覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响.pdf

第 2 8 卷第 2期 2 0 0 9年2月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g 、 ，01 ． 28 N0． 2 F e b ． ， 2 0 0 9 覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响 许家林 一，王晓振 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 ，刘文涛 。 。 ，王志刚 ， 徐州2 2 1 0 0 8 ；2 ．中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 1 摘要采用理论分析、模拟实验和工程探测等方法，就覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响进行深入研究。 研究结果表明覆岩主关键层位置会影响顶板导水裂隙带高度，当主关键与开采煤层距离较近并小f某一临界距 离时，顶板导水裂隙带将发育至基岩项部，导水裂隙带高度明显大于按我国 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” 中的顶板导水裂隙带高度确定方法得到的结果。对导水裂隙带高度产 生影响的主关键层与开采煤层临界距离主要与煤层采高、顶板碎胀压实特性、主关键层破断块度等因素有关，可 以粗略按 7 ～1 0倍煤层采高计算该临界距离。当覆岩主关键层与开采煤层距离小于 7 ～1 0倍采高时，不能按规程 中的方法确定顶板导水裂隙带高度；当覆岩主关键层与开采煤层距离大于 7 ～1 0倍采高时，仍可按规程中的方法 确定顶板导水裂隙带高度。上述结果能很好地解释部分煤矿顶板异常突水灾害的发生机制，并指导神东矿 补连 塔煤矿 项板突水灾害防治实践，取得显著 的经济效益 。 关键词采矿工程；主关键层；导水裂隙带；顶板突水；绿色开采 中图分类号T D 3 2 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 6 9 1 5 2 0 0 9 0 2 0 3 8 00 6 EF F ECTS oF P RI MARY KlEY S TRA TUM LoC T I oN ON HEI GHT oF 、 l ， ATER FLOW I NG FRACTURE ZoNE XU J i a l i n ～ ， WANG Xi a o z h e n ～ ， LI U W e n t a o ， 2 WANG Zhi g a n g ， I ． S t a t e K e yL a b o r a t o r yo fC o a l R e s o u r c e s a n dS a f e Mi n i n g ，C h i n a U n i v e r s i tyo f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 C h i n a ；2 ． S c h o o l o f Mi n i n gE n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n ga n dT e c h n o l o g y ，Xu z h o u ，J i a n g s u 2 2 1 1 1 6 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e o r e t i c a l a n a l y s i s ， s i mu l a t i o n e x p e r i me n t a n d e n g i n e e r i n g e x p l o r a t i o n a r e a d o p t e d t o s t u d y t h e i mp a c t o f t h e l o c a t i o n o f p r i ma r y k e y s t r a t u m P KS o n t h e