似比为1：10，即每2h相当于现场
20h，采用分步开挖的方式代替工作面回采的过程,
试验设计进度为5cm/2h(—天开挖60cm)，模拟
现场实际进度为4.2m/d。
5)试验参数及配比。按照上述相似常数及现
场条件(顶底板岩层的厚度、岩性及强度等)换算成
模型中的参数，并确定相应的配比。相似材料以细
砂为骨料，以石灰和石膏为胶结物，经多次反复调整
材料配比，获得各层相似材料的最佳配比表，见表1
表1岩石力学参数
Table1Rock mechanical parameters
岩性抗压强度/
MPa
泊松比2
容重/
(kN/m3)
砂：石灰：石膏
中粒砂岩025*********：07：04岩028*********：07：03泥岩0160024150010：05：05
煤层007003079011：05：05细砂岩036002515608：06：04
岩浆岩0.5400.1827867：0.7：0.3
22验结
工作面煤层进行初步开采，工作面推进至45m 时，2(a)，采上方岩
落，距采空区上方约3m处出现长度为&6m、高度为0.1m的裂隙；工作面推进至60m时，如图2(b)所示，
工作面出现初次来压，顶板两端裂隙呈现向上部扩展的趋势，与离层的水平裂隙贯通，形成了贯通的裂隙发育带，在采动影响下，采空区覆岩顶板出现垮落，覆岩破断角分别为34。和64。，随着工作面不断向推!岩期性的断!
断角为60。〜70。；工作面推进至105m时，覆岩顶板的垮落形态及裂隙发育特征如图2(c)所示，在采空上方35m处长度为125m、度为01m 的裂隙；工作面推进至145m时，如图2(d)所示，采空区上覆岩层出现大面积垮落，垮落带高度为55m，垮落区域基本充满采空区，前期采空区产生的覆岩裂隙进一步被压实，竖向裂隙演化成阶梯状贯通裂缝，同时由于垮落岩层难以充满采空区，导致采空区上方出现较大距离的离层；工作面推进至190m 时，如图2(e)所示，此时采空区裂隙随着周期来压的不同程度被压实，岩层内裂隙发育至上部关键层的下方，关键层形成的岩梁结构有效遏制了裂隙的进一步发育，最终裂隙的发育高度为72m。
23验结
为更准确地描述采空区裂隙发育状态，采用数字散斑技术对顶板岩层表面进行取点分析，如图3所示。顶板不同位置的位移状态由活化垮落到结构稳定，在工作面初期开采阶段，受回采工作面采动影响的范围较小，顶板岩层位移量变化不明显，如图3(a)所示。经初次来压后，顶板岩层下沉量逐渐增大，随着工作面继续推进，工作面顶板出现周期性垮落，采空区进入活化状态，顶板下沉曲线呈锯齿状，
如图3(b)所示。在此期间，由图3(c)所示，顶板垮落的岩块呈较接结构向采空区方向回转，采空区原有岩块间裂隙被压实。工作面开采方向顶板端部处竖向裂隙呈阶梯状向上发育，在工作面开切眼处竖向裂隙向上发育至未垮落顶板端部，发育高度为25m。受工作面采动影响，采空区上覆直接顶逐渐形成拱形结构，岩层内部裂隙出现活化状态，微小裂隙发育充分。随着工作面继续推进，覆岩顶板逐渐趋于稳定状态，在顶板上方形成稳定的承载结构，顶板下沉曲线进而转化为平底状态，如图3(c)所示。
3数值模拟
由于在相似模拟实验中无法观测孔隙水实际渗流情况，为进一步分析采动影响下上部含水层孔隙水的渗流演化规律，根据朱仙庄煤矿8105回采工作面实际的工程地质条件，采用FLAC3D有限差分软件对工作面上覆岩层进行分析。模型长250m，宽10m，140m，度为82m，工作面水层距离为100m，左右与底部均为固定边界条件，顶部采用自由面，自由面上方施加均布荷载，共计25000个单元体，采用摩尔-库伦准则。
随着工作面的推进，工作面顶底板出现塑性破坏，如图4(a)所示，顶板塑性区破坏呈拱形结构，与相模结基致'采工作面推80m时，
如图4(b)所示，工作面顶板的塑性区域进一步扩
112中国矿业第30卷
E g *好K
o
o
o
o
O
2
4
6
8
O"；直接顶出现裂隙i O
o O-O O O O
(a)工作面推进45m(b)工作面推进60m(c)工作面推进105m
(d)工作面推进145m(e)工作面推进190m
1
2
3
4
5
6
7
8
线
线
线
线
线
线
线
线
-
l
u
-
l
u
-
l
u
-
l
u
-
l
u
-
l
u
-
l
u
-
I
U
孤
孤
孤
孤
孤
孤
孤
孤
图2采动裂隙发育过程
Fig.2Mining-induced fracture development process
E
g
*
好
K
(a)开采至105m顶板下沉量
图3顶板下沉量
Fig.3Roof subsidence
(a)开采至190m顶板下沉量
1
2
3
4
5
6
7
8
线
线
线
线
线
线
线
