楊濤，張一銘，張杰，林海飛，閆醫(yī)慧，張建辰，馬?；?，孫建平，龐海波，武浩昊

摘要：為解決水庫壩體下開采安全性，提高煤炭資源回收率，以王洼煤礦水庫壩體下110505工作面為研究背景，通過物理仿真模擬、數(shù)值模擬及理論分析等方法對覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律及導(dǎo)水裂隙帶高度展開研究。為避免礦井開采對地表水壩與水體破壞，針對導(dǎo)水裂隙帶高度分析結(jié)果，提出了110505工作面限高開采方案。結(jié)果表明：工作面開采后地表形成“凹”型盆地，并產(chǎn)生拉伸裂隙，致使地表水位下降78%；現(xiàn)場實(shí)測導(dǎo)水裂隙高度為170.76 m，物理仿真模擬試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算、傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式得出三者的導(dǎo)水裂隙帶高度分別為162，164 m和120.57 m；方差修正系數(shù)對經(jīng)驗(yàn)公式做出修正后，反推出限高開采的安全開采高度為2.6 m。研究揭示了工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育規(guī)律及水庫水體受采動影響的規(guī)律，為王洼煤礦后續(xù)此類條件下安全措施的制定提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水庫下采煤；高強(qiáng)度開采；綠色開采；物理仿真；導(dǎo)水裂隙帶

中圖分類號：TD 32文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2024）01-0043-11

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0105開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Study on safety mining height beneath the reservoir and dam in Wangwa coal mine

YANG Tao1，ZHANG Yiming1，ZHANG Jie1，LIN Haifei1，YAN Yihui1，ZHANG Jianchen2，

MA Haihu3，SUN Jianping1，PANG Haibo1，WU Haohao1

（1. College of? Energy Science and Engineering，Xian? University of Science and Technology，Xian? 710054，China；2.Shaanxi? Branch of China United Network Communications Co.，Ltd.，Xian 710000，China；3.Ningxia Wangwa Coal Industry Co.，Ltd.，Guyuan 756505，China）

Abstract：In order to improve the safety of mining under the reservoir dam and improve the recovery rate of coal resources，110505 working face under the reservoir dam of the Wangwa coal mine was taken as the research background，the development laws of overlying rock fissures and the height of the were studied through methods such as physical simulation，numerical simulation，and theoretical analysis.In order to avoid damage to surface dams and water bodies caused by mine mining，a height-limited mining plan was proposed for the mining of the 110505 working face based on the height analysis results of the water-conducting fracture zone.The results show that after the working face is mined，a “concave” basin is formed on the surface，and traction cracks are generated， with the surface water level? dropped? by 78%；the height of the water-conducting cracks actually obtained on site is 170.76 m；physical simulation experiments，and numerical calculations，the traditional empirical formula shows that the heights of the wa-ter-conducting fracture zones of the three are 162 m，164 m and 12057 m respectively.After the empirical formula was modified by? the push-wave correction coefficient，it was deduced that the safe mining height for high-limit mining is 2.6 m.The study reveals the height growth pattern of the water-conducting fracture zones? in the overlying rock on the working surface and the pattern of the reservoir water body? affected by mining，providing a reference for the subse quent formulation of safety measures in Wangwa coal mine under such conditions.

Key words：coal mining under reservoirs；high intensity mining；green mining；physical simulation；water-conducting fracture zone

0引言

煤炭資源作為中國的主導(dǎo)能源，其安全高效開采是中國的重大戰(zhàn)略需求。據(jù)不完全的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國各類型水體下埋藏著近百億噸的壓煤資源[1]，對這部分優(yōu)質(zhì)水體的保護(hù)以及煤炭資源的采出是當(dāng)前亟待解決的問題之一。