e v o l u t i o n r a n g e o f wa t e r fl o w i n g f r a c t u r e ． T h e fi n a l r e s u l t s h o ws t h a t ， a s t h e d i s t a n c e f r o m P KS l oc a t i o n t o c o a l s e a m i S s ho r t e r t ha n a c e r t a i n v a l u e ． t he fra c t u r e e x t e n d s t o t h e t o p o f b e d r o c k ，wh i l e t h e h e i g h t o f wa t e r fl o wi n g fra c t u r e i s o b v i o u s l y l a r g e r t h a n i t s v a l u e c a l c u l a t e d b y t h e c o n ve n t i o na l e s t i ma t i o n me t h o d b a s e d o n“ Re g u l a t i o ns of bu i l d i ng s ， wa t e r ， r a i l wa y a n d ma i n we l l l a n e l e a v i n g c o a l p i l l a r a n d p r e s s c o a l mi n i n g ” R e g u l a t i o n s f o r s h o rt ． T h e h e i g h t o f c o a l s e a m，t h e d i s p e n s a b i l i t y a n d c o mp r e s s i b i l i t y o f b r o k e n r o o f g a n g u e ， a n d t h e s i z e o f t h e b r o k e n b l o c k o f P KS a r e t h e ma i n e v a l u a t i n g f a c t o r s o f wa t e r - fl o wi n g fra c t u r e ，wh i c h a r e c o n c e me d wi t h t h e c r i t i c a l d i s t a n c e b e t we e n P KS l o c a t i o n a n d mi n i n g s e a m ．Th e c r i t i c a l v a l u e c a n b e g e n e r a l l y c o n c l u d e d i n t h e v a l u e 7一l 0 t i me s a s t h e h e i g h t o f c o a l s e a m ．As t h e d i s t a n c e f r o m P KS t o c o a l s e a m i s s h o r t e r t h a n t h e c r i t i c a l v a l u e ，t h e me t h o d b a s e d o n t h e Re g u l a t i o n s i s u n r e a s o n a b l e a s t h e d i s t a n c e fro m P KS t o c o a l s e a m i s l a r g e r t h a n t h e c r i t i c a l v a l u e ，t h e me t h o d b a s e d o n Re g u l a t i o n s i s a v a i l a b l e ． T h e r e f o r e ，t h e a b o v e r e s e a r c h r e s u l t i s t h e c e rta i n e x p l a n a t i o n t o t