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河流下浅埋深综放工作面安全开采控制技术

文档作者：李兴文档来源：山西潞安环保能源开发股份有限公司王庄煤矿		点击数：	更新时间： 2022年11月19日
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河流下浅埋深综放工作面安全开采控制技术
李兴
（山西潞安环保能源开发股份有限公司王庄煤矿，山西长治046031）
摘要以某煤矿为工程背景，采用经验公式预测、数值计算的方法，针对河流下浅埋煤层开采过程
中上覆岩层的垮落特点以及分布情况，重点分析了工作面推进过程中导水裂隙带的变化规律。结果表
明：在工作面的推进过程中，导水裂隙带的高度也随之变化，当工作面推进到160m 时，导水裂隙带的
高度将稳定在某一个数值。该矿在开采过程中，为了防止出现透水事故的发生，需要分析计算合理的
采高以及对导水裂隙带高度的预测和控制，从而保证了煤矿安全高效开采。
关键词浅埋煤层；河流下采煤；导水裂隙带
中图分类号：TD823.83 文献标志码：A 文章编号：1009-0797（2017）05-0012-03
某矿地质构造相对简单，属于浅埋煤层，虽然
煤层赋存条件相对稳定，但位于首采区的主要可采
煤层的多数工作面地面均被水多湖川覆盖，而在开
采过程中，由于上覆岩层的垮落产生的导水裂隙带
将工作面与地表水或含水层沟通引发的淹井事故
对煤矿的安全生产构成了最主要的威胁，所以在开
采过程中非常容易发生井下安全事故。防水煤柱的
高度控制是河流下采煤的重要一环，其最小高度一般
取不小于导水裂隙带高度与相对应保护层厚度的和。
煤层所属地层的岩性以及地质构造特点也可以影响
到河流下煤层的安全开采，分析研究开采过程中上覆
岩层冒落带和导水裂隙带的分布特点，实现防水煤柱
的合理选择，进而保证了煤矿生产的安全高效性。基
于此，笔者以某河流下浅埋煤矿综放工作面为研究
对象， 对其在采动过程中的上覆岩层的垮落规律、
隔水关键层理论以及安全采高的控制进行详细地
模拟、计算和分析，以期达到安全高效开采的目的。
1 井田水文地质概述
该煤矿井田区内地形属于典型的丘陵地带,最
高处位于西北方向K1672 号钻孔附近， 海拔标高
1582.5m；最低处位于区南部土沟河附近，海拔标高
1388.9m；最大高差193.6m。区内只有一个水库且有
散落分布的水井， 位于沟谷段煤层埋藏较浅处，是
矿井充水的主要部位。
矿井涌水量预算中渗透系数的计算可直接利
用井田G705、G510 号水文孔抽水试验成果，井田钻
孔抽水试验成果见表1。
表1 井田钻孔抽水试验数据表
综合分析可知， 本井田水文地质条件相对良
好，且主要构成为孔隙、裂隙含水层。
2 导水裂隙带发育规律
煤矿现代化2017 年第5 期总第140 期
Shallow buried deep under the rivers fully-mechanized caving mining safety
control technology
Li Xing
（Shanxi Lu'an Environmental Energy Development Co Ltd， Sanxi Changzhi 046031）
Abstract： In the engineering background of a certain coal mine, using the empirical formula prediction, the method of numerical calculation,
the shallow buried coal seam under the river the caving characteristics of the upper strata in mining process and distribution, analyzed the
changing rule of the working face advancing process feed water fracture zones. The results showed that in the process of working face advancing,
conductivity fractured zone height changes, when the working face advancing to 160 m, the height of the water transmitting fissure zone
will be stable in a certain value. The mine in mining process, in order to prevent the happening of the accident, need analysis and calculation
reasonable mining height are broken and the water flowing fractured zone height of prediction and control, to ensure the efficient mining of coal
mine safety.
