综采放顶煤导水裂缝带高度分析与应用

李本军 刘晓威

摘要：根据现场不同矿区的实测资料，根据最小二乘法，探讨了综采放顶煤导水裂缝带最大高度的计算公式。通过麻家梁煤矿实例分析，同一采厚下，综采放顶煤顶板导水裂缝带的发育高度要比分层开采条件下大得多，中硬岩顶板导水裂缝带的发育高度要比软弱岩顶板导水裂缝带的发育高度大得多。资料分析成果对于指导麻家梁煤矿综采放顶煤具有重要意义。

关键词：综采放顶煤；导水裂缝带；最大高度

1 前言

综采放顶煤技术在我国厚煤层矿区的广泛使用，给煤矿企业带来了巨大的经济效益和社会效益，促进了煤炭事业的发展，同时也给“三下”采煤提出了新的课题[1]。综采放顶煤一次性采全高，开采强度大，覆岩破坏相对严重，导水裂缝带相对发育。

关于综采放顶煤条件下覆岩破坏规律的研究，国外未见报道，国内仅仅在兖州、淮南、康平、潞安等矿区开展了一些工作[1]。根据现场的实测资料，利用最小二乘法，推导总结了一些计算公式。对于没有取得综采放顶煤观测资料的矿区，在分析研究煤层顶板导水裂缝最大高度时，可参考选择使用。

2 综采放顶煤导水裂缝最大高度认识

2.1 潞安矿区覆岩破坏观测结果

潞安矿区王庄煤矿为解放水体下压煤，6206综放工作面曾开展了综采放顶煤条件下“两带”高度的观测研究。该工作面开采二叠系下统山西组3#煤层，煤层倾角1－8°，工作面采長1780m，采宽148－248m，平均采深316m，平均推进速度7m/d。采煤方法采用综采放顶煤一次采全厚，全陷法管理顶板[1]。

3#煤层上覆岩层主要由中细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩和第四系黄土层组成，整个覆岩属于中硬偏硬。

根据K1、K2、K3三个孔的现场实测资料，推导出的潞安矿区王庄煤矿导水裂缝带最大高度计算公式为公式（1），有效采厚5.2-5.9m。

（1）[1]

作者简介：李本军（1979—），男，山东嘉祥人，工程师，从事矿山地质与灾害地质研究。

式中——煤层有效采厚，m；

——导水裂缝带最大高度，m。

2.2 兖州矿区覆岩破坏观测结果

根据兖州矿区兴隆庄煤矿5306综放工作面放1、放2、放3孔实测资料、4314综放工作面放4、放5孔实测资料和鲍店煤矿1316工作面L3、L4孔实测资料，推导出的兖州矿区导水裂缝带最大高度计算公式为公式（2），有效采厚8.2-8.8m。

（2）[1]

各参数意义同公式（1）。

兖州矿区综放开采时，导水裂缝带的发育受到明显的抑制。主要原因是：兖州矿区第四系松散层较厚，基岩较薄，基岩风化带内的岩层较软弱，因此在综采放顶煤开采条件下导水裂缝带的发育得到有效抑制，导水裂缝带发育高度表现出软弱岩层的特点[1]。

2.3 淮南矿区覆岩破坏观测结果

根据淮南矿区谢桥煤矿、潘一、张集煤矿综采放顶煤条件下导水裂缝带高度实测结果，利用最小二乘法计算的综采放顶煤导水裂缝带最大高度计算公式为公式（3）和公式（4）。其中煤层覆岩类型是软弱岩层的有效采厚4.0-6.0m；其中煤层覆岩类型是中硬岩层的有效采厚3.9-5.0m[1]。

中硬岩层： （3）

软弱岩层： （4）[1]