h e me c h a n i s m o f i r r e g u l a r wa t e r i n r u s h a e c i d e n t 收藕日期2 0 0 8 0 7 2 3 ；修回B期2 0 0 8 1 2 2 7 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项 H 2 0 0 7 C B 2 0 9 4 0 3 ；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项I N C E T 0 5 0 4 7 8 教育部博士点基金 资助项 目 2 0 0 7 0 2 9 0 5 1 3 作者简介i 1 9 6 6 一 ，男，博士，1 9 8 8年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩层移动与绿色开采方面的 教学与研究工作 E - m a i l c u mt x j l c u mt ． e d u ． c n 第 2 8卷第 2期 许家林，等． 覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响 3 8 1 i n s o me c o a l mi n e s ． T h e a c h i e v e d r e s u l t s h a v e b e e n e mp l o y e d t o c o n d u c t t h e wa t e r i n r u s h p r o t e c t i o n i n B u l i a n t a c o a l mi n e ， S h e n d o n g c o a l fie l d；me a n wh i l e ，t h e s i g n i fi c a n t b e n e fi t s h a v e b e e n o b t a i n e d ． Ke y w o r d s mi n i n g e n g i n e e r i n g ； p r i ma r y k e y s t r a t u m P S K ； w a t e r f l o wi n g f r a c t u r e ； wa t e r i n r u s h f r o m c o a l r o o fi g r e e n mi n i n g 1 引 言 岩层采动破断裂隙是煤矿突水的通道 ，采动裂 隙演化规律是判断矿井突水发生条件 、进行矿井突 水预测和制订矿井水害防治对策的重要理论基础。 许多学者B - s ] 对我国煤矿开采覆岩破坏与导水裂隙 带高度作了大量 的实测和理论研究，在大量实践基 础 上统计得 到计算顶板导水裂隙带高度 的经验 公 式，并编入规程【 2 J 中，满足了我国多数矿井条件水 体下采煤设计的要求 。尽管如此，在某些特定条件 下上述导水裂 隙带高度确定方法不能体现特殊的覆 岩结构与破断特征，导水裂隙带高度明显大于按上 述导水裂隙带高度计算方法得到的值，引起 了一些 异常突水灾害的发生[ 6 - 1 0 】 。如神东矿区补连塔煤矿 3 1 4 0 1工作面基岩厚 1 2 0 1 9 0 m，若按规程L 2 J 确定 的 项板导水裂隙带最大高度为 5 5 m，达不到基岩顶部 的砂砾含水层，不应该发生周期性的顶板突水，事 实上却连续发生了数十起工作面突水事故 ，严重影 响了工作面的正常生产【 J 们 。可 以发现，此类异常突 水灾害发生原因排除断层构造和原生裂隙发育等水 文地质因素外，主要受覆岩主关键层位置的影响。 所谓覆岩主关键层是指覆岩最上部的关键层 ，一旦 主关键层破断将引起其上部所有岩层直至地表的整 体破断和移动I 】 。本文将通过实测 、实验和理论研 究，就覆岩主关键层位置对顶板导水裂隙带高度和 顶板突水的影响进行深入研究。 2 主关键层位置对导水裂隙带高度影 响的实测研究 2 ． 1 实测方案 在神东矿 区补连塔煤矿 3 1 4 0 1工作面突水区域 采空区地面施工导水裂隙带的深度探测孔 ，采用钻 孔冲洗 液漏 失量观测 法进行导水裂隙带高度 的探 测 。钻孔冲洗液漏失量观测方法是一种传统可靠的 方法，可确定上覆岩层采动后其导水裂隙带、垮落 带发育等的深度。