Key words： Shallow buried coal seam ; Mining under the river ; Water flowing fractured zone
孔号
计算段
名称
涌水量
Q
m3/d
水位
降深S
m
含水层
厚度M
m
静水位
高度H
m
煤层底
板标高
m
水位
标高
m
钻孔
半径r
m
G705
2-3煤
以上地层
32.8 18.92 49.90 120.11 1196.41 1316.52 0.0635
G510
3-1煤
以上地层
16.5 21.60 57.24 146.53 1154.40 1300.93 0.0635
·12·
万方数据
工作面采动后，由于煤层采空区上覆岩层特别
是煤层顶板岩层离层破断运移、在煤层采空区上部
岩层中自下而上形成冒落带、裂隙带以及弯曲下沉
带，冒落带和裂隙带均属于破坏影响带，在垮落破
坏的过程中导致的离层和裂隙具有导水的作用，所
以将两者统称为导水裂隙带。弯曲下沉带将会整体
下沉， 但总体来说岩层的主要沉陷形式是整体运
移。该层岩石在运动过程中会在采空区四周形成2
组裂隙，该裂隙为剪切性质，基本呈封闭形态，所以
弯曲下沉带连续性基本未遭破坏，具有阻水作用。
在计算厚煤层综放工作面导水裂隙带高度时，
虽没有普遍公认的公式，通常采用《建筑物、水体、
铁路及主用井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的经
验公式进行初步估算（表2 为导水裂隙带高度计算
公式）， 再根据现场实测结果与估算值的比较从而
确定其高度。
表2 厚煤层开采导水裂隙带高度计算公式
由于本井田煤层倾角小于10°，有80%以上的
岩石抗压强度小于25MPa，且上覆岩层的岩性在软
弱与中硬的范围内，为了确保开采的安全性，本研
究把该煤矿主要可采煤层上覆岩层看作中硬煤层。
在表2 厚煤层综放工作面导水裂隙带高度计算公
式之一中区间正负号均按零计算。
采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设
与压煤开采规程》计算导水裂隙带高度时规定分层
开采的采高小于等于3m。为了安全起见，本研究取
2 个计算公式的最大值， 计算结果采高为3m、4m、
5m、6m、7m 时， 导水裂隙带高度分别为43.5m、
50.4m、53.6m、62.1m、72m。就可以实现不同采高下
导水裂隙带高度的科学预测，但是对导水裂隙带的
进一步确定则需要利用数值模拟软件来计算分析。
3 导水裂隙带的数值模拟分析
影响河流下安全开采的重要因素是导水裂隙
带高度的确定， 通过FLAC 软件模拟计算该煤矿在
不同采高下导水裂隙带的分布规律，从而为河流下
安全开采提供合理可靠的依据。
岩石属于脆性材料，所以载荷达到一定数值后
材料将会发生断裂破坏， 随之岩石强度进一步弱
化。本研究采用虎克- 布朗(Hoek-Brown)强度准则：
σs=σ3+（mσcσ3+sσc
2）1/2 （1）
式中，σs 为岩石最大强度时的最大主应力；σ3为最
小主应力；σc 为煤岩单轴抗压强度；m 和s 为常数。
为了实现对开采的全程模拟，在采空区冒落的
矸石可以视为松散介质。在工作面的推进过程中，
经过上覆岩层的作用，矸石呈现被压实状态，进而
材料的密度、弹性模量以及泊松比发生了显著的增
加。根据研究表明ρ、E 和ν 的变化特征采用以下
经验公式表示：
ρ=1600+800（1-e-1.25t） kg/m3 （2）
E=15+175（1-e-1.25t） MPa （3）
υ=0.05+0.2（1-e-1.25t） （4）
式中，t 的单位为年。
FLAC 软件中单元破坏的形式分别是剪切破坏
和拉伸破坏。本研究认为：若顶板单元拉伸破坏区
域呈现片状，则顶板发生垮落；若顶板仅出现剪切
破坏区域且呈片状，则顶板未垮落。故在模拟计算
时， 按每次工作面推进5m 便对数据进行记录和计
算，若工作面顶板单元未显示呈片状的拉伸破坏区
域，即视作顶板未发生垮落，然后将工作面继续推
进5m 再将数据进行分析。若顶板单元呈现出片状
拉伸破坏区域，那么视作初次来压，紧接着顶板垮落
到采空区。按同样的方法，继续将工作面推进，若顶
板单元呈现出片状拉伸破坏区域，那么视作周期来
压，紧接着顶板垮落到采空区。直至开采结束。以下
是模拟计算出的不同采高下的顶板最大主应力图。
(a)推进80m (b)推进120m (c)推进160m (d)推进200m
图1 采高为3m 工作面推进顶板最大主应力图
(a)推进80m (b)推进120m (c)推进160m (d)推进200m
图2 采高为4m 工作面推进顶板最大主应力图
图1～图3 为采高分别为3m、4m 和5m 时工作
煤矿现代化2017 年第5 期总第140 期
岩性计算公式之一（m） 计算公式之二（m）
坚硬Hli= 100ΣM
1.2ΣM+2.0 ±8.9 Hli=30√ΣM +10
中硬Hli= 100ΣM
1.6ΣM+3.6 ±5.6 Hli=20√ΣM +10
软弱Hli= 100ΣM
3.1ΣM+5.0 ±4.0 Hli=10√ΣM +5
极软弱Hli= 100ΣM
5.0ΣM+8.0 ±3.0
·13·
万方数据
（上接第11 页）
（2）工作面水体采动等级属Ⅲ类，按“三下”规
程规定，允许垮落带波及“四含”，因此留设15m 防
水煤岩柱，上限标高确定为-230m，是安全可靠的。
（3）尽管该区域地压大，采掘巷道容易变形，容
易造成冒顶，在生产中使用大断面全封闭“U”型支
护，用竹背板、双层双抗网全封闭腰帮过顶等安全
有效的技术措施，同时加强工程质量管理，只要措
施落实好， 回采9105 工作面就会杜绝出现大面积
冒顶和抽冒事故。
参考文献：
[1] 国家煤炭工业局制定.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤
柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000.
