預測采煤導水裂隙帶發育高度經驗公式概述

張建石

(華北有色工程勘察院有限公司, 河北石家莊 050021)

0 引 言

地下煤層開采會造成上覆巖層應力重新分布,采空區上覆巖層會破裂形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶,冒落帶和裂隙帶并稱為導水裂隙帶[1]。導水裂隙帶發育高度對煤炭的安全生產極其重要,尤其是對礦井水害防治有較大影響,為了保障礦井采煤生產安全,需要在煤層開采之前對相應開采條件下導水裂隙帶發育高度進行預測。目前采動覆巖導水裂隙帶發育高度研究和預測方法包括:理論分析、現場實測、經驗公式、物理模擬和數值模擬[2-4],實際導水裂隙帶發育高度受許多因素的影響[5-7]。20世紀末基于傳統采煤工藝建立的導水裂隙帶發育高度預測公式具有很大局限性,雖可很好適用于分層綜采或普采條件下,薄煤層或中厚煤層開采導水裂隙帶發育高度的預測,但隨著采煤工藝和煤層賦存條件的改變,如綜放開采已成為現代化煤礦主要開采方法、煤層采高最大超過10 m,因此需要歸納、總結適用于現代采煤的導水裂隙帶發育高度預測公式。

經驗公式預測導水裂隙帶發育高度是在掌握覆巖結構類型及其變形破壞規律基礎上,選用相對應的經驗公式預測導水裂隙帶的發育高度。20世紀80年代至今,研究人員得出了適用于不同開采工藝和埋藏條件的采煤導水裂隙帶發育高度的預測公式,保證了預測結果的可靠性和煤炭開采的安全性。本文通過查閱文獻,對各個礦區不同時期建立的預測導水裂隙帶發育高度的經驗公式及其適用性進行了分析和總結,主要包括規范性經驗公式、回歸分析經驗公式。

1 規范性經驗公式

當前國內應用最廣泛的預測導水裂隙帶發育高度的經驗公式源自國家煤炭工業局頒發布的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設及壓煤開采規程》[8](以下簡稱《三下采煤規程》)和國家技術監督局發布的《礦區水文地質工程地質勘探規范》(GB12719-1991)[9](以下簡稱《礦區勘探規范》)?！度虏擅阂幊獭泛汀兜V區勘探規范》經驗公式通過歸納總結20世紀當時國內常規采煤條件下覆巖裂隙發育規律得出,可用于預測薄煤層及中厚煤層分層綜采或普采工藝下的“兩帶”發育高度。這些經驗公式為水體下礦井安全開采提供了規范性依據,對導水裂隙帶發育高度的預測發揮了指導性作用,保證了當時煤炭資源開采的安全。

1．1 規范性經驗公式

實際應用中,煤層開采工藝和采煤參數對導水裂隙帶發育高度有重要作用,查清對應開采條件是選擇準確預測導水裂隙帶發育高度經驗公式的前提。

煤層依據傾角大小分為緩傾斜、中傾斜和急傾斜煤層,依據厚度可以分為薄煤層、中厚煤層、厚煤層和巨厚煤層,開采工藝分為普采、分層綜采和綜采。當前隨著開采工藝和采煤條件的提升,煤礦開采煤層多為緩傾斜和中傾斜煤層,本文重點歸納緩傾斜、中傾斜煤層導水裂隙帶發育高度計算方法。

《三下采煤規程》和《礦區勘探規范》是經過前人多年現場觀測研究,查清當時典型開采工藝下“兩帶”發育規律基礎上編著,其中就有分層開采條件預測導水裂隙帶發育高度的經驗公式。