此方法是通过直接测定钻进过程 中的钻孔冲洗液漏失量，并结合钻孔水位、掉钻、 钻孔吸风及岩芯观察等资料来综合判定导水裂隙带 高度的一种方法。 根据补连塔煤矿 3 1 4 0 1 工作面开采期间的涌水 情况，在距切眼 2 1 6 4 m处出现最大涌水位置附近 布置 S 1 9 ，S 2 I两个探测孔。S 2 I孔距 3 1 4 0 1回顺 1 0 9 ． 3 9 m，距运顺 1 5 5 ． 4 6 m，终孔深度为 2 3 8 ． 5 5 m， 施工 日期为 2 0 0 7年 6月 1 8日～7月 1 5日。S 1 9孔 距 3 1 4 0 1回顺 l 1 9 ． 2 8 m，距运顺 1 4 5 ． 5 7 m，终孔深 度为 2 4 3 ． 6 6 m，施工 日期为 2 0 0 7年 7月 1 7日～8 月 1日。 2 1 ，S 1 9孔揭露的砾石含水层最大深度均 为 1 2 0 m。 2 ． 2 实测结果 图 1 ，2分别为 2 1 ，S 1 9钻孔冲洗液漏失量与 水位变化的实测结果。 O - 2 5 5 0 目 - 7 5 一 1 0 0 聪一1 2 5 毒 一 1 5 0 1 7 5 -- 2 0 0 - 2 2 5 - 2 5 0 巨一 一 隧一 一 撂一 1 1 1 冲洗液漏失量／ L m s 一 0 2 4 6 8 1 0 1 2 l 4 l 6 1 8 2 0 2 2 2 4 器 一 _ 一 。 a 钻孔冲洗液漏失量变化曲线 钻孔水位／ I n 0～ 1 0--2 0-3 0--4 0 5 O--6 0～7 0 8 O--9 0 b 钻孔水位 变化曲线 图 1 2 1孔冲洗液漏失量与水位变化曲线 F i g ． 1 F l u s h i n g fl u i d l e a k a g e a n d wa t e r l e v e l v a r i a t i o n c u r v e s o f b o r e h o l e S 2 l 由图 1 可知， 2 1 孔在深 9 6 ． 9 6 9 7 ． 4 6 m阶段 ， 钻孔冲 洗液消耗量 从 0 ． 0 0 6 5 L ／ s m 迅速升至 0 加如∞ ∞∞ 跗∞ ∞ 加 岩石力学与工程学报 2 0 0 9矩 音 避 ’ 冲洗液漏失量／ L m 。 s 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 f a 钻孔冲洗液漏矢量变化曲线 钻孔水位／ m 0 1 0-2 0-3 C I -4 0-5 0-6 07 08 0-9 0 【 b 、钻孔水位 变化曲线 图 2 S 1 9钻孔冲洗液漏 失量 与水位变化 曲线 Fi g． 2 Fl us hi ng flui d l e a ka g e a nd wa t e r l e ve l va r i i on c D r v e s ofb or e ho l e No．S1 9 2 9 ． 9 6 2 9 L ／ s ． m ；孔内水位则从 3 ． 8 5 m瞬间漏失至 孔底 9 7 ． 4 6 13 3 ，至此钻孔冲洗液全部漏失。经过综 合分析判断，导水裂隙带顶点的孔深为 9 7 ． 1 0 m， 由于此处的采前地面高程为 1 3 0 5 m，煤层的底板 高程为 1 0 6 1 m，即煤层采深为 2 4 4 m。考虑地表下 沉影u 向 且最大下沉按 2 ． 0 m计算，煤层采高为4 ． 4 m， S 2 1 孔导水裂隙带高度为 1 4 0 ． 5 m。 由图2可知，S 1 9 孔在深 8 6 ． 6 5 8 7 ． 9 9 m阶段， 钻孔冲洗液消耗量从 0 ． 1 2 5 L ／ s m 迅速升至 2 ． 1 6 7 L ／ s 。 m1 ；在 8 3 ． 6 5 --8 6 ． 9 9 m阶段，S l 9孔 内的水位 从 1 1 ． 4 5 m 高度瞬间漏失至孔底 8 6 ． 9 9 m，并且在 8 7 ． 1 0 m时出现持续的钻孔进风现象。经过综合分 析判断，导水裂隙带顶点的孔深为 8 6 ． 6 5 13 3 ，由于此 处的采前地面高程为 1 3 1 0 m，其煤层的底板高程为 1 0 6 3 m，即煤层采深为 2 4 7 m。考虑地表下沉影响 且最大下沉按 2 ． 