在西部煤炭地下開采過程中，由于導(dǎo)水裂隙的形成，導(dǎo)致地下水的流失和地表生態(tài)惡化，通過深入研究西部礦區(qū)采動導(dǎo)水裂隙的發(fā)育規(guī)律，可以為實(shí)現(xiàn)該地區(qū)的煤炭綠色開采提供重要的指導(dǎo)[2-3]。武強(qiáng)等針對頂板突水問題，基于“三圖法”，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)煤層頂板突水過程可視化的方法，為水體下采煤安全預(yù)測提供了新途徑[4-6]；趙兵朝等基于不同開采條件和導(dǎo)水裂隙帶廣義損傷因子之間的關(guān)系，簡化了導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算方法，結(jié)果表明導(dǎo)水裂隙帶的廣義損傷因子大小與其斷裂損傷程度成正比[7-9]；孫亞軍等對大南湖礦區(qū)導(dǎo)水裂隙演化規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采裂比為13.09～15.67時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶呈“梯臺型”形態(tài)，呈“穩(wěn)定增加—波動變化—恢復(fù)穩(wěn)定”的演化過程，且導(dǎo)高影響范圍內(nèi)含水層的滲透系數(shù)達(dá)到3～5倍[10-11]；黃慶享通過實(shí)驗(yàn)對上下行裂隙發(fā)育進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明，上行裂隙的發(fā)育高度和下行裂隙的發(fā)育深度都與采高成正比，限高開采可以控制采動裂隙帶的發(fā)育，提高隔水層的穩(wěn)定性，并將采隔比作為隔水依據(jù)，分為了自然保水開采、可控保水開采和特殊保水開采三種保水采煤分類[12-14]；池明波等考慮水資源的屬性，對采動影響下礦區(qū)水資源承載力主要影響因子進(jìn)行了分析，提出了水資源承載力的評價(jià)體系，并研究了采動影響下評價(jià)指標(biāo)對礦區(qū)水資源承載力的影響規(guī)律，結(jié)果表明含水層受采動影響后變化具有明顯的周期性特征，表現(xiàn)為減小—增加—減小—恢復(fù)；隔水層位置一定時(shí)，隨著采高的增加，含水層受擾動越嚴(yán)重[15]；張杰等采用物理仿真模擬對保水開采中覆巖破壞“三帶”的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了相似材料模擬實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明在淺埋煤層開采中基巖厚度較大時(shí)覆巖垮落不是整體切落，并且存在傳統(tǒng)意義上的“三帶”；同時(shí)，揭示了采高是影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的主要因素[16-17]；來興平等采用物理相似模擬試驗(yàn)研究三軟煤層綜放工作面的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，提出了開采強(qiáng)度對庫區(qū)的影響規(guī)律，結(jié)果表明裂隙發(fā)育數(shù)量自地表而下逐漸增多，裂隙帶發(fā)育演化呈現(xiàn)出“緩慢發(fā)育—逐級漸進(jìn)升高—大幅突然升高—周期小幅升高—穩(wěn)定發(fā)育”五個階段，并得出導(dǎo)水裂隙帶高度與采高成線性關(guān)系[18]。

綜上所述，學(xué)者們對導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律以及覆巖破壞規(guī)律展開了系統(tǒng)的研究，已經(jīng)形成了大量的理論成果。然而對于水庫下這一特殊條件煤層開采，目前開采對此條件下的導(dǎo)水裂隙帶的研究仍然較少，所以對該條件下的研究尤為重要。因此，以王洼煤礦110505工作面水庫壩體下高強(qiáng)度開采為研究背景，開展了煤層開采覆裂隙演化分析和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測，為類似條件下安全開采提供借鑒與參考。

1工程概況

王洼煤礦位于寧夏回族自治區(qū)王洼鎮(zhèn)，該礦現(xiàn)核定生產(chǎn)能力為600萬t/a，目前開采5煤，煤層埋深432.81 m，平均煤厚9.08 m，屬特厚煤層，采高3 m，放煤高度6.08 m。在井田范圍西南有一處人工水庫，總庫容77萬m3，水庫位于煤礦110505工作面上方，且該區(qū)域采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，開采擾動強(qiáng)烈。礦井采掘布置及地層示意如圖1所示。

2水庫壩體下高強(qiáng)度開采覆巖裂隙演化分析

2.1物理仿真模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究水庫壩體下高強(qiáng)度開采工作面覆巖破斷移動及裂隙分布情況，以礦井鉆孔資料為依據(jù)，使用1 500 mm×1 200 mm×200 mm固液耦合試驗(yàn)平臺[19]，以河沙作為骨料，水泥和大白粉作為膠結(jié)材料，并以非親水材料作為模型主體按照一定比例配置而成[20]。通過高精度水分子測試儀、紅外成像儀[21]、全站儀和鉆孔窺視儀等設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)觀測。根據(jù)模擬試驗(yàn)相似理論，將模擬采區(qū)煤層的埋深、煤層厚度等參數(shù)[22]，結(jié)合試驗(yàn)臺幾何尺寸，選用的幾何相似常數(shù)為100，容重相似常數(shù)為1.56，滲透系數(shù)相似常數(shù)為6.4。材料模型參數(shù)及材料配比見表1，模型設(shè)計(jì)如圖2所示。

為監(jiān)測模型的沉降與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況，在模型開采過程中，選用全站儀記錄模型表面測點(diǎn)，對模型回采過程中工作面覆巖運(yùn)移進(jìn)行全方位監(jiān)測；同時(shí)運(yùn)用鉆孔窺視儀分別對位于模型中壩體下方泄洪區(qū)位置、大壩和水庫邊緣地表黃土層與水交界處進(jìn)行監(jiān)測。

