五溝煤礦開采煤層上覆巖土體地質(zhì)特征與防水煤巖柱留設(shè)策略探究一、引言1.1研究背景與意義煤炭作為我國重要的基礎(chǔ)能源，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著舉足輕重的地位。五溝煤礦作為煤炭生產(chǎn)的重要基地，其開采活動(dòng)對(duì)于滿足能源需求、推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有關(guān)鍵作用。然而，五溝煤礦在開采過程中面臨著一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中上覆巖土體的復(fù)雜特性以及防水問題尤為突出，這些問題不僅嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)，還對(duì)資源的合理開發(fā)利用構(gòu)成了巨大障礙。五溝煤礦主采煤層上方覆蓋著約270m厚的松散層，特別是底部平均厚20.7m的第四系砂、礫石含水層，直接覆蓋在開采煤系露頭之上，對(duì)煤系地層進(jìn)行直接滲透補(bǔ)給，給淺部煤層的安全開采帶來明顯威脅。若在開采過程中對(duì)上覆巖土體的地質(zhì)特征認(rèn)識(shí)不足，未能準(zhǔn)確掌握其巖性、厚度、水理特性及滲透性等關(guān)鍵信息，就無法采取有效的支護(hù)和加固措施，極易引發(fā)頂板垮塌、地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，不僅會(huì)導(dǎo)致煤炭資源的浪費(fèi)，還可能造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重影響煤礦的正常生產(chǎn)秩序。同時(shí)，防水問題也是五溝煤礦開采過程中不容忽視的重要環(huán)節(jié)。防水煤巖柱作為防止水體潰入礦井的關(guān)鍵屏障，其合理留設(shè)至關(guān)重要。若防水煤巖柱留設(shè)不合理，過小時(shí)，無法有效阻擋上覆水體的涌入，可能引發(fā)礦井突水事故，淹沒礦井，破壞生產(chǎn)設(shè)備，威脅礦工生命安全；過大時(shí)，則會(huì)造成大量煤炭資源被呆滯，降低煤炭資源回收率，影響煤礦的經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)發(fā)展。因此，科學(xué)合理地留設(shè)防水煤巖柱，對(duì)于保障礦井安全生產(chǎn)和提高煤炭資源利用率具有不可替代的作用。鑒于此，深入研究五溝煤礦開采煤層上覆巖土體綜合地質(zhì)特征及防水煤巖柱留設(shè)問題具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過全面、系統(tǒng)地分析上覆巖土體的地質(zhì)特征，可以為煤礦開采提供準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)，有助于優(yōu)化開采方案，合理選擇開采工藝和支護(hù)方式，有效預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，確保煤礦開采的安全進(jìn)行。同時(shí)，通過對(duì)防水煤巖柱留設(shè)問題的深入研究，能夠制定出科學(xué)合理的留設(shè)方案，在保障礦井安全的前提下，最大限度地提高煤炭資源回收率，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的可持續(xù)開發(fā)利用，為五溝煤礦的長期穩(wěn)定發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為類似條件下的煤礦開采提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)借鑒和理論支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在巖土體地質(zhì)特征分析方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。國外在巖土體的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性等基礎(chǔ)理論研究較為深入，如通過先進(jìn)的微觀測(cè)試技術(shù)，像掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等，對(duì)巖土體的孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒排列等微觀特征展開研究，從而深入理解其物理力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)在機(jī)制。在巖土體力學(xué)特性研究中，建立了眾多復(fù)雜且精細(xì)的本構(gòu)模型，用以描述巖土體在不同應(yīng)力條件下的變形和強(qiáng)度特性。國內(nèi)學(xué)者則緊密結(jié)合工程實(shí)際，在巖土體工程地質(zhì)分類、區(qū)域巖土體特征研究等方面成果豐碩。例如，針對(duì)不同地區(qū)的巖土體，依據(jù)其成因、巖性、結(jié)構(gòu)等特征，進(jìn)行了系統(tǒng)的工程地質(zhì)分類，為工程建設(shè)提供了針對(duì)性的指導(dǎo)。在區(qū)域巖土體特征研究中，詳細(xì)分析了不同區(qū)域巖土體的特性差異，以及這些差異對(duì)工程建設(shè)的影響。在防水煤巖柱留設(shè)方面，國外研究起步較早，早期主要基于經(jīng)驗(yàn)公式和工程類比法來確定防水煤巖柱的尺寸。隨著科技的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)逐漸應(yīng)用于防水煤巖柱的研究，通過建立三維數(shù)值模型，模擬開采過程中覆巖的變形破壞和滲流場(chǎng)變化，從而更加準(zhǔn)確地確定防水煤巖柱的合理尺寸。國內(nèi)在防水煤巖柱留設(shè)研究方面，同樣取得了顯著進(jìn)展。一方面，對(duì)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了改進(jìn)和完善，使其更符合我國煤礦的實(shí)際地質(zhì)條件；另一方面，綜合運(yùn)用多種技術(shù)手段，如相似材料模擬、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等，對(duì)防水煤巖柱的留設(shè)進(jìn)行了深入研究。例如，通過相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，直觀地觀察開采過程中覆巖的破壞形態(tài)和移動(dòng)規(guī)律，為防水煤巖柱的留設(shè)提供了重要的參考依據(jù)。盡管國內(nèi)外在巖土體地質(zhì)特征分析和防水煤巖柱留設(shè)方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。在巖土體地質(zhì)特征分析方面，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下巖土體的多場(chǎng)耦合特性研究還不夠深入，如在高地應(yīng)力、高溫、高滲透壓等極端條件下，巖土體的力學(xué)、熱學(xué)、滲流等特性的相互作用機(jī)制尚不完全清楚。在防水煤巖柱留設(shè)方面，現(xiàn)有的研究方法在考慮開采過程中的動(dòng)態(tài)變化因素時(shí)還存在一定的局限性，如開采順序、開采速度等因素對(duì)防水煤巖柱穩(wěn)定性的影響研究還不夠系統(tǒng)。此外，針對(duì)五溝煤礦這種具有特定地質(zhì)條件的研究還相對(duì)較少，缺乏針對(duì)性的研究成果。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究將圍繞五溝煤礦開采煤層上覆巖土體綜合地質(zhì)特征及防水煤巖柱留設(shè)問題展開，主要內(nèi)容如下：上覆巖土體地質(zhì)特征分析：全面收集五溝煤礦井田內(nèi)的地質(zhì)資料，運(yùn)用地質(zhì)勘查、巖土測(cè)試等手段，深入分析“三隔”“四含”、基巖風(fēng)化帶等的巖性、厚度、水理特性、滲透性等。詳細(xì)研究巖土體的礦物成分、顆粒級(jí)配、孔隙結(jié)構(gòu)等微觀特征，以及巖土體的力學(xué)性質(zhì)，如抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。覆巖變形破壞規(guī)律研究：利用“兩帶”孔觀測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度，結(jié)合室內(nèi)數(shù)值模擬軟件，如FLAC3D、UDEC等，構(gòu)建五溝煤礦開采煤層的數(shù)值模型，模擬開采過程中覆巖的變形破壞過程，分析其分布特征及規(guī)律，確定最大冒落帶高度和最大導(dǎo)水裂隙帶高度。防水煤巖柱留設(shè)計(jì)算：依據(jù)覆巖變形破壞規(guī)律的研究結(jié)果，綜合考慮五溝煤礦的地質(zhì)條件、開采工藝等因素，運(yùn)用理論計(jì)算、工程類比等方法，確定合理的防水煤巖柱留設(shè)尺寸。同時(shí)，分析防水煤巖柱在開采過程中的受力情況和穩(wěn)定性，評(píng)估其防水效果。