0 m计算，煤层采高为 4 ． 4 m， 2 l 孔导水裂隙带高度为 1 5 3 ． 9 5 m。 上述实测结果表明，3 1 4 0 1工作面顶板突水区 域的顶板导水裂隙带高度达到 1 4 0 ． 5 4 1 5 3 ． 9 5 I l l ，远 大于按规程 中的顶板导水裂隙带高度确定方法得 到的 5 5 m。3 1 4 0 1 工作面顶板突水具有一定的周期 性，2次突水的间距为 5 0 6 0 m或是其 5 ～6倍的 距离，每次突水持续的时间较短『 1 1 j 。可见，由基岩 内发育的原生裂隙或构造沟通了上部砂砾含水层与 顶板导水裂隙带而引起 3 1 4 0 1 工作面突水的可能性 较小 。而由特殊的覆岩结构导致顶板导水裂隙带高 度发育明显偏大，引起 3 1 4 0 1 工作面突水的可能性 较大。对 3 1 4 0 1 工作面发生突水的区域与未发生突 水区域的顶板钻孔柱状进行了对比分析，采用关键 层判别软件 K S P B【 对覆岩主关键层位置进行判别 的结果如图 3所示 。 层号 厚度／ m 埋深／ m 岩性 关键层类型 备注 24 97 ．96 9 7 ．9 6 砾 岩 蠢 2 3 1 ．4 0 9 9 3 6 粗 粒 砂 岩 、 、 22 3．87 103，23 粗 粒 砂 岩 露 2 1 l0．62 ll3．85 粉 砂 岩 2 0 8 ． 8 8 1 2 2 7 3 泥质砂岩 ＼ 、 1 9 3 ． 8 6 1 2 6 ． 5 9 细粒砂岩 ＼ 1 8 5 ． 9 0 l 3 2 ．4 9 砂质泥岩 ’ 、 、 、、 一 1 7 l 2 ．9 2 1 4 5 ．4 1 粉 砂 岩 、 } _ _ 1 6 3 | 3 O 1 4 8 ． 7 1 粉砂岩 1 5 3 2 ． 7 0 1 8 l 4 1 中粒砂岩 主关键层 l 1 4 1 1 8 1 8 2 ．5 9 一 煤 1 3 0 ． 8 7 1 8 3 ． 4 6 砂质泥岩 1 2 0 ． 1 2 1 8 3 ． 5 8 1煤线 1 1 1 ．2 5 1 8 4 8 3 i砂质泥岩 1 0 0 1 0 1 8 4 ． 9 3 煤 线 9 4 ． 3 O 1 8 9 2 3 ．粉砂岩 8 2 ． 2 O 1 9 1 4 3 砂质泥岩 ‘ 7 O ． 1 1 1 9 1 ． 5 4 无号 l 6 2 ． 6 9 l 9 4 ． 2 3 砂质泥岩 5 0 ．30 l9 4 ．53 一 上 煤 7冒 4 9 ．7 8 2 0 4 ． 3 1 粉砂岩 亚关键层 3 9 ．6 O 2 1 3 ．9 l 泥岩 2 1 _ 3 2 2 1 5 ．2 3 泥岩 _ 1 5 ． 9 2 2 2 1 ． 1 5 煤 _ a 突水区域覆岩主关键层位置 层号 厚度／ m 埋深／ m 岩性 关键层类型 备注 1 4 1 1 5 ．4 5 l 1 5 ． 4 5 黄土与砾岩 l 3 2 0 0 6 1 3 5 ． 5 1 泥质粉砂岩 l 2 1 5 3 O 1 5 O ．8 1 粗 粒 砂岩 主关 键层 ＼ 、 1 1 3 1 5 1 5 3 9 6 泥质粉砂岩 1 O 8 ． 2 O 1 6 2 ． 1 6 砂质泥岩 ＼ 9 4 4 0 1 6 6 ．5 6 细粒砂岩 8 1 8 1 8 1 8 4 ． 7 4 泥质砂岩 7 l 2 ．5 0 1 9 7 ．2 4 中粒砂岩 亚关键层 ＼ 6 l 0 ．6 4 2 0 7 ．8 8 砂质泥岩 ＼ 5 8 ． 5 5 2 1 6 ．4 3 砂喷黏主岩 ＼ ＼ 4 5 ． 3 O 2 2 1 ． 7 3 细粒砂岩 、、、 3 1 0 4 7 2 3 2 ．2 0 砂质泥岩 2 1 3 ． 7 7 2 4 5 9 7 细粒 砂 岩 亚 关 键层 _ 1 4 ．7 8 2 5 0 ． 7 5 1 0 煤 ～ b 、未突水区域覆岩主关键 层位置 图 3 补连塔煤矿 3 1 4 0 1 ] _ 作面突水与未突水区域覆岩主关 键层位置 的对 比 F i g ． 