2.2上覆巖層及壩體巖體運(yùn)移演化規(guī)律

王洼煤礦11采區(qū)110505工作面開采對水庫下的安全開采構(gòu)成威脅，從而影響在水庫下的安全開采?；陂_采損害理論[23-24]，通過對各個觀測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，繪制出5煤工作面開采過程中上覆巖層垮落高度、覆巖下沉及地表下沉曲線，如圖3所示。

當(dāng)工作面推進(jìn)至85～118 m時(shí)，離層現(xiàn)象明顯，后方巖層形成鉸接結(jié)構(gòu)，垮落帶高度為50 m，地表發(fā)生微弱下沉，裂隙帶向上發(fā)育；推進(jìn)至148～175 m時(shí)，頂板大面積垮落，覆巖上部形成鉸接結(jié)構(gòu)，原有下部離層逐漸閉合，產(chǎn)生新的覆巖離層，上覆巖層發(fā)生下沉但仍起著承載作用；推進(jìn)至200～223 m時(shí)，采空區(qū)被壓實(shí)，各巖層主要以彎曲下沉為主，地表下沉量猛然增加，下沉量達(dá)到4.6 m；推進(jìn)至260 m處，上覆巖層發(fā)生微弱下沉，原有下部離層逐漸閉合；由于開采煤層較厚，地表整體下沉量較大，形成“凹”型盆地，受邊界效應(yīng)導(dǎo)致左右邊界為上覆巖層未充分垮落，地表下沉量最大。

從圖4可以看出，工作面回采結(jié)束后垮落帶和裂隙帶分布明顯，覆巖大面積垮落，垮落帶高度為52.4 m，煤壁側(cè)垮落角度為64°，上覆巖層發(fā)生下沉，原有下部離層逐漸閉合。試驗(yàn)得出的王洼煤礦采空區(qū)垮落帶最大高度約為52.4 m，最大垮采比約為6.1，在理論預(yù)計(jì)范圍內(nèi)。

2.3水庫水體滲流規(guī)律

在試驗(yàn)過程中對水位和濕度進(jìn)行監(jiān)測，從圖5可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)到178 m時(shí)，水庫發(fā)生破壞導(dǎo)致地表水下滲量增大，水庫下方50 m處的濕度上升速度加快。由于導(dǎo)水裂隙帶上方形成了彎曲下沉帶，導(dǎo)致地表隔水土層發(fā)生變形和含水層潛水滲流。

當(dāng)工作面完全開挖完畢時(shí)，水庫下方50～100 m處的巖層濕度相比模型開挖前增加了575%。在試驗(yàn)過程中，用紅外成像儀以紅外色譜云圖的方式呈現(xiàn)裂隙場的發(fā)展特征。當(dāng)模型開挖完畢時(shí)，紅外溫度色譜云圖顯示上覆巖層發(fā)生了失穩(wěn)破壞，同時(shí)基巖沿著約64°的破斷角向上發(fā)展，松散含水層的水位也下降。在工作面推進(jìn)距離為0～160 m的范圍，水位均勻緩慢下降，而在推進(jìn)到172 m時(shí)，由于水庫破壞導(dǎo)致地表水下滲量增大，水庫下方處的濕度上升速度加快，濕度達(dá)到了93%。隔水層上部由于拉伸作用產(chǎn)生微小裂隙，地表水向下滲速度和壩體右側(cè)擴(kuò)散加快，待工作面推進(jìn)至210 m后，水位下降速度減緩，是由于隔水層微小裂隙重新閉合。綜上可以看出，隨工作面推進(jìn)到不同位置對地表的影響是不一致的，整個模型開挖結(jié)束后水位從50 mm下降至12 mm，下降比率為76%。

2.4覆巖裂隙發(fā)育特征

2.4.1裂隙發(fā)育數(shù)量及方位特征

為直觀地反映受采動影響后覆巖的破壞程度[25]，通過配套的K-12A鉆孔圖像軟件，可以查看和讀取孔內(nèi)裂隙的發(fā)育情況，如圖6所示。當(dāng)工作面回采結(jié)束后，1#鉆孔的裂隙發(fā)育方位角集中于170°～270°，2#鉆孔的裂隙發(fā)育方位角集中于229.5°～360°，3#鉆孔的裂隙發(fā)育方位角集中于270°～360°。綜上可以看出，1#、2#與3#鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)育方位角類似，均位于180°～360°范圍。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，該礦井由北向南推進(jìn)。分析認(rèn)為，工作面回采過程中覆巖裂隙的發(fā)育主要位于正西方向。