工程應(yīng)用與驗(yàn)證：將研究成果應(yīng)用于五溝煤礦的實(shí)際開采工程中，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證防水煤巖柱留設(shè)方案的合理性和有效性。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，為五溝煤礦的安全生產(chǎn)提供可靠的技術(shù)支持。1.3.2研究方法本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法，確保研究的科學(xué)性和可靠性：實(shí)地勘測(cè)：在五溝煤礦井田內(nèi)布置勘探鉆孔，采集巖土體樣本，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，如標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)等，獲取巖土體的物理力學(xué)參數(shù)。同時(shí)，利用地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁等地球物理勘探技術(shù)，探測(cè)巖土體的結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)支持。室內(nèi)試驗(yàn)：對(duì)采集的巖土體樣本進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，包括巖土的顆粒分析、比重試驗(yàn)、含水量試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)等，測(cè)定巖土體的基本物理力學(xué)性質(zhì)。此外，還將進(jìn)行巖石的三軸壓縮試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)等，研究巖土體在復(fù)雜應(yīng)力條件下的力學(xué)行為和滲透特性。數(shù)值模擬：運(yùn)用數(shù)值模擬軟件，如FLAC3D、UDEC等，建立五溝煤礦開采煤層的三維數(shù)值模型。根據(jù)實(shí)地勘測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)，賦予模型中巖土體相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)，模擬開采過程中覆巖的變形破壞和滲流場(chǎng)變化，分析防水煤巖柱的受力情況和穩(wěn)定性。理論分析：基于巖石力學(xué)、土力學(xué)、滲流力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)五溝煤礦開采煤層上覆巖土體的變形破壞機(jī)制、防水煤巖柱的合理留設(shè)等問題進(jìn)行理論分析。運(yùn)用解析法、半解析法等方法，推導(dǎo)相關(guān)計(jì)算公式，為數(shù)值模擬和工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。工程類比：收集國內(nèi)外類似地質(zhì)條件下煤礦開采的工程案例，對(duì)比分析其防水煤巖柱留設(shè)方案和實(shí)際應(yīng)用效果。借鑒成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合五溝煤礦的具體情況，優(yōu)化防水煤巖柱留設(shè)方案。二、五溝煤礦開采煤層概況2.1礦區(qū)地質(zhì)背景五溝煤礦地處安徽省淮北市濉溪縣境內(nèi)，位于臨渙礦區(qū)南部，童亭背斜的西翼中段。其地理位置獨(dú)特，處于華北板塊東南緣，在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造格局中，受到多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加影響。從區(qū)域地層分布來看，五溝煤礦井田地層自上而下依次為第四系、侏羅系上蒙陰組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組、下統(tǒng)下石盒子組和山西組、石炭系上統(tǒng)太原組、中統(tǒng)本溪組以及奧灰系中下統(tǒng)。其中，第四系主要為松散的砂、礫石、黏土等沉積物，厚度在井田內(nèi)分布不均，對(duì)煤系地層起到一定的覆蓋和保護(hù)作用。侏羅系上蒙陰組巖性主要為砂巖、泥巖互層，其沉積特征反映了當(dāng)時(shí)的古地理環(huán)境和沉積條件。二疊系是主要的含煤地層，包含多個(gè)煤層，其巖性組合和沉積旋回對(duì)于煤層的形成和賦存具有重要意義。石炭系地層則主要由石灰?guī)r、泥巖、粉砂巖及薄煤層組成，石灰?guī)r的存在為巖溶裂隙的發(fā)育提供了條件，對(duì)礦井的水文地質(zhì)條件產(chǎn)生重要影響。在漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期，五溝煤礦所在區(qū)域經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，這些構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造格局和煤層賦存狀態(tài)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。其中，印支運(yùn)動(dòng)使該區(qū)域地層發(fā)生褶皺和斷裂，奠定了區(qū)域構(gòu)造的基本框架。燕山運(yùn)動(dòng)則進(jìn)一步加劇了構(gòu)造變形，使得礦區(qū)內(nèi)的斷層和褶皺更加復(fù)雜。在這些構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下，五溝煤礦總體呈現(xiàn)為一受斷層切割、且以向斜為主的復(fù)式褶皺構(gòu)造組合，向斜的軸部呈反S形，地層傾角在10-20°之間。井田內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，精查勘探和首采區(qū)三維地震補(bǔ)勘共發(fā)現(xiàn)斷層66條，且均為正斷層。這些斷層的落差大小不一，其中落差大于100m的斷層有6條，落差在51-100m之間的斷層有3條，落差在31-50m之間的斷層有19條，落差在11-30m之間的斷層有113條，落差在6-10m之間的斷層有129條，落差在3-5m之間的斷層有179條。如此密集且落差各異的斷層，嚴(yán)重破壞了地層的連續(xù)性和完整性，使得煤層及頂?shù)装宓钠鸱兓^大，給煤礦的開采工作帶來了極大的困難。同時(shí)，這些斷層還可能成為地下水的運(yùn)移通道，增加了礦井水害的風(fēng)險(xiǎn)。2.2開采煤層基本特征五溝煤礦的主采煤層主要包括72、81、82、10煤層。這些煤層的賦存狀態(tài)和煤質(zhì)特性對(duì)煤礦的開采和利用具有重要影響。從賦存狀態(tài)來看，72煤層厚度在0.8-3.5m之間，平均厚度約為2.1m，煤層傾角在5-18°，平均傾角為11°，走向大致呈北東-南西向。81煤層厚度為1.0-4.0m，平均厚度約2.5m，傾角在6-20°，平均傾角13°，走向與72煤層相近。82煤層厚度變化范圍為0.9-3.8m，平均厚度約2.3m，傾角在4-16°，平均傾角10°，走向也呈北東-南西向。10煤層厚度在1.2-5.0m之間，平均厚度約3.0m，傾角在3-15°，平均傾角8°，走向同樣為北東-南西向?？梢钥闯?，這些主采煤層的厚度和傾角均有一定的變化范圍，且走向較為一致，這是在長期的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和沉積環(huán)境變遷中逐漸形成的。在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中，受到地殼應(yīng)力的作用，煤層發(fā)生了褶皺、斷裂等變形，導(dǎo)致煤層厚度和傾角出現(xiàn)變化。而沉積環(huán)境的差異，如沉積時(shí)的水流速度、沉積物來源等因素，也對(duì)煤層的厚度和分布產(chǎn)生了影響。在煤質(zhì)特性方面，五溝煤礦主采煤層的煤種主要為肥煤、焦煤，屬于優(yōu)質(zhì)煉焦用煤，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。72煤層的灰分含量在15-25%之間，平均灰分約為20%，揮發(fā)分含量為28-36%，平均揮發(fā)分為32%。81煤層的灰分含量在16-26%，平均約21%，揮發(fā)分含量為27-35%，平均揮發(fā)分為31%。82煤層的灰分含量在14-24%，平均約19%，揮發(fā)分含量為29-37%，平均揮發(fā)分為33%。10煤層的灰分含量在17-27%，平均約22%，揮發(fā)分含量為26-34%，平均揮發(fā)分為30%。這些煤層的灰分和揮發(fā)分含量相對(duì)穩(wěn)定，反映了其成煤過程中的地質(zhì)條件較為相似。煤的灰分主要來源于成煤過程中混入的礦物質(zhì)，而揮發(fā)分則與煤的變質(zhì)程度密切相關(guān)。在成煤過程中，植物遺體在一定的溫度、壓力和時(shí)間條件下，經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)變化逐漸轉(zhuǎn)化為煤。變質(zhì)程度較低的煤，揮發(fā)分含量相對(duì)較高；隨著變質(zhì)程度的加深，揮發(fā)分含量逐漸降低。五溝煤礦主采煤層的揮發(fā)分含量表明，它們的變質(zhì)程度適中，適合作為煉焦用煤。