[2] 常红伟，杨本水，宣以琼. 含水层下大采高综采面缩小防
护煤柱留设研究[J]. 安徽建筑工业学院学报，2011，19
（1）：40-43.
[3] 张维峰“. 四含” 水体下留设防砂煤岩柱开采可行性研究
[J]. 中国煤田地质，2002（4）：50-51.
[4] 李玉民，康永华，高成春，等.我国水体下综放开采技术的
应用及展望[J].煤炭科学技术， 2003，31（12）：1-4.
[5] 杨本水，王丛书，阎昌银.中等含水层下留设防砂煤柱开
采的试验与研究[J].煤炭学报，2002（4）：342-346.
作者简介：
李国强（1987-），男，山西大同，2017 年毕业于大同大学
采矿工程专业，助理工程师，工作方向：采煤。
（收稿日期：2017-3-14）
面不同推进距离时顶板最大主应力的塑性区破坏
区域图。导水裂隙带高度就是最大主应力图中拉应
力和压应力的分界线。最大主应力图的分布形态是
马鞍型，导水裂隙带发育的最大值即马鞍型的最小
值，导水裂隙带的高度即导水裂隙带发育的最大值
与和煤层之间的距离。图4 反映除了导水裂隙带高
度与工作面推进距离之间的联系和变化规律，由图
可知，工作面渐次推进的过程中，导水裂隙带高度
也随之发生变化，当工作面推进到约160m 时，导水
裂隙带趋于稳定。当采高为：3m、4m、5m 时，导水裂
隙带高度分别为：45m、54m、63m。
(a)推进80m (b)推进120m (c)推进160m (d)推进200m
图3 采高为5m 工作面推进顶板最大主应力图
图4 导水裂隙带高度随工作面推进变化情况
4 结论
（1）按照规程经验公式估算该煤矿在开采过程
中，当采高分别为：3m、4m、5m、6m、7m 时，导水裂隙
带高度分别为：43.5m、50.4m、53.6m、62.1m、72m。
（2）按照FLAC3D 数值模拟计算，工作面逐渐
推进过程中， 导水裂隙带高度便随之发生变化，当
工作面推进到约160m 时，导水裂隙带趋于稳定。当
采高为：3m、4m、5m 时， 导水裂隙带高度分别为：
45m、54m、63m。
（3）通过研究高头窑煤矿开采过程中导水裂隙
带的运动规律，同时结合经验公式的预测以及数值
模拟分析等方法进行验证，为同类型浅埋深河流下
煤矿的开采提供了一定的借鉴意义， 也为制定合
理、经济、安全的防治措施提供了科学依据。
参考文献：
[1] 杜计平，汪理全.煤矿特殊开采方法[M].徐州：中国矿业
大学出版社，2011：35-80.
[2] 许延春，刘世齐.水体下综放开采的安全煤（岩）柱留设方
法研究[J].煤炭科学技术，2011，39（11）：1-4.
[3] 靳钟铭.放顶煤开采理论与技术[M].北京：煤炭工业出版
社，20010：2-90.
[4] 窦林名，邹喜正，曹胜根，等.煤矿围岩控制[M].徐州;中国
矿业大学出版社，2010：18-56.
[5] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与
压煤开采规程[S].北京：煤炭工业出版社，2000.
作者简介：
李兴（1987-），男，河南民权县人，2010 年毕业于河南理
工大学采矿工程专业，现就职于潞安集团王庄煤矿，从事采
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。（收稿日期：2017-3-1）
煤矿现代化2017 年第5 期总第140 期
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