2.4.2地表裂隙發(fā)育特征

開采引起的沉陷影響范圍內(nèi)，工作面開采邊界外圍區(qū)域的地表會發(fā)生水平拉伸變形，并產(chǎn)生裂縫，這些裂縫最初形成于工作面周圍的水平拉伸變形區(qū)域，并隨著開采的進(jìn)行逐漸擴(kuò)展。

當(dāng)工作面回采結(jié)束后，可觀察到水庫和壩體上出現(xiàn)了水平橫向裂隙和水平豎向裂隙，其中在壩體邊坡上還出現(xiàn)了裂縫。因此，在現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)采取相應(yīng)的安全防水措施。

3不同開采強(qiáng)度下覆巖的模擬分析

為更直觀地觀測水體下不同開采強(qiáng)度三帶的時(shí)空響應(yīng)規(guī)律，在使用MIDAS和FLAC3D軟件構(gòu)建模型時(shí)，假設(shè)自重應(yīng)力場為初始應(yīng)力場，對開采后的煤體進(jìn)行了無水無壓處理。在模型構(gòu)建時(shí)參考王洼煤礦的實(shí)測資料，來確定巖體的孔隙率、滲透系數(shù)等參數(shù)。

3.1流固耦合數(shù)值模型的建立

以王洼煤礦庫區(qū)下110505工作面為地質(zhì)原型，并建立三維模型，本模型劃分為680 400個單元，煤層高度為9.08 m，煤層沿走向布置，工作面走向長度定為300 m，煤層傾角選取值為6°，建立模型如圖8所示。煤層上覆基巖423 m，含水層屬弱富水性含水層。根據(jù)井上下對照圖，沿著工作面走向進(jìn)行剖面，根據(jù)開采方式分別研究工作面開挖后覆巖塑性區(qū)、垂直應(yīng)力分布規(guī)律、覆巖位移變化、水平位移變化等變化規(guī)律。

3.2上覆巖層破壞特征模擬分析

通過觀測上覆巖層在工作面推進(jìn)過程中發(fā)生屈服破碎的范圍，進(jìn)行時(shí)間及空間上對應(yīng)的響應(yīng)特征分析。為了更加直觀體現(xiàn)上覆巖層的變形規(guī)律，采用覆巖塑性區(qū)、位移區(qū)和應(yīng)力區(qū)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，提取數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯像處理，如圖9所示。

隨著工作面的推進(jìn)至90 m，工作面頂板的塑性變形區(qū)域擴(kuò)展，采空區(qū)上方巖層的位移圖類似于一個“拱”形，圍巖不斷向上擴(kuò)展。推進(jìn)至120 m時(shí)，基本頂裂隙逐漸發(fā)展，頂板下沉量增大，并且呈不規(guī)則垮落狀態(tài)，工作面中部覆巖塑性區(qū)最大高度為92 m，端頭處頂板塑型區(qū)的最大高度為53 m，此時(shí)垮落帶高度為48 m，裂隙帶高度發(fā)育至51 m。當(dāng)工作面推進(jìn)至180 m時(shí)，工作面端頭位于壩體的左邊界，此時(shí)，導(dǎo)水裂隙的發(fā)育程度顯著增加。同時(shí)，覆巖塑性區(qū)的范圍繼續(xù)擴(kuò)大，并且形成了近乎對稱的馬鞍形狀。

工作面推進(jìn)到210 m時(shí)，煤層頂板仍處于拉應(yīng)力破壞狀態(tài)。破壞區(qū)前后寬度相對穩(wěn)定，而采空區(qū)上方的塑性區(qū)寬度已擴(kuò)大至104 m。上覆巖層破壞的范圍已經(jīng)穿透直羅組最上段的粗粒砂巖，且在水庫及壩體右側(cè)出現(xiàn)了較小塑性區(qū)域，說明此事開采擾動已經(jīng)波及到水庫和壩體，覆巖塑性區(qū)范圍近一步擴(kuò)大，塑性區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)展。工作面開采240 m時(shí)，左側(cè)塑性區(qū)發(fā)展不明顯，右側(cè)呈拱形態(tài)，剪切破壞主要在煤層推進(jìn)前端，后方基本穩(wěn)定。工作面開采300 m時(shí)，模型上部2個端部出現(xiàn)新的剪切破壞區(qū)，導(dǎo)水裂隙帶高度約168 m，裂隙擴(kuò)展至安定組底部，可能影響含水層潛水滲流。

4覆巖破壞高度現(xiàn)場實(shí)測

4.1鉆孔位置及方案設(shè)計(jì)