同時(shí)，較低的灰分含量也有利于提高煤炭的利用效率和產(chǎn)品質(zhì)量。三、上覆巖土體綜合地質(zhì)特征分析3.1“三隔”特征分析3.1.1巖性特征五溝煤礦開采煤層上覆巖土體中的“三隔”，即第一隔水層、第二隔水層和第三隔水層，在巖性上各具特點(diǎn)，它們的巖性特征對(duì)其隔水性能和工程穩(wěn)定性有著重要影響。第一隔水層主要由粘土和粉質(zhì)粘土組成。粘土礦物成分以蒙脫石、伊利石和高嶺石為主，這些粘土礦物具有較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附能力，使得粘土顆粒之間能夠形成緊密的結(jié)構(gòu)。從顆粒結(jié)構(gòu)來看，粘土顆粒細(xì)小，粒徑多在0.005mm以下，顆粒之間排列緊密，孔隙細(xì)小且連通性差。這種細(xì)小的顆粒結(jié)構(gòu)和緊密的排列方式，使得第一隔水層具有較好的隔水性能。粉質(zhì)粘土則是介于粘土和粉土之間的一種土類，其礦物成分中除了含有一定量的粘土礦物外，還含有較多的粉粒。粉粒的粒徑一般在0.005-0.075mm之間，相較于粘土顆粒較大。粉質(zhì)粘土的顆粒結(jié)構(gòu)相對(duì)粘土較為疏松，但其仍具有一定的隔水能力，這是因?yàn)槠渲械恼惩恋V物能夠填充粉粒之間的孔隙，減少水分的滲透通道。第二隔水層的巖性主要為砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂。砂質(zhì)粘土中含有一定比例的砂粒，砂粒粒徑在0.075-2mm之間。砂粒的存在使得第二隔水層的顆粒結(jié)構(gòu)相對(duì)第一隔水層更為松散，但由于其中粘土礦物的膠結(jié)作用，仍能保持一定的隔水性能。粘土質(zhì)粉砂則是以粉砂為主，含有少量的粘土礦物。粉砂顆粒的粒徑較大，孔隙相對(duì)較大，但粘土礦物的存在在一定程度上改善了其隔水性能。通過X射線衍射（XRD）分析發(fā)現(xiàn)，第二隔水層中的粘土礦物主要為伊利石和高嶺石，這些礦物在粉砂顆粒之間起到了填充和膠結(jié)的作用，從而影響了第二隔水層的整體巖性和隔水性能。第三隔水層主要由粘土和泥巖組成。泥巖是一種由粘土礦物經(jīng)壓實(shí)、脫水等成巖作用形成的巖石，其礦物成分與粘土類似，但結(jié)構(gòu)更為致密。泥巖的顆粒結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出層狀排列，層間結(jié)合緊密，孔隙率低，具有良好的隔水性能。粘土在第三隔水層中與泥巖相互交織，進(jìn)一步增強(qiáng)了其隔水能力。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，粘土顆粒在泥巖的層理之間填充，形成了一種復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有效地阻止了水分的滲透。3.1.2厚度與分布特征為了準(zhǔn)確掌握“三隔”層（組）的厚度與分布特征，研究人員在五溝煤礦井田內(nèi)進(jìn)行了大量的實(shí)地勘測(cè)，并收集了豐富的鉆孔數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，繪制出了“三隔”層（組）的厚度等值線圖。從第一隔水層的厚度等值線圖可以看出，其厚度在井田內(nèi)呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。在井田的北部區(qū)域，第一隔水層厚度相對(duì)較大，一般在15-20m之間。這是由于在地質(zhì)歷史時(shí)期，該區(qū)域的沉積環(huán)境較為穩(wěn)定，沉積物來源充足，使得粘土和粉質(zhì)粘土能夠持續(xù)堆積，從而形成了較厚的第一隔水層。而在井田的南部區(qū)域，第一隔水層厚度相對(duì)較薄，一般在8-12m之間。這可能是因?yàn)槟喜繀^(qū)域在沉積過程中受到了水流沖刷等因素的影響，導(dǎo)致沉積物厚度減小。此外，通過對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，第一隔水層厚度與地層巖性存在一定的相關(guān)性。在以粘土為主的區(qū)域，第一隔水層厚度相對(duì)較大；而在粉質(zhì)粘土含量較高的區(qū)域，第一隔水層厚度相對(duì)較薄。這是因?yàn)檎惩恋某练e速率相對(duì)較快，且不易被水流搬運(yùn)，有利于形成較厚的隔水層。第二隔水層的厚度在井田內(nèi)也有明顯的變化。在井田的中部和東部地區(qū)，第二隔水層厚度較大，一般在10-15m之間。這可能是由于這些區(qū)域在沉積時(shí)處于相對(duì)低洼的地帶，有利于砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂的堆積。而在井田的西部地區(qū)，第二隔水層厚度較薄，一般在5-8m之間。從沉積環(huán)境分析，西部地區(qū)可能在沉積過程中受到了較強(qiáng)的水動(dòng)力作用，使得較細(xì)粒的沉積物難以保留，從而導(dǎo)致第二隔水層厚度減小。同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)第二隔水層的厚度分布與地質(zhì)構(gòu)造有一定關(guān)系。在靠近斷層的區(qū)域，第二隔水層厚度往往會(huì)發(fā)生突變，這是因?yàn)閿鄬踊顒?dòng)可能導(dǎo)致地層的錯(cuò)動(dòng)和變形，影響了沉積物的堆積和分布。第三隔水層的厚度分布較為復(fù)雜。在井田的東北部和西南部，第三隔水層厚度較大，一般在20-25m之間。這可能是由于這些區(qū)域在成巖過程中受到了較強(qiáng)的壓實(shí)作用，使得粘土和泥巖更加致密，從而形成了較厚的隔水層。而在井田的西北部和東南部，第三隔水層厚度相對(duì)較薄，一般在10-15m之間。通過對(duì)地質(zhì)資料的分析發(fā)現(xiàn)，這些區(qū)域的巖石可能受到了后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的破壞，導(dǎo)致第三隔水層厚度減小。此外，第三隔水層的厚度還與基巖的起伏有關(guān)。在基巖凸起的區(qū)域，第三隔水層厚度相對(duì)較??；而在基巖凹陷的區(qū)域，第三隔水層厚度相對(duì)較大。這是因?yàn)榛鶐r的起伏會(huì)影響沉積物的堆積厚度，從而影響第三隔水層的厚度分布。3.1.3水理特性與隔水性分析為了準(zhǔn)確評(píng)估“三隔”層（組）的水理特性與隔水性，研究人員在室內(nèi)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了“三隔”層（組）的滲透系數(shù)、膨脹性等關(guān)鍵水理參數(shù)。通過變水頭滲透試驗(yàn)測(cè)定第一隔水層的滲透系數(shù)，結(jié)果表明其滲透系數(shù)一般在10-7-10-8cm/s之間。這種極低的滲透系數(shù)主要是由于其粘土和粉質(zhì)粘土的細(xì)小顆粒結(jié)構(gòu)以及緊密的排列方式，使得水分在其中的滲透路徑極為曲折，大大增加了滲透阻力。當(dāng)?shù)谝桓羲畬邮艿酵饨鐗毫ψ饔脮r(shí)，其顆粒結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)一步壓實(shí)，孔隙度減小，滲透系數(shù)也會(huì)隨之降低，從而增強(qiáng)其隔水性能。但如果第一隔水層受到較大的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力作用，可能會(huì)產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致滲透系數(shù)急劇增大，隔水性能下降。在膨脹性方面，第一隔水層中的粘土礦物具有較強(qiáng)的吸水性，遇水后會(huì)發(fā)生膨脹。通過自由膨脹率試驗(yàn)測(cè)定，其自由膨脹率一般在30-50%之間。膨脹作用會(huì)使粘土顆粒之間的孔隙減小，進(jìn)一步降低滲透系數(shù)，增強(qiáng)隔水性能。但過度膨脹可能會(huì)導(dǎo)致第一隔水層的結(jié)構(gòu)破壞，影響其長期穩(wěn)定性。對(duì)于第二隔水層，通過常水頭滲透試驗(yàn)測(cè)定其滲透系數(shù)，一般在10-6-10-7cm/s之間。相較于第一隔水層，其滲透系數(shù)略大，這是由于砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂中砂粒和粉砂顆粒的存在，使得孔隙相對(duì)較大，水分滲透相對(duì)容易。然而，其中的粘土礦物仍能在一定程度上填充孔隙，限制水分的滲透。在承受外部荷載時(shí)，第二隔水層的變形特性對(duì)其隔水性有重要影響。當(dāng)受到較小的荷載時(shí)，其結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定，滲透系數(shù)變化不大；但當(dāng)荷載超過一定閾值時(shí)，顆粒結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯變形，孔隙連通性改變，滲透系數(shù)增大，隔水性能減弱。在膨脹性方面，第二隔水層的自由膨脹率一般在20-30%之間，膨脹作用同樣會(huì)對(duì)其孔隙結(jié)構(gòu)和滲透系數(shù)產(chǎn)生影響，但由于其粘土礦物含量相對(duì)較少，膨脹程度和對(duì)隔水性能的影響相對(duì)第一隔水層較小。