aMulti-method synergistic determination of the development height of the water-conducting fractured zone in the 82,209 working face 82209工作面多方法协同确定导水断裂带（Water-Conducting Fractured Zone, WCFZ)发育高度

《Scientific Reports》：Multi-method synergistic determination of the development height of the water-conducting fractured zone in the 82,209 working face

　　

准确确定导水断裂带（Water-Conducting Fractured Zone, WCFZ)高度对于预防煤矿顶板水害至关重要。本研究以李家窑煤矿22号煤层82209近水平综采放顶煤工作面为研究对象，构建了经验公式计算、关键层理论预测、地表钻孔现场实测与数值模拟相结合的多方法协同体系。经验公式计算结果离散性较大（32.94–135.00 m），仅适用于初步估算。关键层理论预测与数值模拟结果和现场实测吻合良好，相对误差分别为0.69%–4.15%和1.36%–4.56%。最终确定的导水断裂带高度为1号钻孔64.52 m、2号钻孔113.58 m。数值模拟揭示了三阶段演化规律：初始发育、快速扩展和稳定发育。该多方法体系实现了导水断裂带的精准测定，为类似采矿条件下的水害防治提供了有价值的参考。

本研究围绕煤矿开采过程中导水断裂带（Water-Conducting Fractured Zone, WCFZ)发育高度的准确测定这一关键科学问题展开。煤层采出后，采空区顶板岩层不可避免地发生垮落与移动，形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带，其中断裂带是覆岩中主要的导水通道，能够促进周围煤岩体中的水分迁移，可能诱发突水事故。因此，采动引起的导水断裂带发育特征及其高度的准确确定，长期以来一直是矿井水害防治中的关键关注点。

当前，确定导水断裂带高度的方法主要包括现场实测、物理与数值模拟以及理论预测方法。现场实测方法涉及钻井液漏失分析、钻孔成像观测、分段堵水漏失检测以及地球物理勘探技术等；模拟方法主要包括相似材料模拟试验和数值模拟分析；理论预测方法则包括基于关键层理论识别覆岩中主关键层来估算断裂带高度，以及多因素敏感性分析、回归预测、信息熵方法和模型优化方法等。为克服单一方法分析的局限性，研究人员日益采用综合多种技术的手段来确定不同地质和采矿条件下的导水断裂带高度。研究表明，导水断裂带的发育高度和演化特征受采厚、工作面几何尺寸、覆岩结构、岩性组合以及采动应力重新分布等因素共同控制。然而，现有研究在应对近水平煤层、变采厚条件下的综采放顶煤工作面时，仍缺乏系统性的多方法协同测定方案。

基于此，研究人员以李家窑煤矿22号煤层82209工作面为具体工程背景，该工作面煤层倾角1–9°，属于近水平煤层，煤层厚度由西向东从3.62 m增至6.25 m，工作面推进长度第一阶段为617 m（面长137 m），第二阶段增至970 m（面长175 m）。针对该工作面特殊的工程地质条件，研究人员开展了理论计算、地表钻孔调查和数值模拟相结合的综合研究，旨在精确分析82209工作面导水断裂带的发育高度，为类似工作面的导水断裂带高度确定提供参考依据。

本研究采用的主要关键技术方法包括：（1）基于《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB/T 12719–2021)、中国矿业大学（北京）经验公式以及唐山煤炭研究所方法的多种规范经验公式计算；（2）基于关键层理论的覆岩硬岩层识别与破断距计算，通过自下而上的荷载传递分析确定主关键层位置，进而预测导水断裂带发育高度；（3）地表钻孔现场综合探测，包括岩心岩石质量指标(Rock Quality Designation, RQD)分析、钻孔电视观测、冲洗液漏失试验以及地球物理测井等多种手段交叉验证，钻孔1位于距终采线150 m、距52209巷道95 m、距22209巷道80 m处，钻孔2位于距开切眼227 m、距52209巷道55 m、距22209巷道80 m处；（4）基于FLAC3D的三维数值模拟，建立1070 m×237 m×210.09 m的模拟模型，采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)本构模型，分析工作面推进过程中覆岩塑性区演化及应力场变化特征。

研究结果部分，研究首先从基于规范与标准的导水断裂带高度计算展开。研究人员根据82209工作面地质条件，将覆岩归为中等坚硬岩石，采用全部垮落法管理顶板，选取适用于煤层倾角0–54°、单轴抗压强度20–40 MPa条件的经验公式进行计算。依据《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB/T 12719–2021)，垮落带高度H_m计算公式为H_m=100∑M/(4.7∑M+19)±2.2，断裂带高度H_li计算公式为H_li=100∑M/(1.6∑M+3.6)±5.6；中国矿业大学（北京）提出的综采放顶煤工作面导水断裂带高度经验公式为H_li=100∑M/(0.26∑M+6.88)±11.49；唐山煤炭研究所方法公式为H=20∑M+10。计算结果显示，不同经验公式结果差异显著，在采厚3.62 m时结果为32.94–82.40 m，采厚6.25 m时为40.36–135.00 m。由于这些公式仅考虑采厚和岩性两个因素，单独依据经验公式分析导水断裂带范围可能存在较大误差。