基于物理仿真及數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)測方案，對覆巖破壞高度進(jìn)行的判定。在工作面上方布置2個采后觀測孔，由于水庫壩體下煤層尚未進(jìn)行開采，因此將鉆孔布置在相鄰已采工作面，用以對即將開采的工作面進(jìn)行指導(dǎo)。

本次觀測采用鉆孔沖洗液漏失量法，獲取了有關(guān)采后覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況的數(shù)據(jù)[26]，為反映工作面開采后覆巖破壞的一般性規(guī)律，兩鉆孔分別相距285 m，并且位于110503工作面采空區(qū)傾向中線內(nèi)，鉆孔布置如圖10所示。

4.2探測結(jié)果與分析

鉆孔沖洗液漏失量法是目前用于采動覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度探測的最常用、最準(zhǔn)確方法。通過記錄鉆孔沖洗液漏失量和鉆孔內(nèi)水位變化，可以判斷導(dǎo)水裂縫帶的高度?，F(xiàn)場布置如圖11所示，漏失量觀測示意如圖12所示。

從圖12（a）可以看出，當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至267 m時(shí)，漏失量突然增大；鉆進(jìn)至286.60 m時(shí)沖洗液全部漏失。從圖12（b）可以看出，在鉆進(jìn)至262 m時(shí)，沖洗液的漏失量開始增大。當(dāng)孔深達(dá)到283 m時(shí)，經(jīng)過反復(fù)注水也無法使水回流。綜合巖芯地質(zhì)編錄及鉆孔窺視得到，裂隙帶發(fā)育頂界面位置在1號孔孔深的234.85 m左右，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為161.15 m，為采厚的17.9倍。

2號孔裂隙帶發(fā)育頂界面位于孔深的263.8 m左右，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為170.76 m，為采厚的19倍；5煤彎曲下沉帶發(fā)育高度已到達(dá)地表，地表受不均勻沉降產(chǎn)生拉伸裂隙。

4.3三帶高度公式修正分析

由于物理模擬、數(shù)值模擬是已經(jīng)對相關(guān)的地質(zhì)條件進(jìn)行簡化，故其所得數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)存在偏差。因此，為了得到更加準(zhǔn)確的研究數(shù)據(jù)，根據(jù)上述綜合分析，對相似物理模擬試驗(yàn)、數(shù)值模擬試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式分析和現(xiàn)場實(shí)測4組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比對象為實(shí)測最大值：垮落帶高度為47.76 m，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為170.76 m。導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為

Hm=100∑M0.49∑M+19.12±4.17（1）

Hli=100∑M0.23∑M+6.10±10.42（2）

式中Hm為垮落帶高度，m；Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；M為煤層開采厚度，取9 m。

根據(jù)導(dǎo)水裂縫帶高度公式可得，采區(qū)覆巖垮落帶高度分別為34.07、42.42 m；裂隙帶發(fā)育高度為99.74～120.57 m。

現(xiàn)對試驗(yàn)觀測值和理論計(jì)算值進(jìn)行對比分析，見表2。

從表2可以看出，經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得導(dǎo)水裂隙帶高度與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果誤差為-29.39%。為確保安全，應(yīng)將現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)中的最大值作為該礦井條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度。傳統(tǒng)“三下”規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式的垮落帶高度與導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)均明顯低于實(shí)測值，若以此進(jìn)行相關(guān)安全規(guī)程的制定將存在一定的安全隱患，通過進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬，并與實(shí)際現(xiàn)場測量值進(jìn)行比較，誤差僅為5%以下吻合度較好。運(yùn)用方差系數(shù)對傳統(tǒng)的“三下”規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行優(yōu)化，以適用于生產(chǎn)礦井的實(shí)際需求。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)差理論對導(dǎo)水裂隙帶高度與垮落帶高度進(jìn)行分析，即

σ=∑ni=1（xi-）2n（3）

式中為數(shù)據(jù)的平均數(shù)。

將上述4種方法所得數(shù)據(jù)代入式（4）分別得到垮落帶與導(dǎo)水裂隙帶的均方根誤差分別為7.86與20.01。將方差修正系數(shù)帶入到經(jīng)驗(yàn)公式，得到適用于王洼煤礦水庫壩體下高強(qiáng)度開采的導(dǎo)水裂隙帶修正公式為

