五溝煤礦導水裂隙帶發育高度預測

李小慶， 宣以瓊， 朱 凱

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230022）

0 引 言

五溝煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣五溝鎮，井田面積14．5km2，年產量160萬噸，設計服務年限52年。在初步設計時，根據含水層富水特征、采厚等影響因素，留設70～100m的防水煤巖柱，壓煤178．9萬t，造成大量資源損失，無法滿足經濟技術合理性要求。為了減少壓煤損失，煤礦在確保安全的情況下提高開采上限，因此需對導水裂隙帶發育高度進行預測。一般預測導水裂隙帶發育高度采用“三下”開采規程所提供的經驗公式，但是規程中的公式誤差偏大，本文就五溝煤礦已開采工作面的觀測結果，利用模糊數學方法，提出更適合本礦的裂隙帶高度計算公式，為提高開采上限提供科學依據。

1 導水裂隙帶發育高度影響因素分析

影響導水裂隙帶發育高度的因素非常多，通過實際觀測和國內外研究成果［1］－［5］及本文研究表明影響導水裂隙帶發育高度最重要的因素是采高，其它重要因素還有覆巖巖性及巖層結構、工作面幾何參數、煤層傾角及斷層等。其中斷層在每個采場的分布都不相同，一般要單獨進行計算，本文暫不考慮；五溝煤礦8煤層煤層傾角為接近水平的緩傾斜煤層，所以導水裂隙帶發育高度受煤層傾角影響很小，這里也不作考慮。本文主要針對采高、工作面幾何參數、覆巖巖性及巖層結構對導水裂隙帶發育高度的影響進行分析。

五溝煤礦附近煤礦綜采工作面的采高與導水裂隙帶發育高度關系見圖1，從圖1中可以看出，實際觀測的導水裂隙帶發育高度與煤層采高之間的規律性并不是很明顯，無法用一個簡單的數學函數來表示。這是由于沒有考慮頂板巖層結構及工作面幾何參數的影響，而對導水裂隙帶觀測資料可以發現巖層結構及工作面幾何參數的影響可以作為采高的一個折減因素考慮?？紤]巖層結構及工作面幾何參數得到的等效采高計算公式為:

式（1）中:hd——等效采高；μ0——巖層綜合質量隸屬度；kg——工作面幾何參數影響系數；hs——實際采高。

圖1 導水裂隙帶發育高度與煤層采高關系

根據現場實際觀測結果和相關研究成果表明，頂板距離煤層不同距離的巖層對導水裂隙帶發育高度的影響不同。據此把頂板覆巖巖層分為直接頂和老頂進行計算，直接頂和老頂對巖層綜合質量隸屬度的影響權重分別定為0．3和0．7，得到巖層綜合質量隸屬度μ0的計算式為:

式中:μz——直接頂巖層質量隸屬度；μl——老頂巖層質量隸屬度；σl——老頂綜合抗壓強度；σz——直接頂綜合抗壓強度。

直接頂和老頂的綜合抗壓強度計算公式如下:

式中:mzi——直接頂各巖層厚度；σci——直接頂各巖層抗壓強度；mli——老頂各巖層厚度；σci——老頂各巖層厚度。

工作面幾何參數影響系數是由工作面長度和工作面覆巖達到充分采動時的長度決定的，當工作面長度達到工作面覆巖充分采動長度以后kg取值為1。

式中:l——工作面長度；L——工作面覆巖達到充分采動時的長度，對于五溝煤礦取經驗值110m。

已采工作面實測裂隙帶高度與工作面統計情況見表1。

表1 五溝煤礦綜放開采工作面采高與導水裂隙帶發育高度關系表

2 預測公式

2．1 預測模型

導水裂隙帶發育高度與等效采高的關系見圖2，可見導水裂隙帶發育高度隨著采高的增大而增大，但是導高隨采高增加的速率則逐漸變小，呈近二次拋物線關系，畫出等效采高的開方值與導水裂隙帶發育高度的關系可以看出非常接近線性分布（見圖3），因此將等效采高的開方值作為計算采高計算。