表1為《三下采煤規程》緩傾斜、中傾斜煤層分層開采時預測導水裂隙帶發育高度的經驗公式,其中Hf為導水裂隙帶發育高度;M為煤層采厚。

表1 《三下采煤規程》分層開采導水裂隙帶經驗公式

表2為《礦區勘探規范》中緩傾斜、中傾斜煤層分層開采時導水裂隙帶發育高度預測公式,其中n為分層數。

表2 《礦區勘探規范》分層開采導水裂隙帶經驗公式

1．2 規范性經驗公式的適用性

《三下采煤規程》和《礦區勘探規范》中經驗公式是依據當時大量典型工作面實測資料歸納、整理得出。兩個文件實施之前,國內主要采煤方式為普采或分層開采等傳統采煤法,大多數典型工作面采煤高度小于3 m,工作面寬度小于200 m,采空區長度小于1000 m。規范性經驗公式適用于上述開采條件采煤導水裂隙帶發育高度的高精度預測,對當時煤炭開采強度規劃和保障煤炭安全生產發揮了極其重要的作用。

隨著采煤機械化程度提高,開采工藝發生了巨大變化,現代多采用放頂煤、一次采全高等高效的采煤工藝;采煤高度、工作面尺寸等也有巨大改變。國內一些地區煤層采高最大已超過10 m,工作面寬度達到200~300 m,采空區最大長度超過6000 m。煤層開采強度的變化,導致經驗公式預測精度大大降低。許多研究結果表明,《三下采煤規程》和《礦區勘探規范》經驗公式已不適應現代化采煤條件下導水裂隙帶發育高度的預測。故此,亟需對規范或規程中的經驗公式進行修訂,建立適用于綜放開采條件采煤導水裂隙帶發育高度的預測模型。

《三下采煤規程》導水裂隙帶高度計算公式形式為眾多研究者所采用,可將其稱為經典形式,即:

式中,q、p為系數;m為中誤差。

有研究表明式(1)對于預測導水裂隙帶高度具有普遍性[10],通過實測數據的回歸分析,可得到不同開采條件導水裂隙帶發育高度的預測公式。

當前工藝多采用一次采全高,《礦區勘探規范》導水裂隙帶發育高度計算公式開采層數n為1,經整理為:

式中,a、b為參數,該公式形式同樣為眾多研究者用于不同采煤工作面導水裂隙帶發育高度的研究與預測。

2 回歸統計性經驗公式

統計性經驗公式是在實測導水裂隙帶高度基礎上,對開采條件進行分析、歸納,采用一定的公式形式經統計回歸分析得出經驗公式。當前單因素回歸分析研究集中于相同覆巖類型條件下,采厚與導水裂隙帶發育高度之間的關系。

目前,式(1)是最常采用的回歸分析模型,見表3。許延春等[10]在文中指出式(1)在預測“兩帶”發育高度方面具普遍性,并基于此式對開采資料進行回歸分析,得到了綜放開采條件下“兩帶”發育高度預測公式。該組經驗公式預測結果較實測略大,能夠極好滿足煤層開采強度的規劃,同時指出《三下采煤規程》推薦公式預測結果較實測偏小,已不適應導水裂隙帶發育高度的預測。同樣,丁鑫品等[11]在評價規范推薦公式適用性基礎上,采用式(1)通過回歸分析得出了不同開采條件下“兩帶”發育高度的計算公式,利用多倫協鑫煤礦和興隆煤礦實測數據驗證了析出公式的準確性和適用性。高保彬等[12]對同煤礦區四臺煤礦水體下采煤導水裂隙帶發育高度進行了測量和預測,證明《三下采煤規程》經驗公式在該礦區應用中的誤差,已無法適應實際需要。采用回歸分析得出了預測同煤礦區導水裂隙帶發育高度的經驗公式。利用現場實測驗證了該公式的準確性。劉瑞新[13]對兗州礦區開采上限進行研究時,測量了不同試采工藝的導水裂隙帶發育高度。將實測數據和已有數據經統計分析得出了適用于兗州礦區厚煤層不同開采工藝的導水裂隙帶發育高度預測公式。同時,指出不同煤巖尺寸和開采深度的導水裂隙帶發育高度存在較大差異:煤柱較小時,導水裂隙帶高度較小;覆巖柱較大時,導水裂隙帶高度也較大;整層綜放較網下綜放開采要大。