Hms=100∑M（0.49∑M+19.12）k±4.17（4）

Hlis=100∑M（0.26∑M+6.88）k±11.49（5）

式中Hms為修正工作面垮落帶高度，m；Hlis為工作面導(dǎo)水裂隙帶修正高度，m；∑M為煤層累計(jì)開采厚度，m；k為方差修正系數(shù)。

綜上，在水庫壩體特厚煤層綜放開采的條件下，需要降低井下開采擾動對地表造成影響，通過現(xiàn)有手段對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。①目前充填開采作為現(xiàn)階段綠色開采的一種重要方法，適用范圍十分廣泛，但是由于王洼煤礦110505工作面位于水庫壩體之下，導(dǎo)致從地面鉆孔充填材料進(jìn)入到采空區(qū)的工程難度較大，當(dāng)從井下鋪設(shè)管路，間接導(dǎo)致礦井的生產(chǎn)成本加大，因此不適用于本礦井；②搬家倒面是最為簡單的一種處理復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層開采問題的方法，但是由于國家現(xiàn)階段對煤炭資源的嚴(yán)格管理，為了避免煤炭資源的浪費(fèi)和煤礦在經(jīng)濟(jì)上的損失，因此不可采用此方法；③限高開采作為一種不增加額外成本的開采方法，在保證煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，也保證了工作人員的安全，有效降低了導(dǎo)水裂隙帶貫通至地表，造成地表水涌入到工作面發(fā)生淹井的情況，從而達(dá)到綠色開采的目的。

通過現(xiàn)場觀測鉆孔漏失量，導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育最大為170.76 m，在導(dǎo)水裂隙帶上方形成彎曲下沉帶，并且由于彎曲下沉帶的形成，上覆巖層產(chǎn)生了離層，導(dǎo)致隔水土層發(fā)鉚釘軸剪切變形，從而致使水庫壩體產(chǎn)生變形破壞，經(jīng)過物理仿真模擬試驗(yàn)得到彎曲下沉帶上方為隔水土層，并且受開采高度的影響明顯，為避免在實(shí)際生產(chǎn)過程中因?yàn)椴筛哌^大而造成大壩與庫區(qū)水滲入地下，所以導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度不應(yīng)與隔水土層相近。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將導(dǎo)水裂隙帶安全高度控制在82.88 m，重新帶入式（5），反算得出工作面安全開采高度為2.6～4.2 m時(shí)，能夠?qū)?dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍控制在安全高度，即當(dāng)采高降低為2.6 m時(shí)，能夠使水庫水體下的隔水層能夠處于穩(wěn)定連續(xù)狀態(tài)，從而保證水庫水體的安全穩(wěn)定性，從而降低井下開采造成地面水壩大變形與水庫水涌入工作面，降低淹井事故的發(fā)生率。

根據(jù)《三下采煤規(guī)程》《保水采煤技術(shù)規(guī)范》（DB61/T 1295—2019）以及《堤防工程管理設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，結(jié)合以上對礦井三帶高度修正結(jié)果，在現(xiàn)階段的情況下，采用限高開采2.6 m的方法，在原工作面設(shè)備不變的情況下，降低煤層的采高可以有效地避免因?yàn)殚_采擾動對大壩及水體造成破壞，同時(shí)對壩體采取了預(yù)加高、防滲等措施，確保了煤礦的安全回采工作。截止目前，王洼煤礦水庫壩體下工作面已經(jīng)安全回采，回采期間水庫水量穩(wěn)定，且工作面用水量始終處于94 m3/h的安全涌水閾值內(nèi)，說明通過導(dǎo)高帶的準(zhǔn)確修正預(yù)測，能夠大大提高水體下高強(qiáng)度開采的安全性。

5結(jié)論

1）通過固液耦合物理相似模擬發(fā)現(xiàn)工作面開采后地表下沉最大值為7 m，形成了“凹”型盆地，上覆巖層受到采動影響而產(chǎn)生拉伸變形，導(dǎo)致水庫壩體發(fā)生破壞，地表水產(chǎn)生滲流，水庫下方濕度為93%，地表水下降率為76%，發(fā)現(xiàn)采高是影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的主要原因。

2）從回采期間工作面上覆巖層破壞特征及導(dǎo)水裂隙帶隨采高的變化規(guī)律分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為164 m，與物理相似模擬結(jié)果的162 m一致。但受西北地區(qū)煤層因其賦存條件不同，傳統(tǒng)“三下”規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果為120.57 m，發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果差異較大，需對其進(jìn)行修正。

3）以現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，運(yùn)用方差修正系數(shù)對傳統(tǒng)三帶公式進(jìn)行修正，當(dāng)工作面采高為2.6～4.2 m時(shí)，可以有效的控制導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。為保證水庫下隔水土層的穩(wěn)定，控制水庫水體的下滲，最終確定限高開采的工作面煤層合理開采高度為2.6 m。為王洼煤礦110505工作面的安全開采提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1]劉貴，汪義龍，高超，等.水庫水體及壩體下多煤層開采可行性分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2020，48（10）：185-191.

LIU Gui，WANG Yilong，GAO Chao，et al.Feasibility analysis of multiple coal seams mining under reservoir and dam[J].Coal Science and Technology，2020，48（10）：185-191.

