陈家沟煤矿综放开采导水裂隙带高度研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 陈家沟煤矿综放开采导水裂隙带高度研究 姓名周杨 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师余学义 2011 论文题目陈家沟煤矿综放开采导水裂隙带高度研究 专 业采矿工程 硕 士 生周 杨 （签名） 指导教师余学义 （签名） 摘 要 煤层开采引起覆岩移动变形破坏形成导水裂隙，可能使位于开采影响范围内的地表 水、地下水溃入井下，不但严重危及矿井安全生产，而且严重损害矿区生态环境，在综 放开采条件下这种危害表现的更为突出。因此，深入研究覆岩破坏导水裂隙带的发育高 度和分布形态，对于提高煤炭资源回收率，保障矿井安全生产，保护矿区生态环境都具 有重要的科学研究意义和应用价值。 本文以华亭矿区陈家沟煤矿北汭河下三采区特厚煤层综放开采为研究对象，通过分 析陈家沟煤矿地质、采矿条件，开采煤层上覆岩层结构及岩性特征，隔水层、含水层物 理力学特性，影响导水裂隙带发育高度的主要因素，选择了井下仰孔双端封堵测漏方法 进行现场观测。观测结果表明，特厚煤层综放开采较其他开采方法覆岩破坏程度更为严 重，在导水裂隙带上部存在较为发育的离层空间，裂采比达到 12.53；在分析观测研究 成果的基础上，结合力学分析和数值模拟计算等研究方法，给出了导水裂隙带分布形态 和最大高度；结合三采区范围内对应地表裂隙深度探测成果，分析给出华亭矿区北汭河 下安全开采防水煤（岩）柱厚度计算方法。 研究成果为进一步深入研究特厚煤层综放开采覆岩破坏规律奠定了基础，对华亭矿 区水体下采煤具有一定指导意义。 关 键 词导水裂隙带；井下仰孔探测；综放开采；防水煤（岩）柱 研究类型应用研究 Subject Study on Fractured Zone Height in Fully-Mechanized Top-Coal Caving of Chenjiagou Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Zhou Yang Signature Supervisor Yu Xue-yi Signature ABSTRACT Movement and failure of underground-induced strata can make surface and underground water in mining scope inrush coal mine and bring enormous harm to production safety and ecological environment. This damage is more prominent in full-mechanized top-coal caving mining. So, it is great theoretical and practical value for improve the recovery rate of coal resources, protect the mine production safety and ecological environment in mining areas that in-depth study the height and distribution patterns of the fractured zone. In this paper, the research object is full-mechanized top-coal caving mining of very thick seam in 3 mining area of Chenjiagou mine in Huating coal mine. Detailed analysis the geology and mining conditions of Chenjiagou mine. Synthetically consider the lithology of overburden, mechanical properties and distribution of aquifer and aquifuge. Analysis