3 Co mpa r i s o n o f l o c a t i o n p r i ma r y k e y s t r a t u m i n a r e a s wi t h ／ wi t h o u t wa t e r i n r u s h a t wo r k i n g f a c e 3 1 4 0 1 o f Bu l i a n t a M i n e 0 姗 瑚 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 0 加 ∞ 加 如 ∞ 舳 ∞ 第 2 8卷第 2期 许家林 ，等 ． 覆岩主关键层位置对 导水裂 隙带 高度 的影 响 3 8 3 由图 3可知，在突水 区域覆岩主关键层与煤层 距离为 3 3 ． 8 m，距离煤层相对较近 ；而在非突水区 域覆岩主关键层位置与煤层距离为 9 5 ． 2 m，距离煤 层相对较远。可见，覆岩主关键层与煤层距离会影 响顶板导水裂隙带高度，导致 S 2 I ，S 1 9孔实测导 水裂隙带高度明显偏大的原因是其主关键层与煤层 距离较近。 3 主关键层位置影响导水裂隙带高度 的实验研究 3 ． 1 实验方案 为 了进一步验证覆岩主关键层位置对导水裂 隙 带高度的影响，根据补连塔煤矿 3 1 4 0 1 工作面地质 开采条件 ，建立 2个物理实验模型。 模型 I中主关键层与煤层距离相对较近，其 中 煤层厚 3 m，主关键层厚 1 0 m，主关键层 与煤层距 离为 3 0 m，主关键层与砂砾岩含水层之间为厚度为 7 0 m的软岩，上方再铺设了 2 0 m厚的砂砾岩，其 余为厚 1 0 0 m 的砾岩含水层通过等载水压加载系统 实现均匀加载 。 模型 I I 中主关键层与煤层距离相对较远 ，其中 煤层厚 3 m，主关键层厚 1 0 m，主关键层与煤层距 离为 9 0 m，主关键层与含水层之间的软岩为 1 0 m， 上方铺设 了 2 0 m厚 的砂砾岩 ，其余厚 1 0 0 m 的砾 岩含水层通过等载水压加载系统实现均匀加载 。 图 4为实验模型示意图。采用的模型架尺寸为 2 ． 5 mx O ． 2 mx 2 ． 0 m 长 宽 高 ，将 2个模型布置在 同一个架子 内部。左侧为模型 I ，右侧为模型 I I 。 图4 主关键层位置影响导水裂隙带高度的实验模型 单位 mm F i g ． 4 P h y s i c a l s i mu l a t i o n mo d e l o f i mp a c t i o n o f p r i ma r y k e y s t rat u m l o c a t i o n o n h e i g h t o f wa t e r - fl o wi n g fr a c t u r e z o n e t rai t mm 实验采用的几何相似 比 1 2 0 0 ， 容重相似 比C r 1 2 5 ，应力相似 比 1 2 5 0 。实验采用 的材料中以砂子为骨料 ，辅料为石膏、碳酸钙 、云 母、水，其中煤层的配合 比要加入锯末 。 3 ．2 实验结果 图 5为实验结果的照片和采动裂隙素描。实验 结果表 明，当推进总长度为 2 0 0 m 时，模型 I 的导 水裂隙最大高度为 I 1 0 m；模型 I I 的导水裂隙最大 高度为 6 3 m， 模型 I 的裂隙高度 明显大于模型 I I 的 导水裂隙高度 。 a 采动裂隙发育照片 b 采动裂隙发育素描 图 5 主关键层位置影响导水裂隙发育的对比实验结果 F i g ． 5 Co mp a r i s o n o f e x p e r i me n t a l r e s u l t s o f wa t e r - fl o wi n g fra c t u r e d e v a l u a t i o n i n fl u e n c e d b y l o c a t i o n o f P KS 实验结果证 明，当覆岩主关键层与煤层距离较 近时，顶板导水裂隙高度 明显偏大 ，覆岩主关键层 位置影响顶板 导水裂隙带高度，验证了上述工程探 测的结果。 4 主关键层与煤层临界距离确定方法 上述 的实测和实验研究都证 明，覆岩主关键层 位置影响导水裂隙带高度。覆岩主关键层位置影响 导水裂隙带高度的原因在于当主关键层位于距离 开采煤层较近 的下位并小于某一临界距离时，由于 主关键层下的可压缩回转空间相对较大，主关键层 破断时结构块体的下沉量、回转量较大，使得主关 键层破断裂隙张开度较大并一直延展发育至基岩顶 部 ；相反，当主关键层与煤层距离较远 时，由于主 关键层下的可压缩回转空间较小 ，导致其破断时结 构块体的下沉量、回转量较小，裂隙张开度较小， 导水裂隙带高度发育不到基岩顶部。 