[2]鞠金峰，馬祥，趙富強(qiáng)，等.東勝煤田導(dǎo)水裂隙發(fā)育及其分區(qū)特征研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2022，50（2）：202-212.

JU Jinfeng，MA Xiang，ZHAO Fuqiang，et al.Development and zoning characteristics of water-conducted fractures in Dongsheng coalfield[J].Coal Science and Technology，2022，50（2）：202-212.

[3]曹志國，李全生，董斌琦.神東礦區(qū)煤炭開采水資源保護(hù)利用技術(shù)與應(yīng)用[J].煤炭工程，2014，46（10）：162-164，168.

CAO Zhiguo，LI Quansheng，DONG Binqi.Water resource protection and utilization technology and application of coal mining in Shendong mining area[J].Coal Engineering，2014，46（10）：162-164，168.

[4]武強(qiáng)，徐華，趙穎旺，等.基于“三圖法”煤層頂板突水動態(tài)可視化預(yù)測[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016，41（12）：2968-2974.

WU Qiang，XU Hua，ZHAO Yingwang，et al.Dynamic visualization and prediction for water bursting on coalroof based on “three maps method”[J].Journal of China Coal Society，2016，41（12）：2968-2974.

[5]武強(qiáng)，許珂，張維.再論煤層頂板涌（突）水危險(xiǎn)性預(yù)測評價(jià)的“三圖-雙預(yù)測法”[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016，41（6）：1341-1347.

WU Qiang XU Ke，ZHANG Wei.Further research on “three maps-two predictions”method for prediction on coal seam roof water bursting risk[J].Journal of China Coal Society.2016，41（6）：1341-1347.

[6]武強(qiáng)，安永會，劉文崗，等.神府東勝礦區(qū)水土環(huán)境問題及其調(diào)控技術(shù)[J].煤田地質(zhì)與勘探，2005，33（3）：54-58.

WU Qiang，AN Yonghui，LIU Wengang，et al.Water-soil environment issues and its controlling technology in Shendong mining field[J].Coal Geology & Exploration.2005，33（3）：54-58.

[7]趙兵朝，劉樟榮，同超，等.覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度與開采參數(shù)的關(guān)系研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2015，32（4）：634-638.

ZHAO Bingchao，LIU Zhangrong，TONG Chao，et al.Relation between height of water flowing fractured zone and mining parameters[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2015，32（4）：634-638.

[8]趙兵朝，王守印，劉晉波，等.榆陽礦區(qū)覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（3）：343-348.

ZHAO Bingchao，WANG Shouyin，LIU Jinbo，et al.Height of water flowing fractured zone in Yuyang mining area[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2016，36（3）：343-348.

[9]趙兵朝，余學(xué)義.導(dǎo)水裂縫帶的廣義損傷因子研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39（5）：705-708.

ZHAO Bingchao，YU Xueyi.Research on broad sense damage gene of fracture zone[J].China University of Mining and Technology，2010，39（5）：705-708.

[10]徐智敏，孫亞軍，高尚，等.干旱礦區(qū)采動頂板導(dǎo)水裂隙的演化規(guī)律及保水采煤意義[J].煤炭學(xué)報(bào)，2019，44（3）：767-776.

XU Zhimin，SUN Yajun，GAO Shang，et al.Law of mining induced water conduction fissure in arid mining area and its significance in water-preserved coal mining[J].Journal of China Coal Society，2019，44（3）：767-776.

[11]孫亞軍，徐智敏，董青紅.小浪底水庫下采煤導(dǎo)水裂隙發(fā)育監(jiān)測與模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（2）：238-245.

SUN Yajun，XU Zhimin，DONG Qinghong.Monitoring and simulation research on development of water flowing fractures for coal mining under Xiaolangdi reservoir[J].Journal of China Coal Society，2009，28（2）：238-245.

[12]黃慶享.淺埋煤層覆巖隔水性與保水開采分類[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（S2）：3622-3627.

HUANG Qingxiang.Impermeability of overburden rock in shallow buried coal seam and classification of water conservation mining[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（S2）：3622-3627.

[13]黃慶享，張文忠，侯志成.固液耦合試驗(yàn)隔水層相似材料的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（S1）：2813-2818.

HUANG Qingxiang，ZHANG Wenzhong，HOU Zhicheng.Study of simulation materials of aquifuge for solid-liquid coupling[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（S1）：2813-2818.

[14]黃慶享.西部淺埋大煤田安全綠色開采巖層控制進(jìn)展與展望[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，41（3）：382．

HUANG Qingxiang.Progress and prospect of strata control in safe and green mining of large shallow coalfield in Western China[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2021，41（3）：382.