the main factors of the height and distribution pattern of fractured zone. Combine the topographic, geological and mining conditions in Chenjiagou mine. Use the leakage measuring by the upward slant drilling plugging double-ends testing the height of fractured zone. The observation results show that the overburden damage by full-mechanized top-coal caving mining of very thick seam is more serious than other mining s; there are lots of large cracks and separation space in fractured zone; the ratio of the height of the fractured zone to the mining height is 12.53; based on the observation results, combination of mechanical analysis and numerical simulation s, shows the distribution pattern and the maximum height of the fractured zone. With the depth of surface cracks, provide the calculating ulae of water proof coal rock pillar height in Beirui river of Huating coal mine. Research results establish the base for further study in fractured zone of full-mechanized top-coal caving mining of very thick seam. It proves to possess extension application value in underwater mining of Huating coal mine. Keywords Water Flowing Fractured Zone Observation by the Upward Slant Deep Drilling Fully-Mechanized Top-Coal Caving Water Proof Coal Rock Pillar Paper type Application Research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景 煤炭工业是我国国民经济的支柱产业，近几年能源多元化已经成为发展主导，但煤 炭在我国一次能源消耗中仍占 74[1]。预计到 2011 年，中国煤炭需求量和供应能力都 将达到 33 亿 t 左右。到 21 世纪中叶以前，煤炭仍将是我国主要能源之一[2][3]。随着我 国东部地区煤炭资源的逐渐枯竭，无水体影响的煤炭资源愈趋减少，开发西部地区丰富 的优质煤炭资源，开采水体下（包括含水层下）的煤炭资源势在必行。 在我国西部地区赋存有大量的特厚煤层，例如甘肃华亭、靖远矿区、青海大通、热 水矿区、乌鲁木齐、窑街矿区等，最厚可达 140m。随着这些煤炭资源被大规模的采出， 煤层上覆岩层受到开采影响而产生应力的重新分布，必然发生破坏和移动。对地下水资 源造成极大的破坏，进而波及到地表，从而破坏了地表植被、土地资源、地表水资源等， 造成了河塘干涸、土地荒无、水土流失、河道淤积、风沙加强、地质灾害增多等一系列 的危害。加之西部地区的原生地质及生态环境十分脆弱，这无非是雪上加霜。 煤层开采引起上覆岩层的破坏和移动一般可以分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。 