第三隔水層的滲透系數(shù)通過現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法測(cè)定，一般在10-8-10-9cm/s之間，具有良好的隔水性能。其泥巖和粘土的致密結(jié)構(gòu)以及層狀排列方式，使得水分難以通過。在飽水狀態(tài)下，第三隔水層的強(qiáng)度特性對(duì)其隔水性的穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過三軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，飽水后的第三隔水層強(qiáng)度有所降低，但仍能保持較高的抗壓和抗剪強(qiáng)度，有效阻止水分的突破。在膨脹性方面，第三隔水層中的粘土礦物遇水膨脹，自由膨脹率一般在40-60%之間。膨脹作用使得泥巖和粘土的結(jié)構(gòu)更加緊密，進(jìn)一步降低了滲透系數(shù)，增強(qiáng)了隔水性能。但在實(shí)際工程中，需要考慮長期飽水條件下膨脹性對(duì)第三隔水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，以確保其長期的隔水效果。3.2“四含”特征分析3.2.1巖性與結(jié)構(gòu)特征五溝煤礦開采煤層上覆巖土體中的“四含”，即第四系含水層，其巖性與結(jié)構(gòu)特征對(duì)于理解其儲(chǔ)水和導(dǎo)水性能具有關(guān)鍵意義?！八暮敝饕缮?、礫石組成，其中砂粒的粒徑范圍一般在0.075-2mm之間，礫石粒徑則大于2mm。砂粒的礦物成分主要為石英、長石等，這些礦物硬度較高，化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定。礫石則多為石英巖、砂巖等巖石的碎塊，其磨圓度和分選性在井田內(nèi)有所差異。在靠近河流古河道的區(qū)域，礫石的磨圓度較好，分選性也相對(duì)較高，這表明這些區(qū)域在沉積過程中受到了較強(qiáng)的水流搬運(yùn)作用，使得顆粒在搬運(yùn)過程中不斷碰撞、磨蝕，從而具有較好的磨圓度和分選性。而在遠(yuǎn)離古河道的區(qū)域，礫石的磨圓度和分選性較差，顆粒大小混雜，這可能是由于沉積時(shí)水流速度較慢，搬運(yùn)能力較弱，導(dǎo)致不同粒徑的顆粒就近堆積。通過篩分試驗(yàn)對(duì)“四含”的顆粒級(jí)配進(jìn)行分析，結(jié)果顯示其不均勻系數(shù)一般在5-10之間，曲率系數(shù)在1-3之間。不均勻系數(shù)反映了顆粒大小的不均勻程度，數(shù)值越大，表明顆粒大小差異越大。曲率系數(shù)則描述了顆粒級(jí)配曲線的形狀，其值在1-3之間時(shí)，顆粒級(jí)配較為良好。這種顆粒級(jí)配特征使得“四含”具有一定的孔隙空間，為地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移提供了條件。在孔隙結(jié)構(gòu)方面，利用壓汞儀（MIP）對(duì)“四含”的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明其孔隙主要以中孔和大孔為主，孔隙直徑多在0.1-10μm之間。中孔和大孔的存在使得“四含”具有較好的透水性，有利于地下水的快速流動(dòng)。同時(shí)，孔隙之間的連通性較好，形成了較為復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)，這進(jìn)一步增強(qiáng)了“四含”的導(dǎo)水能力。然而，孔隙結(jié)構(gòu)也受到顆粒級(jí)配和膠結(jié)程度的影響。在顆粒級(jí)配較差、膠結(jié)程度較高的區(qū)域，孔隙數(shù)量減少，孔徑變小，連通性變差，從而導(dǎo)致“四含”的透水性和導(dǎo)水能力降低。3.2.2厚度與富水性分析為了準(zhǔn)確確定“四含”的厚度與富水性，研究人員在五溝煤礦井田內(nèi)進(jìn)行了大量的抽水試驗(yàn)和水位觀測(cè)。通過對(duì)多個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，繪制出了“四含”的厚度等值線圖和富水性分區(qū)圖。從厚度等值線圖可以看出，“四含”的厚度在井田內(nèi)分布不均。在井田的東部區(qū)域，“四含”厚度較大，一般在30-40m之間。這是由于該區(qū)域在地質(zhì)歷史時(shí)期處于河流的沉積中心，沉積物不斷堆積，使得“四含”的厚度逐漸增大。而在井田的西部區(qū)域，“四含”厚度相對(duì)較薄，一般在15-25m之間。這可能是因?yàn)槲鞑繀^(qū)域在沉積過程中受到的水流作用較弱，沉積物來源相對(duì)較少。通過對(duì)鉆孔巖芯的分析發(fā)現(xiàn)，“四含”厚度與沉積環(huán)境密切相關(guān)。在河流相沉積區(qū)域，“四含”厚度較大；而在漫灘相沉積區(qū)域，“四含”厚度相對(duì)較薄。利用抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算“四含”的滲透系數(shù)和涌水量，進(jìn)而評(píng)估其富水性。結(jié)果表明，“四含”的滲透系數(shù)一般在5-15m/d之間，涌水量在500-1500m3/d之間。根據(jù)富水性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將“四含”劃分為強(qiáng)富水、中等富水和弱富水三個(gè)區(qū)域。在井田的東北部和東南部，“四含”的滲透系數(shù)和涌水量較大，屬于強(qiáng)富水區(qū)域。這些區(qū)域的砂、礫石顆粒較粗，孔隙發(fā)育，連通性好，有利于地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移。在井田的中部區(qū)域，“四含”屬于中等富水區(qū)域，其滲透系數(shù)和涌水量適中。而在井田的西部和北部部分區(qū)域，“四含”屬于弱富水區(qū)域，其滲透系數(shù)和涌水量較小，這是由于這些區(qū)域的顆粒較細(xì)，孔隙度較低，地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移條件相對(duì)較差。3.2.3補(bǔ)給與徑流條件分析“四含”的補(bǔ)給與徑流條件對(duì)其水資源的動(dòng)態(tài)變化和礦井水害防治具有重要影響。通過對(duì)氣象、水文和地質(zhì)資料的綜合分析，研究人員對(duì)“四含”的補(bǔ)給來源、徑流方向和水力坡度進(jìn)行了深入研究?！八暮钡难a(bǔ)給來源主要包括大氣降水、地表水和側(cè)向徑流補(bǔ)給。大氣降水是“四含”的重要補(bǔ)給源之一。在降雨過程中，部分雨水通過地表入滲進(jìn)入“四含”。入滲量的大小受到降雨量、降雨強(qiáng)度、地形地貌和地表植被等因素的影響。在地形平坦、地表植被覆蓋率較低的區(qū)域，降雨入滲量相對(duì)較小，大部分雨水形成地表徑流流失。而在地形起伏較大、地表植被覆蓋率較高的區(qū)域，降雨入滲量相對(duì)較大，有利于“四含”的補(bǔ)給。地表水也是“四含”的重要補(bǔ)給來源。井田內(nèi)的河流、湖泊等地表水與“四含”存在水力聯(lián)系，在豐水期，地表水通過滲漏補(bǔ)給“四含”。通過對(duì)地表水和“四含”水位動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)乇硭桓哂凇八暮彼粫r(shí)，地表水會(huì)向“四含”滲漏補(bǔ)給。側(cè)向徑流補(bǔ)給則是指“四含”與相鄰含水層之間通過水力聯(lián)系進(jìn)行的補(bǔ)給。在井田邊界附近，“四含”與其他含水層之間存在一定的水頭差，使得地下水從水頭高的含水層向“四含”側(cè)向徑流補(bǔ)給。“四含”的徑流方向總體上是從地勢(shì)較高的區(qū)域向地勢(shì)較低的區(qū)域流動(dòng)。在井田內(nèi)，根據(jù)地形等高線和“四含”水位等值線的分布情況，可以確定其徑流方向。在井田的東部和南部，地勢(shì)相對(duì)較高，“四含”的徑流方向主要是向西和向北流動(dòng)。而在井田的西部和北部，地勢(shì)相對(duì)較低，“四含”的徑流在這里匯聚。通過對(duì)不同位置“四含”水位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算水力坡度，結(jié)果表明“四含”的水力坡度一般在0.001-0.003之間。水力坡度的大小反映了地下水流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，水力坡度越大，地下水流動(dòng)速度越快。在靠近河流和斷層的區(qū)域，水力坡度相對(duì)較大，這是因?yàn)檫@些區(qū)域的地下水流動(dòng)受到河流和斷層的影響，水流速度加快。3.3基巖風(fēng)化帶特征分析3.3.1風(fēng)化程度與巖性變化通過對(duì)五溝煤礦井田內(nèi)多個(gè)鉆孔巖芯的細(xì)致觀察，并結(jié)合巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)基巖風(fēng)化帶的風(fēng)化程度進(jìn)行了科學(xué)劃分。根據(jù)巖石的顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物成分以及物理力學(xué)性質(zhì)的變化，將基巖風(fēng)化帶劃分為全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶和微風(fēng)化帶。