圖2 導水裂隙帶發育高度與等效采高關系

圖3 導水裂隙帶發育高度與計算采高關系

基于上述分析建立導水裂隙帶計算公式:

式中:HL——導水裂隙帶厚度；hj——計算采高。

2．2 參數估計

將表1中數據代入式（10），（11）求系數a、b:

于是得到新的導水裂隙帶公式為:

2．3 線性假設顯著性檢驗

對計算采高和裂隙帶高度呈線性關系的假設是否成立，求得的公式是否有用，需要進行假設檢驗。若線性假設成立，則b≠0，假設:

假設檢驗的顯著性水平設為α，則拒絕域為:

取顯著性水平α＝0．05，代入數據得｜t｜＝8．7，查表得t0．025（5）＝2．570＜｜t｜，所以假設成立，回歸效果顯著，所得公式可用。

3 與三下采煤規程公式比較

三下采煤規程對緩斜煤層導水裂隙帶發育高度計算公式為［6］:

覆巖為中硬巖層時:導水裂隙帶發育高度:

覆巖為軟弱巖層時:導水裂隙帶發育高度:

按三下開采規程和所得新公式計算結果與實測裂隙帶高度對比見表2，由表可見新公式對導水裂隙帶發育高度的預測更準確。

表2 導水裂隙帶發育高度計算結果與實測結果統計表

五溝煤礦1023工作面位于南二采區的東翼，于2012年下半年開始開采的工作面，是五溝正在開采的兩個工作面之一，工作面走向長1437m，傾斜寬89m［5］。根據對已采區段鉆孔資料，采高3．8m，直接頂泥巖，老頂為細砂巖和粉砂巖，導水裂隙帶發育高度為31．9m，頂板巖性柱狀圖見圖4。

圖4 頂板巖性柱狀圖

由柱狀圖4可知煤層頂板屬中硬偏軟地層，按三下開采規程的中硬巖層公式（見式13）計算，誤差取負值，求得導水裂隙帶發育高度為33．7m。由公式（2）和公式（7）可求得巖層綜合質量隸屬度為0．544，工作面幾何參數影響系數為0．9，代入式（12）可求得導水裂隙帶發育高度31．2。由此可以看出新公式比原經驗公式誤差小，更適合五溝煤礦。

4 結束語

分析了影響導水裂縫帶發育高度的各因素，進行了歸一化處理及評價，提出了等效采厚、計算采厚與工作面幾何參數影響系數等參數，將非線性問題轉化為線性問題，建立了反映巖性、巖層結構及工作面幾何參數影響的預測模型，推導獲得了適用于五溝煤礦8煤層綜放開采的導水裂縫帶高度預測公式，并對其進行工程檢驗，證明該公式比原有經驗公式的誤差小，對五溝煤礦8煤開采具有指導價值。

1 國家安全生產監督管理總局，國家煤炭安全監察局．煤礦防治水規定［M］．北京:煤炭工業出版社，2009:18－19．

2 劉增輝，楊本水．利用數值模擬方法確定導水裂隙帶發育高度［J］．礦業安全與環保，2006，33（5）:16－19．

3 曹志強，楊本水，王文．恒晉煤礦巷道圍巖穩定的模糊分析［J］．安徽建筑工業學院學報，2012，20（1）:36－40．

4 許文松，常聚才．厚松散含水層下重復采動覆巖破壞規律研究［J］．礦業工程研究，2012，27（2）:23－26．

5 高學通．推覆體構造下采動覆巖破壞特征及防治水對策［J］．能源技術與管理，2011，24（2）:24－26．

6 孫文華．三下采煤新技術應用與煤柱留設及壓煤開采規程實用手冊［M］．北京:中國煤炭出版社，2005:798－803．