梁庆华，男，博士，教授，主要致力于水文、地质、物探及安全工程研究工作，国家矿山局安全专家，山东省工信厅安全专家、住建厅安全专家、能源局安全专家，《矿业安全与环保》青年编委；发表论文30余篇，参编《煤矿隐蔽致灾因素普查技术指南》等专著5部；主持或参与国家纵向科研9项，主持横项项目100余项。

摘要

为研究火烧区富水情况下煤层开采安全问题，需要准确分析开采覆岩导水裂隙带发育情况。运用有限元ANSYS模拟计算，基于第一强度理论，根据上覆岩层抗拉强度值，选择第一主应力值在1.5 MPa时的曲线范围作为导水裂隙带发育高度范围，并运用井下双端堵漏法进行观测验证，较为准确。研究得出导水裂隙发育强度准则可采用第一强度理论，第一主应力值在1.5 MPa时，导水裂隙带发育曲线范围在50.17~62.13 m，上边界未与火烧区沟通，下边界存在与上覆火烧区沟通现象，即火烧区积水是开采煤层的重大水患；同时在煤层倾斜情况下，导水裂隙带发育高度上边界要大于下边界，因此计算倾斜煤层导水裂隙带发育高度时，要考虑煤层倾角的影响。

主要内容

1.  矿井概况

新疆榆树泉矿位于新疆库车县城北东15°方向的阿艾矿区榆树沟的中段，距库车县城的直线距离约55 km，南距阿格乡约25 km，东邻青岛大平滩勘查区。1013工作面位于捷斯德里克向斜西南翼，单斜构造，倾向北，倾角多为9°~13°，一般为10°左右。工作面上部存在火烧区积水，工作面顶板与烧变岩底板的层间距为103.50~120.57 m。为确保采煤安全，需开展导水裂隙带研究工作。

2.   数值模拟

2.1   计算模型

表  1  图像去雾算法对比实验结果

图  1  ANSYS计算模型

2.2   导水裂隙带计算分析

1) 位移变化情况

图  2  ANSYS分析x方向位移云图

图  3  ANSYS分析y方向位移云图

2) 计算分析

图  4  第一主应力云图

图  5  煤层顶板各岩层第一主应力变化情况

图  6  不同第一主应力值时的导水裂隙带发育曲线

3.   井下双端堵漏法测试验证

图  7  双端堵漏注水分段漏失量图

      从图 7钻孔深度方向上的漏失量可以看出，0~26 m为无漏失量阶段，主要原因为该段下伏煤层位于放水巷和运输巷之间的保护煤柱范围，属于实体煤，导水裂隙带未影响至该段；在27~44 m段，钻孔漏失量急剧增大，说明钻孔已经接近导水裂隙带马鞍形下边缘，随后漏失量相对稳定且较大，可能与该层段以粗砂岩为主，产生较多裂隙有关；在45~75 m段，漏失量变得不稳定，变化范围在3~4 L/min内，这可能与该层段粗砂岩与中砂岩互层有关；在76~87 m段，漏失量稳定在2.5~3.5 L/min；进入88 m后，漏失量急剧减小，说明钻孔可能已经接近导水裂隙带马鞍形上边缘，到90 m后降为0 L/min，说明到达马鞍形影响范围的上部。因此，依据实测分析，导水裂隙带高度测试基本能够确定为88 m×sin 35°≈50 m。这与数值模拟下边界结果50.17 m相当，说明模拟数据较为准确。

4. 结论

       1) 基于ANSYS分析，导水裂隙发育强度准则可采用第一强度理论，只要第一主应力达到岩石单向拉伸时的强度极限，即认为岩层断裂，可较好地解决煤层开采引起的顶板导水裂隙带发育形态问题。

2) 通过采用有限元ANSYS计算，根据上覆岩层抗拉强度值，选择第一主应力值在1.5 MPa时的曲线范围作为导水裂隙带发育高度范围。导水裂隙带发育曲线范围在50.17~62.13 m，上边界未与火烧区沟通，下边界存在与上覆火烧区沟通现象，即火烧区积水是开采煤层重大水患。

3) 煤层倾斜情况下，导水裂隙带发育高度上边界要大于下边界，因此计算倾斜煤层导水裂隙带发育高度时，要考虑煤层倾角的影响。采用双端堵漏方法来观测倾斜煤层导水裂隙带时，应尽量选择开采煤层上边界进行观测。