在全風(fēng)化帶，巖石顏色顯著變淺，原巖結(jié)構(gòu)完全破壞，礦物成分發(fā)生強(qiáng)烈分解和蝕變，形成了大量的次生礦物，如高嶺土、蒙脫石等。巖石呈土狀或砂狀，質(zhì)地松軟，手可捏碎，基本喪失了原巖的力學(xué)強(qiáng)度。例如，在某鉆孔巖芯中，原本堅(jiān)硬的砂巖在全風(fēng)化帶已變?yōu)樗缮⒌纳百|(zhì)土，其抗壓強(qiáng)度從原巖的數(shù)十MPa驟降至幾乎可以忽略不計(jì)。強(qiáng)風(fēng)化帶的巖石顏色也有明顯變化，原巖結(jié)構(gòu)大部分破壞，僅局部殘留少量原巖結(jié)構(gòu)。礦物成分部分蝕變，巖石裂隙極為發(fā)育，被大量次生礦物充填。巖石破碎成碎塊狀，用鎬等工具容易挖掘，力學(xué)強(qiáng)度大幅降低。在對(duì)某強(qiáng)風(fēng)化帶的巖石進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，其強(qiáng)度僅為原巖的1/5-1/3。弱風(fēng)化帶的巖石顏色稍有變化，原巖結(jié)構(gòu)基本保留，但裂隙較發(fā)育，礦物成分僅有輕微蝕變。巖石完整性較好，呈塊狀，用爆破方法開采較為容易，力學(xué)強(qiáng)度有所降低。通過對(duì)弱風(fēng)化帶巖石的力學(xué)測(cè)試，其抗壓強(qiáng)度約為原巖的2/3-4/5。微風(fēng)化帶的巖石顏色基本未變，原巖結(jié)構(gòu)清晰，僅在裂隙表面有輕微的礦物蝕變。巖石完整性好，質(zhì)地堅(jiān)硬，力學(xué)強(qiáng)度接近原巖。微風(fēng)化帶巖石的物理力學(xué)性質(zhì)與原巖差異較小，在工程建設(shè)中通?？梢暈樵瓗r進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。隨著風(fēng)化程度的加深，巖性變化顯著。從微風(fēng)化帶到全風(fēng)化帶，巖石的顆粒逐漸變細(xì)，從完整的塊狀巖石逐漸演變?yōu)樗閴K狀、砂狀直至土狀。巖石的孔隙率逐漸增大，吸水性增強(qiáng)，而抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)則逐漸降低。這種巖性變化規(guī)律對(duì)于五溝煤礦的開采工程具有重要影響，在確定開采工藝、支護(hù)方式以及防水措施時(shí)，必須充分考慮基巖風(fēng)化帶的風(fēng)化程度和巖性變化。3.3.2厚度與空間分布規(guī)律結(jié)合地質(zhì)測(cè)繪和大量鉆孔資料，對(duì)五溝煤礦基巖風(fēng)化帶的厚度進(jìn)行了精確測(cè)定，并深入分析了其在平面和剖面上的分布規(guī)律。在平面分布上，基巖風(fēng)化帶厚度呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。在井田的東北部區(qū)域，基巖風(fēng)化帶厚度較大，一般在20-30m之間。這主要是由于該區(qū)域長期受到風(fēng)化作用的影響，且地形相對(duì)低洼，有利于風(fēng)化產(chǎn)物的堆積和保存。而在井田的西南部區(qū)域，基巖風(fēng)化帶厚度相對(duì)較薄，一般在8-15m之間。這可能是因?yàn)樵搮^(qū)域的巖石抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，或者在地質(zhì)歷史時(shí)期受到的風(fēng)化作用相對(duì)較弱。通過對(duì)不同區(qū)域巖石礦物成分和結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)的巖石，如石英含量較高的砂巖，其基巖風(fēng)化帶厚度相對(duì)較薄。在剖面上，基巖風(fēng)化帶厚度也存在一定的變化規(guī)律?？傮w上，隨著深度的增加，基巖風(fēng)化帶厚度逐漸減小。在靠近地表的部分，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，風(fēng)化帶厚度較大；而隨著深度的增加，風(fēng)化作用逐漸減弱，風(fēng)化帶厚度逐漸變薄。例如，在某鉆孔的剖面上，地表以下0-10m范圍內(nèi)，基巖風(fēng)化帶厚度較大，為全風(fēng)化帶和強(qiáng)風(fēng)化帶；在10-20m范圍內(nèi)，風(fēng)化帶厚度逐漸減小，主要為弱風(fēng)化帶；在20m以下，基本為微風(fēng)化帶，風(fēng)化帶厚度很小。此外，基巖風(fēng)化帶的厚度還與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)。在斷層附近，由于巖石受到構(gòu)造應(yīng)力的作用，裂隙發(fā)育，風(fēng)化作用更容易深入，導(dǎo)致基巖風(fēng)化帶厚度增大。而在褶皺的軸部，巖石受到拉伸和擠壓作用，也會(huì)使風(fēng)化帶厚度發(fā)生變化。在背斜軸部，巖石張應(yīng)力較大，裂隙發(fā)育，風(fēng)化帶厚度相對(duì)較大；在向斜軸部，巖石受擠壓應(yīng)力作用，相對(duì)較為致密，風(fēng)化帶厚度相對(duì)較小。3.3.3儲(chǔ)水與隔水性能分析通過壓水試驗(yàn)和長期的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)五溝煤礦基巖風(fēng)化帶的儲(chǔ)水和隔水性能進(jìn)行了全面評(píng)估。在壓水試驗(yàn)中，向鉆孔內(nèi)注入一定壓力的水，通過測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的注水量和壓力變化，計(jì)算基巖風(fēng)化帶的滲透系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，基巖風(fēng)化帶的滲透系數(shù)在不同風(fēng)化程度區(qū)域存在較大差異。在全風(fēng)化帶和強(qiáng)風(fēng)化帶，滲透系數(shù)較大，一般在10-4-10-6cm/s之間。這是因?yàn)檫@些區(qū)域巖石破碎，裂隙發(fā)育，孔隙連通性好，有利于水的滲透。例如，在某強(qiáng)風(fēng)化帶區(qū)域的壓水試驗(yàn)中，當(dāng)注入壓力為0.5MPa時(shí)，單位吸水量達(dá)到0.1-0.5L/(min?m?m)，表明該區(qū)域的透水性較強(qiáng)。而在弱風(fēng)化帶和微風(fēng)化帶，滲透系數(shù)相對(duì)較小，一般在10-7-10-9cm/s之間。這是由于這些區(qū)域巖石完整性較好，裂隙相對(duì)較少，孔隙連通性較差，水的滲透受到較大阻礙。在某微風(fēng)化帶區(qū)域的壓水試驗(yàn)中，當(dāng)注入壓力為1.0MPa時(shí)，單位吸水量僅為0.001-0.01L/(min?m?m)，說明該區(qū)域的隔水性能較好。通過對(duì)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步了解了基巖風(fēng)化帶的儲(chǔ)水和隔水性能。在全風(fēng)化帶和強(qiáng)風(fēng)化帶，由于其透水性較強(qiáng)，地下水水位變化較為敏感，與大氣降水和地表水的水力聯(lián)系密切。在降雨后或地表水水位上升時(shí)，該區(qū)域的地下水水位會(huì)迅速上升；而在干旱季節(jié)或地表水水位下降時(shí)，地下水水位也會(huì)隨之下降。這表明全風(fēng)化帶和強(qiáng)風(fēng)化帶具有較好的儲(chǔ)水和導(dǎo)水性能，能夠快速接受補(bǔ)給并傳輸?shù)叵滤?。相比之下，弱風(fēng)化帶和微風(fēng)化帶的地下水水位變化相對(duì)較為穩(wěn)定，與外界的水力聯(lián)系較弱。這說明這些區(qū)域的隔水性能較好，能夠有效阻擋地下水的流動(dòng)，保持地下水位的相對(duì)穩(wěn)定。在礦井開采過程中，需要充分考慮基巖風(fēng)化帶的儲(chǔ)水和隔水性能，合理規(guī)劃開采方案，避免因地下水的涌入而引發(fā)水害事故。同時(shí)，對(duì)于隔水性能較好的弱風(fēng)化帶和微風(fēng)化帶，可以作為防水煤巖柱的一部分，增強(qiáng)其防水效果。四、防水煤巖柱留設(shè)理論與方法4.1防水煤巖柱留設(shè)的基本原則在煤炭開采過程中，防水煤巖柱的留設(shè)至關(guān)重要，它是保障礦井安全生產(chǎn)、防止水害事故發(fā)生的關(guān)鍵措施之一。留設(shè)防水煤巖柱時(shí)，需嚴(yán)格遵循一系列基本原則，以確保其在保障安全的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的合理開發(fā)利用。安全可靠性原則：安全是煤炭開采的首要目標(biāo)，防水煤巖柱的留設(shè)必須以確保礦井安全為根本出發(fā)點(diǎn)。這要求充分考慮各種可能導(dǎo)致水害的因素，如“四含”的富水性、基巖風(fēng)化帶的透水性、斷層的導(dǎo)水性等。在計(jì)算防水煤巖柱尺寸時(shí)，應(yīng)采用合理的理論公式和參數(shù)，并結(jié)合數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。對(duì)于不確定性較大的因素，要適當(dāng)加大安全系數(shù)，以確保防水煤巖柱具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，能夠有效阻擋上覆水體的涌入，防止礦井突水事故的發(fā)生。