表3 經典形式回歸統計經驗公式[10-13]

同樣,式(2)也是常用的回歸分析模型,見表4。馬雄德等[14]指出現場實測、物理模擬和數值模擬方法對神南礦區中硬巖采煤導水裂隙帶發育高度的結果存在很大差異,在此基礎上根據實測高度和周邊礦井資料,采用式(2)經線性擬合得到適用于計算神南礦區導水裂隙帶發育高度的公式。分析指出采高小于3 m時,預測結果與規范推薦公式結果接近;采高為3~6 m時,《三下采煤規程》公式計算結果偏小;采高大于6 m時,《三下采煤規程》與《礦區勘探規范》公式計算結果均偏小。朱偉等[15]對潞安礦區不同開采工藝導水裂隙帶發育高度進行研究,指出導水裂隙帶發育高度與采厚成正比,且分層綜放開采可有效降低其發育高度。分析得出了含有采高和開采分層數的導水裂隙帶發育高度預測公式,經漳河下煤層開采驗證了預測結果的可靠性。李文平等[16]分析了淮南礦區導水裂隙帶發育規律,指出綜采導水裂隙帶發育高度較分層開采要大,且已無法適用綜放開采大采高導水裂隙帶發育高度的預測?；趯崪y數據對軟弱頂板導水裂隙帶發育高度與采厚進行回歸分析得出了預測公式;并指出該式適用于類似開采條件下4~6 m煤層開采導水裂隙帶發育高度的預測。研究發現導水裂隙帶發育高度與開采工藝、采高等參數也存在一定關系。

表4 線性形式回歸統計經驗公式[14-16]

導水裂隙帶發育高度預測公式常采用的回歸模型還有指數形式,見表5。余學義等[17]在評價規范性經驗公式適用性和研究影響導水裂帶發育高度因素的基礎上,采用礦區實測資料經非線性擬合得出了大采高放頂煤開采條件下預測導水裂隙帶發育高度的公式。文章通過計算和對比,指出傳統開采條件下導水裂隙帶發育高度較機械化開采時要小,且采高大于3 m時,這種差異更加明顯。孫亞軍等[18]評價小浪底水庫水體下采煤安全性時,采用物理模擬和數值模擬分析了導水裂隙帶發育高度的規律,發現采煤厚度是導水裂隙帶發育高度的主要影響因素,且兩者非線性關系。將現場監測、物理模擬和數值模擬獲得的導水裂隙帶發育高度,經非線性擬合得出適用于該礦區導水裂隙帶發育高度預測公式,試采結果驗證了預測公式的可靠性。

表5 指數形式回歸統計經驗公式[17-18]

3 結 語

通過文獻查閱,歸納總結了導水裂隙帶發育高度預測的計算公式。通過本文分析、總結,對導水裂隙帶發育高度預測公式研究有以下結論和建議:

(1)廣泛應用于預測導水裂隙帶發育高度的規范性經驗公式已不適應現代化采煤要求。規范性經驗公式可適應小于3．5 m煤層的分層開采或普采。隨著開采條件改變,規范性經驗公式預測結果往往偏小,會給水體下采煤安全帶來隱患。

(2)隨著綜采技術推廣和相應實測資料增多,建立相應預測經驗公式的時機已成熟,為滿足現代化采煤的需要,對相關規范文件的完善、修訂已十分緊迫。

(3)當前研究常采用預測公式形式有3種,即經典形式、線性形式和指數形式。缺乏相適應預測公式時可采用相關公式形式建立適用自身需要的經驗公式。

(4)導水裂隙帶發育高度經驗公式預測結果往往存在一定誤差,影響煤礦生產安全?？蓪⒔涷灩接嬎闩c現場實測、物理模擬、數值模擬等研究手段結合使用,以提高預測結果的準確性。