并且各带特征与地质、采矿等条件紧密相关。随着开采强度和深度的不断增加，覆岩破 坏规律的研究也不断提出新内容和新要求。我国有 100 多条较大的河流压煤[4]，华北、 东北、华东地区普遍盖有第四系含水层，这些地区煤田浅部开采都有在流沙下采煤的课 题[5][6]。 据原煤炭工业部初步统计， 全国 600 处国有重点煤矿中受水体威胁的矿井达 285 个，占矿井总数的 27.5，受威胁储量达数百亿吨[78]。导水裂隙带高度的研究是矿井 开采中合理确定开采边界的基础，是矿井水体下采煤安全生产的关键。对于特厚煤层矿 井的开采，合理确定其开采边界，不但是安全生产的问题，更是提高开采上限、扩大矿 井储量，延长矿井服务年限，提高经济效益的有效途径。 本文以华亭矿区为研究背景，进而对特厚煤层综放开采导水裂隙带高度进行系统分 析研究。华亭矿区内的陈家沟煤矿井田范围内有北汭水河和南汭水河两条主要地表水 体，地下开采煤层为中下侏罗统延安组含煤层中煤 5 层，平均煤层厚度 22m，煤层倾角 15～19，采用分层综放方法开采，属于大型水体下采煤。陈家沟煤矿目前开采的三 采区工作面已接近北汭河保护煤柱，经调查发现其采动已对北汭河附近的地表产生一定 影响，随着三采区后续工作面的进一步接近北汭河开采，采动产生的地表裂缝将波及到 北汭河河床，不仅给周围居民饮用水和作物灌溉带来困难，还有可能威胁到矿井的安全 生产。因此，如何在煤炭资源安全开采的同时，最大限度的保护水资源、保护生态环境， 必须在煤炭资源大规模开采之前进行深入系统地研究，为合理开采规划和设计提供宏观 西安科技大学硕士学位论文 2 决策依据，这一点对于水资源贫乏的西部地区尤为重要。 1.2 研究意义 经过多年的煤炭开采活动，煤炭资源进一步开采的条件越来越困难。今后煤炭资源 的开采势必要开采水体下面的煤炭，开采水体下压煤，对国民经济和煤炭工业本身的发 展有着重要的意义[910]。 多年以来，煤矿开采以牺牲水资源环境为代价，许多矿区地下水资源都已面临过量 开采、水质恶化的局面，可利用水资源已呈现逐渐枯竭的趋势，合理地保护矿区地下水 资源对煤矿区生态环境和资源环境保护意义重大。 解决水体下采煤的关键技术之一就是确定导水裂隙带发育最大高度。近年来，针对 厚煤层综放开采、快速推进工作面的生产技术条件进行了大量导水裂隙带高度实测及部 分理论研究，但是对特厚煤层综放开采条件下的导水裂隙带发育的研究还不够。需要深 入研究综放开采的覆岩破坏规律、不断加强预测理论与方法研究、优化水体下综放开采 工艺、完善水体下综放控水采煤技术途径[11]。而这方面的研究无论是对于特殊开采的理 论，还是对确定导水裂隙带现场探测的方法、准确获取覆岩破坏的参数及指导安全生产 都具有重要意义。 煤层开采后引起的顶板覆岩导水裂隙带破坏的高度在我国已经进行了大量的研究， 取得了常规开采条件下的经验计算公式，但是这些计算导水裂隙带高度经验公式，仅仅 适用于一次开采煤层厚度不大于 3.0m，累加开采厚度小于 15m 的限定条件。对于放顶 煤开采覆岩冒裂带高度的实验研究目前还很不成熟，虽然在彬长矿区、兖州矿区等进行 了放顶煤开采覆岩导水裂隙带观测研究，但是对于像华亭矿区特厚煤层分层放顶煤开 采，开采煤层总厚度大于 22m，在世界范围也属首例，这种条件下的覆岩导水裂隙带高 度的观测也从没实践过。 放顶煤分层开采总厚度超过 22m 条件下， 覆岩导水裂隙带破坏 高度和形态到底与一般条件下煤层开采有何区别，尤其是厚煤层开采边界效应形成的裂 缝破坏深度、范围和形态需要进行深入的研究，而深入研究的基础是导水裂隙带高度的 探测。特厚煤层综放开采覆岩导水裂隙带观测研究是华亭矿区北汭河下特厚煤层开采的 关键技术，也是水体下开采的安全保障。因此，本文研究具有重大的科学研究价值，研 究成果的应用将产生巨大的经济效益和社会效益。 1.3 国内外的研究现状及发展 1.3.1 国外研究现状 国外水体下采煤已有 100 多年历史，各主要产煤国在海下、河流下、湖泊下、含水 的松散层和含水的岩层下、人工修建的蓄水工业建筑物下、充水的巷道与采场下进行大 1 绪论 3 量的试验开采工作[12]。苏格兰是世界上第一个进行海底采矿的国家[13]，还有匈牙利、英 国、前苏联、波兰、美国、澳大利亚、南斯拉夫、日本也成功地进行了水下采煤。 