例如，在“四含”富水性較強(qiáng)的區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)增加防水煤巖柱的厚度，以增強(qiáng)其防水能力。經(jīng)濟(jì)合理性原則：在保證安全的前提下，需追求煤炭資源的高效回收和經(jīng)濟(jì)效益的最大化。防水煤巖柱留設(shè)過大，會(huì)導(dǎo)致大量煤炭資源被呆滯，降低煤炭資源回收率，增加開采成本，影響煤礦的經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)發(fā)展。因此，要綜合考慮地質(zhì)條件、開采技術(shù)、煤炭市場(chǎng)價(jià)格等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，確定合理的防水煤巖柱尺寸。在一些地質(zhì)條件相對(duì)穩(wěn)定、水害威脅較小的區(qū)域，可以適當(dāng)減小防水煤巖柱的尺寸，在保障安全的基礎(chǔ)上，提高煤炭資源的開采量。同時(shí)，還可以通過采用先進(jìn)的開采技術(shù)和工藝，如充填開采、保水開采等，減少防水煤巖柱的留設(shè)尺寸，實(shí)現(xiàn)安全與經(jīng)濟(jì)的雙贏。與開采工藝適應(yīng)性原則：防水煤巖柱的留設(shè)應(yīng)與煤礦的開采工藝緊密結(jié)合，相互適應(yīng)。不同的開采工藝對(duì)煤巖柱的穩(wěn)定性和防水性能要求不同。例如，采用綜采工藝時(shí)，由于開采強(qiáng)度大、推進(jìn)速度快，對(duì)防水煤巖柱的穩(wěn)定性要求較高。在這種情況下，防水煤巖柱的留設(shè)應(yīng)充分考慮開采過程中的礦山壓力變化，確保其在開采過程中不會(huì)因壓力作用而破壞，從而保證防水效果。而采用房柱式開采工藝時(shí)，由于采場(chǎng)空間較小，煤柱的支撐作用相對(duì)較弱，防水煤巖柱的留設(shè)則需要更加注重其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。此外，開采順序也會(huì)影響防水煤巖柱的留設(shè)。合理的開采順序可以減少對(duì)防水煤巖柱的破壞，提高其防水性能。例如，采用下行式開采順序時(shí)，可以先開采上部煤層，使下部煤層的防水煤巖柱在開采過程中受到的影響較小。與地質(zhì)條件一致性原則：防水煤巖柱的留設(shè)必須充分考慮五溝煤礦的地質(zhì)條件，包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等。不同的地質(zhì)條件下，防水煤巖柱的留設(shè)要求也不同。在“三隔”層（組）隔水性能良好的區(qū)域，防水煤巖柱的尺寸可以適當(dāng)減小。而在斷層發(fā)育、基巖風(fēng)化帶厚度較大的區(qū)域，由于水害風(fēng)險(xiǎn)增加，防水煤巖柱的尺寸則應(yīng)相應(yīng)增大。對(duì)于與強(qiáng)含水層直接接觸的煤層，在留設(shè)防水煤巖柱時(shí)，需要更加謹(jǐn)慎，充分考慮含水層的水壓、水量等因素，確保防水煤巖柱能夠有效阻擋含水層水的涌入。此外，還應(yīng)考慮地質(zhì)條件的變化對(duì)防水煤巖柱的影響。在開采過程中，如果發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件發(fā)生變化，如出現(xiàn)新的斷層、含水層富水性增強(qiáng)等，應(yīng)及時(shí)調(diào)整防水煤巖柱的留設(shè)方案。整體性和永久性原則：防水煤巖柱應(yīng)具有整體性，避免因局部破壞而導(dǎo)致整體失效。在留設(shè)防水煤巖柱時(shí)，要確保其在空間上連續(xù)、完整，避免出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí)，防水煤巖柱一旦留設(shè)，應(yīng)具有永久性，不得隨意破壞或開采。如果巷道必須穿過防水煤巖柱，必須采取嚴(yán)格的加固措施和防水措施，如采用高強(qiáng)度支護(hù)材料、修建防水閘門等，以保證防水煤巖柱的完整性和防水性能。在礦井開采過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)防水煤巖柱的監(jiān)測(cè)和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理可能出現(xiàn)的問題，確保其長期穩(wěn)定地發(fā)揮防水作用。4.2相關(guān)理論基礎(chǔ)“兩帶”理論，即冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶理論，是研究煤礦開采過程中覆巖變形破壞規(guī)律以及防水煤巖柱留設(shè)的重要理論基礎(chǔ)。4.2.1“兩帶”的形成機(jī)制在煤礦開采過程中，隨著煤層被采出，采空區(qū)上方的覆巖失去了支撐，在自重及上覆巖層壓力的作用下，會(huì)發(fā)生變形、破壞和移動(dòng)。首先，直接頂在礦山壓力的作用下，會(huì)發(fā)生垮落，形成冒落帶。冒落帶是指采煤后直接垮落充填采空區(qū)的那部分巖層。其形成機(jī)制主要是由于直接頂?shù)目估瓘?qiáng)度較低，在礦山壓力的拉伸作用下，巖層發(fā)生斷裂和破碎，從而垮落。冒落帶的巖石碎塊呈不規(guī)則狀，排列較為松散，孔隙率較大。隨著冒落帶的形成，其上覆巖層的壓力通過冒落帶傳遞到更上一層巖層，使得這部分巖層也受到較大的拉伸和剪切應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過巖層的強(qiáng)度極限時(shí)，巖層就會(huì)產(chǎn)生裂隙，這些裂隙相互連通，形成導(dǎo)水裂隙帶。導(dǎo)水裂隙帶是指冒落帶上方，具有導(dǎo)水性能的裂隙發(fā)育巖層。其形成機(jī)制主要是由于巖層在拉伸和剪切應(yīng)力的作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生大量的裂隙。這些裂隙不僅增加了巖層的滲透性，還為地下水的運(yùn)移提供了通道。導(dǎo)水裂隙帶的裂隙分布相對(duì)較規(guī)則，裂隙寬度和長度也相對(duì)較大。在導(dǎo)水裂隙帶之上，巖層的變形和破壞程度逐漸減小，雖然也會(huì)產(chǎn)生一些微小的裂隙，但這些裂隙一般不具備導(dǎo)水性能，這部分巖層稱為彎曲下沉帶。彎曲下沉帶的巖層主要是在自重和上覆巖層壓力的作用下，發(fā)生整體彎曲下沉，其完整性基本保持不變。4.2.2“兩帶”的發(fā)育規(guī)律“兩帶”的發(fā)育高度受到多種因素的影響，包括煤層采厚、巖性、開采方法、頂板管理方法等。煤層采厚是影響“兩帶”發(fā)育高度的最主要因素之一。一般來說，煤層采厚越大，冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度就越大。這是因?yàn)椴珊裨酱?，采空區(qū)上方覆巖失去的支撐就越多，所承受的壓力也就越大，從而導(dǎo)致覆巖的變形和破壞更加劇烈。通過大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和研究表明，冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度與煤層采厚之間存在著近似線性的關(guān)系。在一定的地質(zhì)條件下，冒落帶高度一般為煤層采厚的2-4倍，導(dǎo)水裂隙帶高度一般為煤層采厚的10-20倍。巖性對(duì)“兩帶”的發(fā)育也有著重要影響。不同巖性的巖層，其力學(xué)性質(zhì)和變形特性不同，對(duì)“兩帶”的發(fā)育高度和形態(tài)也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。堅(jiān)硬的巖石，如砂巖、石灰?guī)r等，其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較高，在開采過程中不易發(fā)生破壞，因此冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度相對(duì)較小。而軟弱的巖石，如泥巖、頁巖等，其力學(xué)強(qiáng)度較低，容易在開采過程中發(fā)生破壞，導(dǎo)致冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度相對(duì)較大。此外，巖性的組合方式也會(huì)影響“兩帶”的發(fā)育。如果上覆巖層中存在較厚的堅(jiān)硬巖層，它可以起到一定的支撐作用，限制冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的向上發(fā)展；反之，如果上覆巖層主要為軟弱巖層，則“兩帶”的發(fā)育高度會(huì)相對(duì)較大。開采方法和頂板管理方法也會(huì)對(duì)“兩帶”的發(fā)育產(chǎn)生影響。采用長壁式采煤法時(shí)，由于采場(chǎng)空間較大，頂板暴露面積廣，礦山壓力相對(duì)較大，因此“兩帶”的發(fā)育高度一般比采用短壁式采煤法時(shí)要大。在頂板管理方面，采用全部垮落法管理頂板時(shí)，冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度通常比采用充填法或煤柱支撐法要大。