线
孤
孤
孤
孤
孤
孤
孤
孤
(a)开采至45m顶板下沉量
二
展，拱形状态进一步扩大；工作面推进120m时，如图4(c)所示，在剪切、拉剪、拉破坏的共同作用下，
使得塑性发育，采为「裂隙处于活态；当工作面推进190m时，如图4(d)所示，回采工作完成，采形为稳定的拱结构，此时塑性区不再发育，覆岩内裂隙发逐于稳定。
(a)推进30m(b)推进80m
(a)推进120m(b)推进190m
图4塑性区发育范围无塑性状态单元
循环剪切塑性状态单元循环剪切及当前张拉塑性状态单元以前循环剪切塑性状态
車元
以前循环剪切张拉塑性快态单元
Fig.4Development range of plastic zone
受回采工作面的影响，含水层在自身重力和岩层间挤压的双重作用下，孔隙水发生了渗透现象。工作面推进30m时，如图5(a)所示，此时回采工作面的回采活动对含水层的渗透小，孔隙水压处于为定的态；工作面推80m时，
5(b)所示，受采动活动的影响，含水层出现小范围的，回采工作面前方含水采动的波动较小；工作面推进120m时，如图5(c)所示，含水采动为强烈，含水层水压渗透I进一步扩展；工作面推进190m时，如图5(d)所示，含水层水压渗透较为，隔水域被水侵蚀发生破坏，水压明显向下方运动扩展，但孔隙水未通隔水工作面采。综合相似模拟试验、经验公式及数值模拟的相关结果，此时裂隙发育处与含水的岩度为15m)
4工程防治措施
通到含水层与覆岩裂隙间的距离仅为15m，为
隔水层经长时间水压作用发生损伤失
第4期王有建，等：特厚煤层开采顶板突水危险性预测及防治措施113
(b)推进80 m
(a)推进30 m
Contour of Gp Pore Pressure
I 5.0000E+064.5000E+064.0000E+06I
3.5000E+063.0000E+06
2.5000E+062.0000E+061.5000E+061.0000E+065.0000E+050.0000E+00Contour of Gp Pore Pressure
钻孔电视I 5.0000E+06 4.5000E+064.0000E+063.5000E+063.0000E+062.5000E+062.0000E+061.5000E+06■ 1.0000E+06I 5.0000E+05I 0.0000E+00Contour of Gp Pore Pressure ■ 5.0000E+06■ 4.5000E+064.0000E+063.5000E+063.0000E+062.5000E+062.0000E+061.5000E+06.1.0000E+06I 5.0000E+05| 0.0000E+00
Contour of Gp Pore Pressure
5.0000E+064.5000E+064.0000E+063.5000E+063.0000E+062.5000E+062.0000E+061.5000E+061.0000E+065.0000E+050.0000E+00
(c)推进 120 m
图5含水层发育过程
Fig. 5 Development of aquifer
去隔水效果，引起采空区突水，造成安全事故，根据 本采区不同的突水类型、突水特点，制订相应的安全
施。
1） 对顶板含水层水位安置多个15 m 左右的长
期观
，时 钻孔涌水量，对涌水量异常的钻
排查，做到安全第一，预防为主。
2）
水层的 坚持 合理有效的
防水煤柱，确保最大导水裂隙
度不破坏“三隔”。
3） 井生产中
遇到一些钻孔，一般钻
孔封闭性 ，但是也 数钻孔封闭性较差，导致
钻 水，这类钻 可能把上 生 水
和下部灰岩水导 ，因此采掘至封孔不良的钻
近要采取探水措施，若发现钻 水应及时进
封堵。
5结论
1） 随工作面不断推进，8105回采工作面采空
区裂隙发 度为72 m，与经验公式 结果基
一致。
2） 为进一步验证8105工作面特厚煤层含水层
下回采工作的安全性，通过数值模拟的方 ，受回采工作面的采动 ，含水
，但未
工作面采
。
3） 为
发情况对回采工作面安全的影响，
在裂隙最大发 度与岩 隙水 的距离仅为
15 m 的条件下，提出预、留、堵的应对措施。在顶板
含水层安置多个长期 ' 的防水煤柱；
封闭不良的钻 及时封堵，保障了工作面的
正常回采。
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豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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