[15]池明波.我國西北礦區(qū)水資源承載力評價(jià)與科學(xué)開采規(guī)模決策[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2019.

CHI Mingbo.Evaluation of water resources carrying cpacity and decision-making of scientific coal mining scale in northwest mining area of China[D].Xuzhou：China University of Mining and Technology，2019.

[16]張杰，侯忠杰.榆樹灣淺埋煤層保水開采三帶發(fā)展規(guī)律研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，21（4）：10-13.

ZHANG Jie，HOU Zhongjie.Study on three strap in water resouces preservation in Yushuwan shallow seam mining[J].Journal of Hunan University of Science and Technology（Natural Science Edition），2006，21（4）：10-13.

[17]張杰；侯忠杰.淺埋煤層導(dǎo)水裂隙發(fā)展規(guī)律物理模擬分析[J].礦山壓力與頂板管理，2004（4）：32-34，118.

ZHANG Jie，HOU Zhongjie.The simulation experiment analysis of the shallow coal seam water fluid cracks development law[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2004（4）：32-34，118.

[18]來興平，崔峰，曹建濤，等.三軟煤層綜放工作面覆巖垮落及裂隙導(dǎo)水特征分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2017，42（1）：148-154.

LAI Xingping，CUI Feng，CAO Jiantao，et al.Analysis on characteristics of overlying rock caving and fissure conductive water in top-coal caving working face at three soft coal seam[J].Journal of China Coal Society，2017，42（1）：148-154.

[19]蔡維山.王洼煤礦綜放開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2020.

CAI Weishan.Study on development height of water conducting fractured zone in Wangwa Coal Mine[D].Xian：Journal of Xian University of Science and Technology，2020.

[20]張杰，余學(xué)義，成連華.淺煤層長壁間隔工作面隔水土層破壞機(jī)理[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，27（6）：801-804.

ZHANG Jie，YU Xueyi，CHENG Lianhua.Failure mechanism of soil layer in long wall face intermission advance in shallow seam mining[J].Journal of Liaoning Technical University（Natural Science），2008，27（6）：801-804.

[21]侯忠杰，張杰.陜北礦區(qū)開采潛水保護(hù)固液兩相耦合實(shí)驗(yàn)及分析[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，19（4）：1-5.

HOU Zhongjie，ZHANG Jie.The solid-liquid coupling two-qhase experiment and analysis of the protection of potentiona water in northern mining area of Shaanxi[J].Journal of Hunan University of Science and Technology（Natural Science Edition），2004，19（4）：1-5.

[22]張杰，何義峰.淺埋煤層群裂隙演化規(guī)律及組合承載結(jié)構(gòu)載荷研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2023，51（9）：65-76.

ZHANG Jie，HE Yifeng.Research on the evolution of mining fissures in shallow coal seam groups and the fracture support load of combined bearing structures[J].Coal Science and Technology，2023，51（9）：65-76.

[23]王路軍，曹志國，程建超，等.煤礦地下水庫壩基層間巖體破壞及突滲力學(xué)模型[J].煤炭學(xué)報(bào)，2023，48（3）：1192-1208.

WANG Lujun，CAO Zhiguo，CHENG Jianchao，et al.Failure analysis of rock strata between upper and lower coals under underground reservoir in coal mine and its critical percolation model of jumping permeability[J].Journal of China Coal Society，2023，48（3）：1192-1208.

[24]代張音，唐建新，王艷磊，等.順層巖質(zhì)斜坡開采沉陷預(yù)測模型研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36（12）：3012-3020.

DAI Zhangyin，TANG Jianxin，WANG Yanlei，et al.A model for predicting mining subsidence in bedding rock slopes[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2017，36（12）：3012-3020.

[25]來興平，張旭東，單鵬飛，等.厚松散層下三軟煤層開采覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2021，40（9）：1739-1750.

LAI Xingping，ZHANG Xudong，SHAN Pengfei，et al.Study on development law of water-conducting fractures in overlying strata of three soft coal seam mining under thick loose layers[J].Chinese Journal of Rock Mecha-nics and Engineering，2021，40（9）：1739-1750.

[26]鞠金峰，許家林，劉陽軍，等.關(guān)鍵層運(yùn)動監(jiān)測及巖移5階段規(guī)律——以紅慶河煤礦為例[J].煤炭學(xué)報(bào)，2022，47（2）：611-622.

JU Jinfeng，XU Jialin，LIU Yangjun，et al.Key strata movement monitoring during underground coal mining and its 5-stage movement law inversion：A case study in Hongqinghe mine[J].Journal of China Coal Society，2022，47（2）：611-622.

（責(zé)任編輯：劉潔）