具体开采条件下如何确定对导水裂隙带高度产 3 8 4 岩石力学与工程学报 2 0 0 9年 生影响的主关键层位置与开采煤层临界距离，是上 述发现应用于工程需要解决的关键问题。为此，建 立了如图 6所示的主关键层位置与裂隙张开度计算 模型。 图 6 主关键层位置与裂隙张开度模型 F i g ． 6 Mo d e l o f fra c t u r e a p e r t u r e s a n d l o c a t i o n o f P KS 由图 6所示的模型导出主关键层裂隙张开度的 计算公式为 K 二 二 1 1 上 式中 为主关键层破断裂隙张开度f m ，L为主关 键层破断块体长度 m ， S 为主关键层厚度 m ， m为 煤层采厚 m ，h为主关键层与煤层距离 m ，k p 为 主关键层下部岩层残余碎胀系数 。 假设形成导水裂隙的主关键层破断裂隙张开度 最小值为 K m ，则由式 1 可得到对导水裂隙带高度 产生影响的主关键层与开采煤层临界距离 的计 算公式为 一 h m 2 p l 由式 2 可知，对导水裂隙带高度产生影响的主 关键层与开采煤层临界距离 与煤层采高、 顶板岩 石碎胀压实特性、主关键层破断块度等因素有关。 当煤层采高越大，临界距离 越大；当主关键层破 断块度 越大，临界距离 越大；当残余碎胀系 数 越大，临界距离 越小。 对于岩石类材料其破断裂隙张开度一般只要达 到几毫米即可导水而形成导水裂隙，因此，在式 2 中L K ／ S 项的数值远小于煤层采厚 m，可以忽略不 计。砂岩类残余碎胀系数 k 一般可取 1 ． 1 ～1 ． 1 5 L 5 J ， 则式 2 可 以简化为 h 7 1 0 m 3 也就是说 ，可 以粗略按 7 ～1 0倍采高来计算对 导水裂隙带高度产生影响的主关键层与开采煤层的 临界距离。 5 工程应用 神东矿区地处毛乌素沙漠与黄土高原丘陵沟壑 区的过渡地带，属于干旱地区。沙漠覆盖层之下基 岩之上第四系的萨拉乌苏组含水层蕴藏着宝贵的潜 水，是矿区 目前开采煤层上部惟一的含水层 。神东 矿区浅埋煤层长壁开采工作面 曾发生多次涌水溃沙 灾害I l M J ，是由于覆岩为单一复合关键层结构，导 致基岩的全厚整体破断，破断裂隙直接贯通至基岩 项部乃至地表 ，其导水裂隙贯通至风积沙含水层乃 至地表。事实上，它是本文所发现 的主关键层位置 影响项板导水裂隙带高度规律的一种特例 ，即覆岩 只有邻近煤层的一层关键层。此类条件下导水裂隙 发育特征及对突水溃沙的影响 已为大家所认识，针 对此类条件顶板突水防治，神东矿 区已形成了一套 相应的防治方法。而对于覆岩有多层关键层条件， 当主关键层与煤层距离小于 7 ～1 0倍采高时，它所 引起的顶板导水裂隙带高度异常增大而引起的突水 机制，并未被大家所认识 ，导致在神东矿区补连塔 煤矿四盘区 3 1 4 0 1工作面发生异常突水灾害l 】 训 。 补连塔煤矿 四盘区 1 煤采高为 4 ． 5 1 1 1 ，按 7 ～ l 0倍采高的上限计算得到的主关键层与煤层临界 距离为 4 5 m，当主关键层与煤层距离小于 4 5 m时， 导水裂隙带高度将达到基岩顶部。采用关键层判别 软件 KS P B对 四盘区 1 煤所有 2 9 个钻孔柱状的覆 岩主关键层位置进行了判别，找出了主关键层与煤 层距离小于 4 5 m的钻孔位置，结合含水层厚度、 基 岩顶部泥岩厚度等 因素分析各钻孔所在位置存在突 水 的可能性，对 四盘区顶板突水危险区域作 出预 测『 J ⋯ 。突水危险区域预测结果已在 3 1 4 0 1 工作面的 开采实践中得到了验证。鉴于 3 1 4 0 1工作面突水引 起的顶板管理难度、疏排水资金与人力的大量投入、 产量等方面的诸多问题，补连塔煤矿于 2 0 0 7年 6 月 2 4日提出 “ 矿发 4 8号文件 ” 3 1 4 0 1 工作面进 行跳采，留设一定宽度的煤柱后重开切眼，更换为 小采高支架开采 3 1 4 0 1 工作面剩余煤量，以避免顶 板突水问题。据 3 1 4 0 1 工作面突水危险区域 的预测 结果，发现 3 1 4 0 l工作面剩余煤量段已处于顶板突 水危险区域以外。