匈牙利专家认为不同岩石的隔水-阻水作用不同，可选定一种标准隔水岩层（石） ， 再将其它岩石与其对比，换算成质量等效系数，算出具体条件下各种岩石组成的相对隔 水层厚度（γ）[1415]，其计算式为 at m p am      （1.1） 式中m水体与开采煤层间各种岩层的高度，m；a不可靠相对隔水层高度，定 防水煤柱时，a 取 10m；σ每种岩石与标准岩石相比较的质量等效系数；p地下水水 压力，大气压，at。 式（1.1）将上覆岩层视为整体，都起各自的阻水作用，相对扩大了隔水层高度，此 处的相对隔水层与通常讲的相对隔水层概念上有差别。采用力学计算则可以轻松的解决 这一问题。 无论是在井下开采， 还是地表建设， 近年来多采用有限元或边界元计算方法。 使这一方法从理论到应用都趋于成熟。 匈牙利还提出了计算因采动引起的回采松动带高度（h）的公式[16]   1CMh （1.2） 式中h回采松动带高度，包括采空区、冒落带及裂缝带总高度，m；η0充填率， ；M采高，m；C松动系数，单层长壁陷落法取 25；单层长壁充填法、多层冒落 法，取 20；多分层充填法，取 15。 英国煤管局认为水下采煤，顶板拉伸破坏和上覆岩层高度尤为重要，海下采煤条例 规定，用长壁陷落法，上覆岩层高度不小于 105m，其中还应有 61m 高度夹页岩的含煤 地层，M01.7m，H＝180m 时，海底最大拉伸变形不应超过 10mm/m。用房柱法实行开 采时，允许的最小采深仅为 61m，理论回采率仅 44[1718]。 前苏联规定在有隔水层存在的情况下，防水煤柱高度取 20～40 倍采高，否则，根 据覆岩中不同性质的岩层所占比例大小可取 20～60 倍采高[19-22]。 波兰规定，在含水体下的煤层露头处应留设安全煤柱，其高度是开采煤层厚度的 8 倍，这种煤柱的最小垂直厚度定为 20m。 美国规定在地表大型水体下的安全采深为 60 倍采高，此外，美国对煤柱回收提出 适合于特定水文地质条件的设计方案[2328]。 澳大利亚科利煤田采用深降强排的措施进行了松散层下采煤试验等[26]。 南斯拉夫维伦杰褐煤矿在地表水体下采用垮落或分段垮落的长壁方法采掘上覆 500m 的第四系多含水层系统的褐煤层[29]，并取得成功。 在日本海下采煤时，一般从海底至开采煤层留设 100m 作为防水煤（岩）柱不予开 西安科技大学硕士学位论文 4 采，并在浅部用风力充填[15][30]。 1.3.2 国内研究现状 我国在 20 世纪 50 年代就开始了水体下采煤的研究和实践。近几十年来，我国已在 不同条件下成功的进行了大量的开采实践，理论上也有了很大的发展，对覆岩的移动、 破坏规律有了比较深入的认识，在薄煤层、厚煤层分层开采覆岩破坏规律和水体下采煤 技术方面已经取得丰硕的成果，总体上居于世界领先水平[31]。大体分为三个阶段 60 年代以前， 国内已有水体下采煤的尝试， 此时对覆岩破坏规律的研究处于认识性 阶段，基本上是利用经验法和类比法对覆岩破坏规律进行初步预测，特点是以煤层赋 存条件为主要研究内容，方法是定性的描述与分析。 60 年代至 80 年代，大量施工了用于专门观测覆岩破坏特征的钻孔。在此基础上， 结合相似模拟技术的较快发展，根据煤层采出厚度、岩体的强度类型，总结出不同覆岩 类型条件下裂高、垮高与煤层采出厚度之间的相关关系式以指导生产。总体上此阶段仍 处于经验积累阶段，但研究方法已从定性的描述和分析向定量化研究迈出了较大一步。 80 年代至今，我国开展了许多水体下采煤的专题研究，取得了不少的突破性进展。 其特点是开始引入现代统计数学、损伤力学、断裂力学、弹塑性力学、流变力学等理 论及计算机技术；在确定覆岩破坏高度的方法上除了传统的“钻孔冲洗液法”外，近年 来还发展了各种探测手段，如电测深法、浅层地震法、无线电波钻孔透视法、超声成 像测井法、微震监测法、彩色钻孔电视探测法等；研究内容更广泛除重点研究地质构 造、地层岩性、水文地质特征、岩体结构等地质条件外，还广泛研究了与覆岩移动变形 有关的原岩应力场。在深入研究岩体力学特征、时间效应的基础上，对裂缝带的演变过 程进行动态的分析；广泛应用物理模拟和数值模拟方法。使研究的深度不仅局限于覆岩 移动变形、破坏现象等方面，而且从覆岩变形破坏过程影响因素等方面探讨导水裂隙带 的形成机理，在此基础上进行有效的预测。 （1）观测方法 ①钻孔冲洗液法 钻孔冲洗液消耗量观测法是通过直接测定钻进过程中的钻孔冲洗液消耗量、钻孔水 位、钻进速度、卡钻、掉钻、钻孔吸风、岩芯观察及地质描述等资料，综合判定垮落带 和导水裂隙带高度及其破坏特征的一种方法。 导水裂隙带高度主要是根据钻孔冲洗液消 耗量及周围岩体特别是上覆岩体发生破坏和钻孔水位观测等结果加以确定，垮落带高度 则主要是根据钻进异常现象加以确定。 陈秀友等[32]利用钻孔冲洗液观测方法得到了祁东煤矿 3224 工作面导水裂隙带发育 高度为 46～72.18m。范立民等[33]利用钻孔冲洗液法对大柳塔 1203 总采面进行两带高度 观测，确定发育导水裂隙带发育高度为 42.78m，部分宽大裂缝发育到地表。王世东等[34] 1 绪论 5 在霍洛湾煤矿 22101 工作面通过钻孔冲洗液漏失量现场观测，分析导水裂隙带高度为 34.98m。 钻孔冲洗液法的主要优点是简单、易操作、可靠、实用、观测数据较能反映实际导 水情况，仍是获取垮落带和导水裂隙带高度及特征的基本方法。缺点主要是在某些原岩 裂隙发育的地区往往不能取得可靠数据，对把握观测时机的要求较高。 ②井下仰孔双端封堵测漏法 该技术方法是在煤矿井下采煤工作面周围选择合适的观测场所，例如可在相邻工作 面的区段平巷或所测工作面的停采线或开切眼以外的巷道中开掘钻场，向采空区上方打 仰斜钻孔。钻孔应避开冒落带而斜穿裂隙带，达到预计的裂隙带顶界以上一定高度。使 用“钻孔双端封堵测漏装置”沿钻孔进行分段封堵注水，测定钻孔各段水的漏失流量， 以此了解岩石的破裂松动情况，确定导水裂隙带的上界高度。 李艳波等[35]在沈家湾煤矿 2666 工作面应用井下仰孔注水测漏法实测了覆岩导水裂 隙带最大高度约为 41.4m。邢延团等[36]分析许厂煤矿 1302 上工作面地质开采条件，选 择井下仰孔测漏法探测导水裂隙带最大发育高对约为 51.3m，同时预计导水裂隙带形态 为两边高中间低的“马鞍型” 。景继东等[37]采用仰孔注水测漏法得到华丰矿深部 4 煤开 采时导水裂隙带最大高度约为 130m。 该方法具有“精度高、工程量少、投资省、观测效果明显”等优点，具有较普遍的 适用性和推广意义，观测设备结构简单、操作方便，易于现场井下应用，所获资料可靠。 ③微地震监测 当地下岩石由于人为因素或自然因素发生破裂、移动时，会产生一种微弱的地震波 向周围传播，利用在空间上不同方位设置的微地震传感器，可以记录这些微地震波的到 达时间、传播方向等信息，然后通过有关计算方法确定岩石破裂点（面） ，即震源的空 间位置。利用高灵敏度三分量地震检波器可以接受并记录这些微地震信号，并分析、确 定出包括震源破裂的时间、位置、能量和震源机制（剪切断裂或张性断裂）等特征，从 而可以实现回采工作面两带发育的长期动态连续监测。 汪华君在[38]鲁西煤矿 3上107 工作面采用 MS 监测技术对覆岩导水裂隙带高度进行 研究，监测得到导水裂隙带最大高度约为 25m。张兴民等[39]应用微地震技术对山东兖州 兴隆庄煤矿进行“两带”高度进行观测，作者认为导水裂隙带高度一般产生在事件分布 密集区，即微地震事件密集区高度在 45～95m。 与传统技术相比，微震定位监测具有远距离、动态、三维、实时监测的特点，还可 以根据震源情况确定破裂尺度和性质。利用微地震技术进行两带监测具有周期短、费用 低、成果可靠，并且可实现三维空间连续、动态监测等特点。 ④声波 CT 探测 声波层析成像方法[40]是地球物理勘探技术、数字计算技术、计算机图形技术相结合 西安科技大学硕士学位论文 6 的产物。利用声波仪在物体外部测量得到的物理场量，通过特殊的数字处理技术，重现 物体内部物性或状态参数的分布图象，从而解决有关的工程技术问题。其基本原理就是 利用不同的岩层具有不同的波阻抗并对声波具有不同的反射能力的特点，通过向钻孔孔 壁发射超声波脉冲并接收反射声波，然后根据反射声波的强弱变化所提供的岩层裂隙发 育特征等地质信息，再结合裂隙发育特征及变化规律，判定导水裂隙带顶点的位置。钻 孔数字超声成像法是根据裂隙可以吸收声阻抗而使其反射信号减弱，并在图像上出现异 常的特点，测定和解释裂隙发育的位置和形态。 这种方法所获得的资料比较直观，同其他方法相配合，可以对裂缝是否与采空区导 通做出正确判断，因而可以很好地揭示岩层破坏特征和更加准确地判定导水裂隙带高 度， 尤其是有助于解决在原岩裂隙较发育的覆岩中， 准确测定导水裂缝带高度这一难题。 ⑤电阻率法 目前电阻率成像技术主要应用在普通直流电法层析成像、高密度直流电法层析成 像、微电阻率层析成像测井、岩样电阻率成像系统研究等方面。从方法上主要分为直流 电法电阻率成像和测井电阻率成像。其中直流电法又分为普通直流电法层析成像和高密 度直流电法层析成像；测井电阻率成像又分为孔-孔、孔-地成像两种[41]。 采空区上方岩层在重力作用下发生塌陷形变，致使岩层破碎和出现大量的裂隙，地 下水便沿岩层和裂隙向采空区汇集。地下水在流动过程中会溶解大量的电解质，在水解 作用下，使岩层中的硫、铁离子等呈游离状态存在。因此，在形变后的采空区上方岩石 及地层会出现比正常围岩电阻率低的低阻特征。而刚刚采动出现的冒落带及裂隙带，由 于离层现象相对于围岩来说电阻率高，形变越大，电阻率越高。当随着极距的增大，探 测深度逐渐加深，以达到测量不同深度的视电阻率，当裂隙带不充水时出现高阻特征， 充水时出现低阻特征，据此分辨采空区的不同形变分带[42]。 高密度电法是在普通电法装置的基础上，进行高密度的数据采集，使每次采集的数 据足以形成一个视电阻率剖面。通过单个或多个剖面数据的分析处理，可以得到较密集 的电信息，从而反映出地下地质体。超高密度电阻率法是高密度电阻率法的一个变种， 就其原理而言，同样与常规电法完全相同，仍然以岩石、矿石的电性差异为基础，通过 观测和研究，人工建立稳定电场的分布规律，采用专门的仪器设备，来观测岩土体的电 性变化，从而解决水文、环境和工程等地质问题。超高密度电法还打破常规电法数据采 集模式，如双极、WENNER 模式等等，而用全自动，全组合的数据采集方式，使在同 样电极数的情况下，采集的数据将超过常规方式的十倍以上，而无须顾及各种不同的数 据采集方式和它们的优缺点[43]。 申宝宏，孔庆军[44]对兖州杨村煤矿采用瞬变电磁法探测“两带”高度，深部区段裂 高采厚比为 8.6～9.69，浅部采区裂高采厚比为 6.25～8.13。李焕春[42]采用高密度高分辨 电阻率法在东庞矿 2101 工作面采空区“三带”进行探测研究，裂隙带高度约为 22m。 1 绪论 7 （2）经验公式 经验公式预计主要是在准确地分析判断矿区覆岩结构类型的基础上， 利用 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 ）中的经验公式计 算得出导水裂隙带高度。 规程中规定若煤层覆岩为坚硬、中硬、软弱和极软弱岩层或其互层时，厚煤 层分层开采的导水裂隙带最大高度（Hf）可选用表 1.1 中的经验公式计算。 表表 1.1 导水裂隙带最大高度的统计经验计算公式导水裂隙带最大高度的统计经验计算公式 岩 性 计算公式之一 Hf/m 计算公式之二 Hf/m 坚 硬 9 . 8 0 . 22 . 1 100     m m H f 1030 mHf 中 硬 6 . 5 6 . 36 . 1 100     m m H f 1020 mHf 软 弱 0 . 4 0 . 51 . 3 100     m m H f 1010 mHf 极软弱 0 . 3 0 . 80 . 5 100     m m H f 急倾斜矿层，当煤层顶板为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层时，急倾斜矿 层开采形成的冒落带和导水裂隙带最大高度（Hc、Hf）的统计经验公式列于表 1.2 中。 式中 h 为开采阶段垂高。 表表 1.2 急倾斜矿层开采跨落带和导水裂隙带最大高度的统计经验计算公式急倾斜矿层开采跨落带和导水裂隙带最大高度的统计经验计算公式 覆岩岩性 垮落带高度 Hc/m 导水裂隙带高度 Hf/m 坚硬 0.4 0.5 cff HHH 4 . 8 1331 . 4 100    h mh H f 中硬、软弱 0.4 0.5 cff HHH 3 . 7 2935 . 7 100    h mh H f （3）实验模拟方法 实验模拟方法作为一种研究方法，在现代自然科学和技术的各个领域中获得了广泛 的应用。 在研究采矿工程问题中， 研究对象的尺寸往往很大， 通常采用比例缩小的系统， 也就是减小研究对象的绝对尺寸。按照模型原理，模拟研究分为物理模拟和数值模拟两 种类型。 ①物理模拟是指基本现象相同情况下的模拟。即模型与原型的所有物理量相同，物 理本质一致，区别只在于各物理量的大小比例不同。