其次，研究开展了基于关键层理论的导水断裂带发育高度预测。研究人员通过关键层理论中的荷载计算公式，识别出22号煤层顶板硬岩层及其破断距，确定主关键层位于导水断裂带上方(7–10)M处。在工作面西部（采厚3.62 m，钻孔1位置），导水断裂带发育于主关键层4之下，预测最终发育高度为67.2 m，与钻孔1现场实测值64.52 m相比，相对误差仅4.15%。在工作面东部（采厚6.25 m，钻孔2位置），随着采厚增大，导水断裂带穿透主关键层，预测最终发育高度为112.8 m，与钻孔2现场实测值113.58 m相比，相对误差仅0.69%。

第三，研究进行了导水断裂带的地表钻孔探测。钻孔施工采用XY-4型煤田勘探钻机，配备NBB260/7泥浆泵，使用低固相钻井液闭环循环。综合采用四种现场测试手段：岩心工程地质录井分析显示，钻孔1中导水断裂带顶界发育于203.97–267.52 m深度，对应高度63.55 m，垮落带高度14.03 m；钻孔电视分析确定导水断裂带深度范围为203.23–267.52 m，高度64.29 m，垮落带高度13.60 m；冲洗液漏失及地下水位变化观测表明，在203.00 m深度处冲洗液漏失量急剧增加，253.82 m处再次出现漏失突增，据此确定垮落带高度13.70 m、导水断裂带高度64.52 m、裂采比17.82；地球物理测井分析中，密度和自然伽马曲线在203.98 m处显著波动，确定导水断裂带高度63.54 m、裂采比17.55。各现场方法测量误差均小于5%，按照最大安全原则，最终确定钻孔1处导水断裂带发育高度为64.52 m，钻孔2处为113.58 m。

第四，研究完成了导水断裂带发育高度的数值模拟。模拟模型尺寸为1070 m×237 m×210.09 m，采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)本构模型。工作面推进至40 m时，直接顶发生剪切破坏，形成最大高度16.07 m的鞍形塑性区，导水断裂带处于初始发育阶段；推进至80 m时，塑性区最大高度增至36.72 m；推进至360 m时达到充分采动，塑性区高度达峰值120.12 m，此后趋于稳定。在最终推进位置970 m处，塑性区和导水断裂带沿走向在开切眼外侧延伸40 m、终采线外侧延伸35 m，最终断裂带高度范围为67.46–120.12 m。数值模拟结果与现场实测对比：钻孔1模拟值67.46 m、实测值64.52 m、相对误差4.56%；钻孔2模拟值115.12 m、实测值113.58 m、相对误差1.36%，验证了模拟结果的可靠性。

在讨论部分，研究人员指出，不同经验公式计算的导水断裂带高度差异显著（32.94–135.00 m），GB/T 12719–2021公式对综采放顶煤工作面存在低估趋势，唐山煤炭研究所公式则过于保守，这是因为经验公式仅考虑采厚和岩性，忽略了覆岩结构、关键层分布和工作面几何形态的影响。相比之下，关键层理论预测结果与现场实测高度吻合，证实了导水断裂带的发育根本上受覆岩中硬关键层破断控制：采厚较小时（3.62 m），导水断裂带发育于主关键层之下；采厚增大至6.25 m时，裂隙穿透主关键层，导致导水断裂带高度显著增加。多手段现场测量通过交叉验证将误差控制在5%以内，有效消除了单一方法的局限性。数值模拟揭示的"初始发育—快速扩展—稳定发育"三阶段演化规律，以及侧向塑性区不对称发育特征（开切眼侧40 m、终采线侧35 m），对防水煤柱设计具有重要指导意义。研究局限性在于数值模拟未完全考虑工作面内断层和褶皱构造的影响，且未对导水断裂带动态演化过程进行实时监测。

研究结论部分翻译如下：本文采用理论计算、地表钻孔现场实测与数值模拟相结合的综合研究方法，系统研究了李家窑煤矿22号煤层82209工作面导水断裂带的发育高度。主要结论如下：（1）针对李家窑煤矿82209近水平综采放顶煤工作面的地质和采矿条件，构建了规范经验公式计算、关键层理论预测、地表钻孔多手段原位实测与数值模拟相结合的多方法协同研究体系，有效克服了单一方法确定导水断裂带发育高度的局限性，形成了采动覆岩导水断裂带高度精确测定的完整技术路径。（2）不同规范和行业经验公式计算的导水断裂带高度差异显著：依据《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB/T 12719–2021)，采厚6.25 m时计算值为40.36–51.56 m，采厚3.62 m时为32.94–44.14 m；中国矿业大学（北京）经验公式在采厚6.25 m和3.62 m时分别为84.98 m和57.77 m；唐山煤炭研究所经验公式在采厚6.25 m和3.62 m时分别达135.00 m和82.40 m。（3）通过岩心RQD分析、钻孔电视观测、冲洗液漏失试验和地球物理测井等多手段原位测量，依据最不利设计原则，最终确定钻孔1和钻孔2的导水断裂带发育高度分别为64.52 m和113.58 m。数值模拟揭示了采动导水断裂带"初始发育—快速扩展—稳定发育"的三阶段演化规律，工作面推进至360 m时达到充分采动，导水断裂带最终稳定高度为67.46–120.12 m，与现场实测结果的相对误差仅1.36%–4.56%，准确再现了导水断裂带的时空演化特征和空间分布非均质性。