神东公司据此否定了补连塔煤矿 的跳采方案，3 1 4 0 1工作面仍然连续推采 ，后续开 采过程中，没有发生一次顶板突水，安全回采通过 第 2 8 卷第 2期 许家林 ，等．覆岩主关键层位置对导水裂隙带 高度 的影响 3 8 5 3个富水区。由此 ，避免了一次拆面搬家，不仅节 约了搬家费用，消除了跳采煤柱损失，保证 了工作 面正常回采 ，直接经济效益达到人 民币 1 ． 4 6亿元 。 6 结论 1 发现 了覆岩主关键层位置影响顶板导水裂 隙带高度 的规律 ，当主关键与开采煤层距离较近并 小于某一临界距离时，不能按规程 中的方法确定顶 板导水裂隙带高度 ，是对我国规程【 2 J 中的顶板导水 裂隙带高度确定方法的补充和完善。 2 可 以粗略按 7 ～1 0倍采高计算主关键层与 开采煤层临界距离 。通过对具体开采条件覆岩主关 键层位置进行判别，找出主关键层与开采煤层距离 小于 7 ～1 0倍采高的区域，该区域导水裂隙带高度 会发育至基岩顶部，是发生顶板突水的危险区域 。 参考文献 R e f e r e n c e s 煤炭科学研究总院北京开采所． 煤矿地表移动与覆岩破断规律及 其应用【 M】 _ 北京 煤炭工业出版社 ， 1 9 8 1 ． B e i j in g Mi n i n g I n s t i t u t e ， Ch i n a Co a l Re s e a r c h I ns t i t u t e ． Co a l mi n e s u r f a c e mo v e me n t a n d r o c k r u p t u r e rul e s a n d a p p l i c a t i o n [ M] ．B e 0 i n gC h in a C o a l I n d u s t r y P u b l i s h i n g Ho u s e ，1 9 8 1 ． i n C h i n e s e 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， 2 0 0 0 ． S t a t e B ure a u o f C o a l I n d u s t r y ． Re g u l a t i o n s o f b u i l d i n g s ，wa t e r ，r a i l wa y a n d ma i n we l l lan e le a v i n g c o a l p i l l a r and p r e s s c o a l mi n i n g [ S ] ． B e 0 i n g C h i n a C o a l I n d u s t r y P u b l i s h in g H o u s e ，2 0 0 0 ． i n C h i n e s e 刘天泉．厚松散含水层下近松散层的安全开采[ J 】 ． 煤炭科学技术， 1 9 8 6 ， 1 3 2 1 41 8 ． L I U T i a n q u a n ． S a f e e x t r a c t i o n o f n e a r s o ft l a y e r u n d e r l y i n g a t h i c k and s o ft w a t e r b e a t i n g l a y e r [ J ] ． C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，1 9 8 6 ，l 3 2 1 41 8 ． i n C h i n e s e 刘天泉． 露头煤柱优化设计理论与技术[ M] ． 北京煤炭工业出版 社 ， 1 9 9 8 ． L I U T i a n q u a n ． O p t i mu m d e s i g n and t e c hno l o g y o u t c r o p c o a l p i l l ar[ M] ． B e r i n g C h i n a C o a l I n d u s t r y P u b l i s h i n g Ho u s e ， 1 9 9 8 ． i n C h i n e s e 钱鸣高， 刘听成． 矿山压力及其控制【 M】 ．北京 煤炭工业 出版社，