因此，物理模拟也可以说成是保持 物理本质一致的模拟。 西安科技大学硕士学位论文 8 ②数值计算模拟方法是随着计算机技术广泛应用而形成的一种分析计算方法，包括 有限元法、边界元法、离散元法，有限差分法等。 有限元法[4546]出现于 20 世纪中期，使经典力学解析方法难以解决的工程力学问题 可以采用有限元方法求解。它是基于最小总势能变分原理，能方便的处理各种非线性问 题，能灵活的模拟工程中复杂的施工过程，因而是目前工程技术领域中实用性最强、应 用最为广泛的数值模拟方法，比较著名的有限元程序有 SAP5、ADINA、RFPA 等。 边界元法[4648]是求解边界问题的一种数值方法。 它把边值问题归结为求解边界积分 方程问题，在边界上划分单元，求边界积分方程的数值解，进而求出区域内任意点的场 变量， 故又称边界积分方程法。 主要缺点在于， 边界元法对于多种介质构成的计算区域， 未知数将会有明显增加，当进行非线性或弹塑性分析时，为调整内部不平衡力，需要在 计算域内剖分单元，这时边界元法就不如有限元法灵活自如了。 离散元法是一种不连续介质数值分析法。它既能模拟块体受力后的运动，又能模拟 块体本身变形状态[46]。其基本原理是建立在最基本的牛顿第二定律上。以每个单元刚体 运动方程为基础，建立描述整个系统运动的显式方程组之后，根据牛顿第二运动定律和 相应的本构模型，以动力松弛法进行迭代计算，可以形象直接的反映岩体运动变化的立 场、位移场、速度场等各种力学参数的变化。比较著名的离散元程序有 ITASCA 公司的 UDEC、3DEC 等。 有限差分法的基本思想是将待解决问题的基本方程和边界条件（一般为微分方程） 近似的用差分代数方程来表示， 即由有一定规则的空间离散点处的场变量 （应力、 位移） 的代数表达式代替，从而把求解微分方程的问题转化为求解代数方程的问题[46]。有限差 分法原理简单，可以处理一次而相当复杂的问题，应用范围很广。 综上所述，国内外专家学者对导水裂隙带高度已经进行了大量的研究，研究方法包 括现场观测、经验公式计算和实验模拟方法。 首先现场探测方面，超声成像及数字测井法、超声波穿透法、钻孔 CT 及电法等属 于利用声、电、磁场波在不同构造的岩层介质（包括节理裂隙、空穴、断裂）的连续性 的物性变化分析确定。这些方法一般情况下仅用于作为辅助预测方法，同时影响这些方 法性能的因素除了岩层的结构和性质外还有很多因素，有时分析结果往往受很多不确定 性影响，而结果误差较大。钻孔冲洗液法和井下仰孔双端封堵测漏法都属于钻孔法，区 别在于前者在地表观测，相应的适应于地表地形平坦，煤层埋藏深度较小的环境，后者 则是在井下进行观测，适应范围较广，尤其适合在埋藏深、采厚大的条件。 其次经验公式计算方面，主要依据规程中的规定，依据经验和覆岩岩性对比， 类推研究区的导水裂隙带高度。值得注意的是 规程中的导水裂隙带高度的预测公 式只适应于单层采厚小于 1.0m～3.0m，累计采厚不超过 15m 的条件，而随着煤炭开采 技术水平的提高和发展，出现了分层综采、分层综放、厚煤层综放开采、厚煤层一次采 1 绪论 9 全高及快速推进高产高效的新采煤技术。 规程中的经验公式不再完全适用，进而有 必要对其进行新的探讨和研究，获得在新型采煤方法条件下导水裂隙带的发育规律及导 水裂隙带高度的预测公式。 1.4 研究的主要内容 （1）借鉴前人的研究成果，分析导水裂隙带的形成过程，归纳和分析影响导水裂 隙带发育高度的主要因素。 （2）通过对开采区地质地形、采矿、覆岩岩性等条件分析，选用适合于陈家沟煤 矿地质、采矿条件的导水裂隙带观测设备，设计观测方案，进行现场探测试验，确定导 水裂隙带发育高度。 （3）在分析陈家沟煤矿地质、采矿条件的基础上，应用力学变形分析法，分析计 算开采后覆岩导水裂隙带发育高度。 （4）结合井下仰孔观测成果，应用数值计算模拟方法，模拟计算分析陈家沟煤矿 导水裂隙带发展过程及其分布规律。 （5）依据防水煤（岩）柱留设厚度原则，综合分析陈家沟煤矿导水裂隙带发育高 度，结合地表裂缝深度探测结果，给出适合华亭矿区北汭河下开采的防水煤（岩）柱厚 度计算公式，为生产实践提供可靠依据。 1.5 技术路线 针对甘肃华亭矿区陈家沟煤矿地质、 采矿条件实例分析， 应用现场观测、 力学分析、 数值分析相结合的方法，得到甘肃华亭矿区陈家煤沟矿煤层开采后上覆岩层破坏形态、 范围及规律，并利用相关规律、技术的研究结论及已有研究成果指导实践工作。 