這是因?yàn)槿靠迓浞〞?huì)使頂板完全垮落，覆巖失去支撐，導(dǎo)致變形和破壞更加嚴(yán)重；而充填法和煤柱支撐法可以在一定程度上支撐頂板，減少覆巖的變形和破壞。4.2.3“兩帶”理論在防水煤巖柱留設(shè)中的應(yīng)用“兩帶”理論在防水煤巖柱留設(shè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。防水煤巖柱的留設(shè)高度必須大于導(dǎo)水裂隙帶的最大高度，以確保在開采過程中，上覆水體不會(huì)通過導(dǎo)水裂隙帶潰入礦井。通過對(duì)“兩帶”發(fā)育規(guī)律的研究，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶的高度，從而為防水煤巖柱的留設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。在確定防水煤巖柱的留設(shè)高度時(shí)，需要考慮多種因素，除了“兩帶”的發(fā)育高度外，還需要考慮安全系數(shù)、上覆水體的水壓、防水煤巖柱的強(qiáng)度等。安全系數(shù)的取值一般根據(jù)礦井的實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)確定，通常在1.5-2.5之間。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以通過監(jiān)測(cè)“兩帶”的發(fā)育情況，及時(shí)調(diào)整防水煤巖柱的留設(shè)方案。例如，在開采過程中，可以采用鉆孔窺視、物探等方法，對(duì)“兩帶”的高度和形態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如果發(fā)現(xiàn)“兩帶”的發(fā)育高度超出了預(yù)期，就需要及時(shí)采取措施，如增加防水煤巖柱的厚度、加強(qiáng)防水煤巖柱的支護(hù)等，以確保礦井的安全。此外，“兩帶”理論還可以用于評(píng)估礦井的水害風(fēng)險(xiǎn)。通過分析“兩帶”與上覆水體、含水層之間的關(guān)系，可以判斷礦井在開采過程中是否存在水害隱患，以及水害發(fā)生的可能性和危害程度，從而為制定水害防治措施提供依據(jù)。4.3常用計(jì)算方法4.3.1經(jīng)驗(yàn)公式法經(jīng)驗(yàn)公式法是防水煤巖柱留設(shè)中常用的計(jì)算方法之一，其依據(jù)長期的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)而來。在五溝煤礦防水煤巖柱留設(shè)中，常參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的相關(guān)公式。對(duì)于松散含水層下防水煤巖柱的留設(shè)高度，可采用以下公式計(jì)算：H_{é?2}=H_{è￡?}+H_{???}其中，H_{é?2}為防水煤巖柱的留設(shè)高度；H_{è￡?}為導(dǎo)水裂隙帶高度；H_{???}為保護(hù)層厚度。導(dǎo)水裂隙帶高度H_{è￡?}的計(jì)算公式根據(jù)不同的覆巖巖性而有所差異。當(dāng)覆巖巖性為堅(jiān)硬巖石時(shí)，計(jì)算公式為：H_{è￡?}=\frac{100\sumM}{1.2\sumM+2.0}+8.9當(dāng)覆巖巖性為中硬巖石時(shí)，計(jì)算公式為：H_{è￡?}=\frac{100\sumM}{1.6\sumM+3.6}+5.6當(dāng)覆巖巖性為軟弱巖石時(shí)，計(jì)算公式為：H_{è￡?}=\frac{100\sumM}{3.1\sumM+5.0}+4.0其中，\sumM為累計(jì)采厚。保護(hù)層厚度H_{???}則根據(jù)松散含水層的富水性、基巖風(fēng)化帶的透水性等因素確定，一般取值在20-50m之間。經(jīng)驗(yàn)公式法具有計(jì)算簡便、操作容易的優(yōu)點(diǎn)，能夠快速地估算出防水煤巖柱的留設(shè)尺寸。然而，該方法也存在一定的局限性，它主要基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，難以全面考慮五溝煤礦復(fù)雜的地質(zhì)條件和開采因素的影響，如斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造以及開采順序、開采速度等對(duì)防水煤巖柱穩(wěn)定性的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要結(jié)合其他方法進(jìn)行綜合分析和驗(yàn)證。4.3.2數(shù)值模擬法數(shù)值模擬法是利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)對(duì)五溝煤礦開采過程中覆巖變形破壞和防水煤巖柱的受力、變形情況進(jìn)行模擬分析的方法。常用的數(shù)值模擬軟件有FLAC、ANSYS等。以FLAC軟件為例，在進(jìn)行防水煤巖柱留設(shè)分析時(shí)，首先需要根據(jù)五溝煤礦的地質(zhì)條件和開采方案，建立三維數(shù)值模型。模型中要準(zhǔn)確地定義各巖層的物理力學(xué)參數(shù)，如彈性模量、泊松比、密度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等。這些參數(shù)可通過現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)獲取。同時(shí)，要合理設(shè)置邊界條件和初始條件，邊界條件包括位移邊界條件和應(yīng)力邊界條件，初始條件主要是初始地應(yīng)力。在模擬過程中，按照實(shí)際的開采順序和開采工藝，逐步開挖煤層，模擬覆巖的變形破壞過程。通過監(jiān)測(cè)模型中不同位置的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)分布等參數(shù)，分析導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度和范圍，以及防水煤巖柱的受力情況和穩(wěn)定性。例如，通過監(jiān)測(cè)模型中垂直方向的位移，可以確定冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度；通過分析模型中應(yīng)力分布情況，可以了解防水煤巖柱在開采過程中的應(yīng)力集中區(qū)域和變化規(guī)律；通過觀察塑性區(qū)的分布，可以判斷覆巖的破壞范圍和防水煤巖柱的破壞程度。數(shù)值模擬法能夠直觀地展示五溝煤礦開采過程中覆巖和防水煤巖柱的動(dòng)態(tài)變化過程，全面考慮各種地質(zhì)因素和開采因素的影響，為防水煤巖柱的留設(shè)提供更加準(zhǔn)確和詳細(xì)的依據(jù)。然而，數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于模型的合理性和參數(shù)的可靠性。如果模型建立不合理或參數(shù)取值不準(zhǔn)確，可能會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。因此，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，需要充分收集地質(zhì)資料，合理建立模型，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正。五、五溝煤礦防水煤巖柱留設(shè)實(shí)例分析5.1基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的“兩帶”高度確定為了準(zhǔn)確確定五溝煤礦開采煤層的最大冒落帶高度和最大導(dǎo)水裂隙帶高度，研究人員在五溝煤礦多個(gè)開采區(qū)域布置了“兩帶”觀測(cè)孔，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的覆巖變形數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。在“兩帶”觀測(cè)孔的布置上，充分考慮了不同開采區(qū)域的地質(zhì)條件差異，包括煤層厚度、巖性組合、地質(zhì)構(gòu)造等因素。例如，在72煤層的某開采區(qū)域，選擇了具有代表性的位置布置了3個(gè)“兩帶”觀測(cè)孔。通過鉆孔窺視儀對(duì)“兩帶”觀測(cè)孔進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄開采過程中覆巖的破壞情況和裂隙發(fā)育程度。在開采初期，隨著煤層的逐漸采出，觀測(cè)到直接頂開始出現(xiàn)少量裂隙，這些裂隙主要是由于礦山壓力的作用而產(chǎn)生的。隨著開采的繼續(xù)進(jìn)行，直接頂?shù)牧严吨饾u增多、擴(kuò)大，并相互連通，形成了冒落帶。通過對(duì)鉆孔窺視圖像的分析，確定了該區(qū)域72煤層開采的冒落帶高度為6.5m，這與該區(qū)域煤層平均采厚2.1m相比，冒落帶高度約為煤層采厚的3.1倍，與理論上冒落帶高度為煤層采厚2-4倍的范圍相符。同時(shí)，利用鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)、水位觀測(cè)等方法，對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了測(cè)定。在導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育過程中，鉆孔沖洗液漏失量明顯增加，水位也出現(xiàn)了明顯的下降。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的綜合分析，確定該區(qū)域72煤層開采的導(dǎo)水裂隙帶高度為28m，約為煤層采厚的13.3倍，處于理論上導(dǎo)水裂隙帶高度為煤層采厚10-20倍的范圍。除了“兩帶”觀測(cè)孔數(shù)據(jù)，還收集了該開采區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的覆巖變形數(shù)據(jù)。通過在采空區(qū)上方布置地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用全站儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)量儀器，定期對(duì)地表變形進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，隨著開采的推進(jìn)，地表出現(xiàn)了明顯的下沉和變形。通過對(duì)地表變形數(shù)據(jù)的分析，反演了覆巖的變形破壞過程，進(jìn)一步驗(yàn)證了“兩帶”高度的測(cè)定結(jié)果。在地表變形監(jiān)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)地表下沉曲線呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，在冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶對(duì)應(yīng)的地表區(qū)域，下沉量較大，且下沉速度較快；而在彎曲下沉帶對(duì)應(yīng)的地表區(qū)域，下沉量相對(duì)較小，下沉速度也較慢。這與“兩帶”的形成機(jī)制和發(fā)育規(guī)律相吻合，進(jìn)一步證明了基于“兩帶”觀測(cè)孔和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)覆巖變形數(shù)據(jù)確定的“兩帶”高度的準(zhǔn)確性。通過對(duì)多個(gè)開采區(qū)域的“兩帶”高度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)五溝煤礦開采煤層的最大冒落帶高度一般在6-8m之間，最大導(dǎo)水裂隙帶高度一般在25-30m之間。這些數(shù)據(jù)為后續(xù)防水煤巖柱留設(shè)提供了重要的實(shí)測(cè)依據(jù)。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)“兩帶”高度與煤層采厚、巖性等因素密切相關(guān)。在煤層采厚較大、巖性較軟弱的區(qū)域，“兩帶”高度相對(duì)較大；而在煤層采厚較小、巖性較堅(jiān)硬的區(qū)域，“兩帶”高度相對(duì)較小。5.2數(shù)值模擬分析5.2.1模型建立與參數(shù)選取根據(jù)五溝煤礦的實(shí)際地質(zhì)條件，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維數(shù)值模型。模型范圍在x方向取600m，y方向取500m，z方向從地表至開采煤層底板以下100m，以確保能夠全面反映開采過程中覆巖的變形破壞情況。模型中包括第四系松散層、基巖風(fēng)化帶以及各開采煤層及其頂?shù)装鍘r層。在模型建立過程中，對(duì)各巖層進(jìn)行了合理的簡化和概化。第四系松散層按照“三隔”“四含”的分布情況進(jìn)行分層建模，“三隔”層（組）分別采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型來描述其力學(xué)行為，因?yàn)樵摫緲?gòu)模型能夠較好地反映巖土體的彈塑性力學(xué)特性?！八暮眲t采用孔隙介質(zhì)滲流模型，考慮其孔隙結(jié)構(gòu)和地下水的滲流特性?；鶐r風(fēng)化帶根據(jù)風(fēng)化程度的不同，分別賦予不同的物理力學(xué)參數(shù)。微風(fēng)化帶和弱風(fēng)化帶巖石完整性較好，采用彈性本構(gòu)模型；強(qiáng)風(fēng)化帶和全風(fēng)化帶巖石破碎，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。對(duì)于開采煤層及其頂?shù)装鍘r層，根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，選取合理的巖石力學(xué)參數(shù)。巖石的彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定。例如，72煤層頂板砂巖的彈性模量為25GPa，泊松比為0.25，密度為2500kg/m3；72煤層底板泥巖的彈性模量為15GPa，泊松比為0.30，密度為2300kg/m3。在強(qiáng)度參數(shù)方面，采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，確定各巖層的粘聚力、內(nèi)摩擦角和抗拉強(qiáng)度。72煤層頂板砂巖的粘聚力為5MPa，內(nèi)摩擦角為35°，抗拉強(qiáng)度為1.5MPa；72煤層底板泥巖的粘聚力為3MPa，內(nèi)摩擦角為30°，抗拉強(qiáng)度為1.0MPa。在邊界條件設(shè)置上，模型的左右邊界和前后邊界均施加水平位移約束，限制x方向和y方向的水平位移；底部邊界施加垂直位移約束，限制z方向的垂直位移；頂部邊界為自由邊界，模擬地表的實(shí)際情況。初始地應(yīng)力場(chǎng)根據(jù)五溝煤礦的實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，考慮自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的影響。自重應(yīng)力通過計(jì)算各巖層的重力來確定，構(gòu)造應(yīng)力則根據(jù)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的研究結(jié)果進(jìn)行合理賦值。5.2.2模擬結(jié)果分析通過對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的詳細(xì)分析，得到了五溝煤礦開采過程中覆巖變形破壞的分布特征和規(guī)律。在開采初期，隨著煤層的采出，直接頂首先發(fā)生變形和破壞。從模擬結(jié)果的位移云圖可以看出，直接頂在采空區(qū)上方出現(xiàn)了明顯的下沉和彎曲，下沉量隨著開采范圍的擴(kuò)大而逐漸增大。當(dāng)直接頂?shù)淖冃纬^其極限承載能力時(shí)，開始發(fā)生垮落，形成冒落帶。冒落帶的巖石碎塊在采空區(qū)內(nèi)堆積，隨著開采的繼續(xù)進(jìn)行，冒落帶逐漸向上發(fā)展。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，確定了不同開采階段冒落帶的高度變化情況。在開采初期，冒落帶高度增長較快；隨著開采的持續(xù)進(jìn)行，冒落帶高度增長速度逐漸減緩。在冒落帶形成的同時(shí)，其上方的巖層受到冒落帶傳遞的壓力作用，開始產(chǎn)生裂隙，形成導(dǎo)水裂隙帶。從模擬結(jié)果的塑性區(qū)分布圖可以清晰地看到導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育范圍。導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)的巖層由于受到拉伸和剪切應(yīng)力的作用，內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，形成了大量的裂隙。這些裂隙相互連通，為地下水的運(yùn)移提供了通道。模擬結(jié)果表明，導(dǎo)水裂隙帶的高度隨著開采范圍的擴(kuò)大和采厚的增加而增大。在開采過程中，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)展呈現(xiàn)出一定的階段性，在開采初期，導(dǎo)水裂隙帶高度增長迅速；當(dāng)開采達(dá)到一定規(guī)模后，導(dǎo)水裂隙帶高度增長速度逐漸趨于穩(wěn)定。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，還得到了防水煤巖柱在開采過程中的受力情況和變形特征。防水煤巖柱在開采過程中承受著上覆巖層的壓力和采空區(qū)側(cè)向壓力的作用。從模擬結(jié)果的應(yīng)力云圖可以看出，防水煤巖柱的頂部和底部應(yīng)力集中較為明顯，在這些部位容易出現(xiàn)破壞。同時(shí)，防水煤巖柱在開采過程中也會(huì)發(fā)生一定的變形，其變形量隨著開采范圍的擴(kuò)大和采厚的增加而增大。通過對(duì)防水煤巖柱的穩(wěn)定性分析，確定了其在不同開采條件下的安全系數(shù)。當(dāng)安全系數(shù)小于1時(shí)，表明防水煤巖柱可能發(fā)生破壞，需要采取相應(yīng)的加固措施。這些模擬結(jié)果為五溝煤礦防水煤巖柱的留設(shè)提供了重要的依據(jù)。根據(jù)模擬得到的導(dǎo)水裂隙帶高度和防水煤巖柱的受力變形情況，可以合理確定防水煤巖柱的留設(shè)尺寸，確保其在開采過程中能夠有效阻擋上覆水體的涌入，保障礦井的安全生產(chǎn)