研究的主要技术路线如图 1.1 所示 西安科技大学硕士学位论文 10 图 1.1 技术路线 总结导水裂隙带发育规律 分析研究区域地质、采矿资料 确定导水裂隙带观测方法 数值模拟 现场探测 力学分析 确定导水裂隙带高度和形态 地表裂缝深度探测 防水煤（岩）柱厚度 2 研究区概况 11 2 研究区概况 2.1 地形地貌 华亭煤田位于甘肃省华亭县，地理坐标约北纬 3510′，东经 10640′。北距平 凉 45km，经安口至平凉公路行程约为 80km，东距安口 20km，南距宝鸡 157km，均有 公路相通。陈家沟煤矿位于华亭煤田西部，地处于黄土高原，六盘山区与陕甘宁高原的 过渡带内。井田内除中西部和东南缘可划分出带状冲积河谷区外，其余皆呈现为黄土及 岩石组成的低山丘陵地貌景观。井田范围内西北部地势高，东南部地势低，山地地形复 杂，海拔标高1400～1650m，相对高差 100～200m。沟壑发育强烈，山体地表沟谷深 十几至几十米。山地坡度 10～25，一些陡峭山坡甚至超过 45，表土和风化基岩崩坍 滑落致使多处基岩出现裸露。区内河流河谷宽阔，居民点和工业设施均建立在各级阶地 上。属大陆性季风气候，日照充足，昼夜温差大，年降雨量少而且集中在夏秋季节。植 被以农田作物和荒草灌木为主，森林覆盖稀少。矿井附近地区经济以农业为主，畜牧活 动比较少，工业有采煤、建材和电力等。井田范围内山地多为荒山，山地植被多为荒草 和少量低矮灌木，水土流失严重。 2.2 地质特征 华亭煤田位于鄂尔多斯（陕甘宁）盆地的西南缘，地层属华北地层区，陕甘宁盆缘 地层分区，平凉～永寿地层小区。陈家沟井田位于华亭向斜的西南翼，煤系地层成一个 倾伏向斜构造，岩层倾向北东，浅部地层倾角大，约 30～70，深部平缓，倾角 10左 右。陈家沟井田范围内地质构造简单，为一个宽缓的倾伏向斜。断裂构造不发育，在煤 田的西部边缘，井田范围之外有走向近南北方向的唐家山断层（F3） ，属于高角度压性 逆断层，断层切割了华亭向斜北段。井田内仅有陈家沟断层（F2） ，属于压扭性平移断 裂。井田内未发现其它大的断裂构造。陈家沟煤矿井田范围内未发现岩浆侵入体和变质 岩地层。井田地质构造分布见图 2.1。 井田地层由新至老主要有第四系全新统、上第三系、中下侏罗统、下侏罗统和上 三迭统，现分述如下 （1）第四系全新统 第四系黄土覆盖层厚度一般为 5～20m 黄土状粉土， 为非自重湿陷性、 高压缩性土， 承载力特征值为 120kPa。卵石，厚 1.70m，稍密，承载力特征值为 400kPa。华亭煤田陈 家沟煤矿三采区对应地表为黄土覆盖沟壑地貌， 采区横穿大阴沟、 田洼山山顶、 谢家沟、 唐家沟、狼沟、狼沟嘴等山梁及山腰地段。 西安科技大学硕士学位论文 12 图 2.1 陈家沟煤矿井田地质构造示意图 （2）上第三系甘肃群 该地层埋深在 2.70～138.50m，总厚 135.8m。其中岩体结构为层状，围岩工程地质 分类为稳定性较差，围岩类别为丙Ⅱ类的泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩， 厚 87.80m；其它为散体状和碎裂状，不稳定，丁类的砂砾岩、含砾粗砂岩、中砂岩、细 砂岩和表层强风化壳破碎带的泥岩，厚 48.00m。 泥岩共 9 层，总厚 36.40m，层厚 0.60～11.90m。单轴饱和抗压强度平均 0.75Mpa， 均小于 5MPa；普氏系数平均 0.41，均小于 3；可划分为极软岩石。软化系数平均 0.076， 属于耐风化、水浸能力差的岩石。 砂质泥岩共 3 层，总厚 46.70m。层厚 8.80～20.10m。单轴饱和抗压强度平均 0.83MPa；普氏系数平均 0.48；为极软岩石。软化系数平均 0.05；属于耐风化、水浸能 力差的岩石。该岩体结构为层状结构，饱和抗压强度 0.83MPa，属稳定性较差，丙Ⅱ类 围岩。 粉砂质泥岩共 3 层，总厚 8.16m。层厚 1.40～3.80m。单轴饱和抗压强度平均 0.31MPa；普氏系数平均 0.22；为极软岩石。软化系数平均 0.06，属于耐风化、水浸能 力差的岩石。岩体结构为层状结构，属稳定性较差，丙Ⅱ类围岩。 泥质粉砂岩共 1 层，厚 1.40m。含水率 9.14。天然状态抗压强度 3.64MPa