各参数意义同公式（1）。

2.4 康平矿区覆岩破坏观测结果

康平煤田地处沈阳市康平县境内，含煤地层为侏罗系，开采煤层为1#煤和2#煤，煤层倾角2—10°，覆岩岩性中硬[1]。

小康煤矿和太平煤矿综采放顶煤条件下的覆岩破坏规律的实测及分析资料见表1[1]。

表1小康煤矿、太平煤矿综采放顶煤导水裂缝带高度观测结果

煤矿 工作面 孔号 煤层采厚/m 钻孔位置 导水裂缝带高度/m 裂高采厚比

小康 S1W3 1 10.73 距运巷10m 193.41 18.03

3 10.73 距风巷10m 198.41 18.49

太平 N1N2 5 7.54 距运巷20m 185.08 24.55

N1N4 7 11.40 工作面中部 227.70 19.97

8 11.40 距风巷12m 194.64 17.07

3 麻家梁煤矿综采放顶煤导水裂缝最大高度计算与对比

3.1 麻家梁煤矿概况

同煤浙能麻家梁煤矿设计规模1200万吨/年，主采4#和9#煤，4#号煤厚1.35～11.09m，平均6.32m，煤层倾角3～8°。首采区（一、二采区）4号煤层采用放顶煤综采采煤法、全部垮落法管理顶板。4号煤层顶板岩体较完整，岩体为块状结构，岩石质量等级好。4#煤上覆岩性为砂岩、砂质泥岩及泥岩为主，硬度中硬偏硬。

3.2 开采4#煤导水裂缝带最大高度计算

表2不同采煤方法导水裂缝带对比表

孔号 采厚/m 公式（3）计算值( )/m

分层开采理论计算值( )/m

( - )/m

34216 9.65 130.94 56.28 74.66 132.66

35213 10.66 144.68 57.21 87.47 152.89

35061 9.83 133.39 56.46 76.93 136.26

35214 9.35 126.86 55.98 70.88 126.62

35085 9.5 128.90 56.13 72.77 129.65

3613 8.25 111.90 54.71 57.19 104.53

63218 10.21 138.56 56.81 81.75 143.90

63141 10.51 142.64 57.08 85.56 149.89

37040 9.09 123.32 55.70 67.62 121.40

37219 7.94 107.68 54.30 53.38 98.31

37034 8.38 113.67 54.87 58.8 107.16

37228 8.28 112.31 54.75 57.56 105.13

3819 9.42 127.81 56.05 71.76 128.03

3508 4.65 62.94 47.72 15.22 31.89

3509 5.92 80.21 50.89 29.32 57.61

3510 7.55 102.38 53.75 48.63 90.47

3611 7.58 102.79 53.79 49 91.09

3612 10.03 136.11 56.65 79.46 140.26

3715 8.99 121.96 55.59 66.37 119.39

3716 8.83 119.79 55.41 64.38 116.19

37039 9.55 129.58 56.18 73.4 130.65

3817 11.09 150.52 57.56 92.96 161.50

3818 10.95 148.62 57.45 91.17 158.69

分层开采理论计算公式指的是公式（7）

（7）[3]

式中 ——累计采厚，m；

——导水裂缝带最大高度，m。

表3不同顶板岩性导水裂缝带对比表

孔号 采厚/m 公式（2）计算值（ )/m

公式（3）计算值

( )/m

（ ）/m

34216 9.65 76.34 130.94 54.60 71.52

35213 10.66 78.61 144.68 66.07 84.05

35061 9.83 76.77 133.39 56.62 73.75

35214 9.35 75.60 126.86 51.26 67.80

35085 9.5 75.97 128.90 52.93 69.67

3613 8.25 72.60 111.90 39.3 54.13

63218 10.21 77.63 138.56 60.93 78.49

63141 10.51 78.29 142.64 64.35 82.19

37040 9.09 74.93 123.32 48.39 64.58

37219 7.94 71.66 107.68 36.02 50.27

37034 8.38 72.98 113.67 40.69 55.76

37228 8.28 72.69 112.31 39.62 54.51

3819 9.42 75.77 127.81 52.04 68.68

3508 4.65 57.79 62.94 5.15 8.91

3509 5.92 64.17 80.21 16.04 25.00

3510 7.55 70.41 102.38 31.97 45.41

3611 7.58 70.51 102.79 32.28 45.78

3612 10.03 77.23 136.11 58.88 76.24

3715 8.99 74.67 121.96 47.29 63.33

3716 8.83 74.24 119.79 45.55 61.36

37039 9.55 76.09 129.58 53.49 70.30

3817 11.09 79.49 150.52 71.03 89.36

3818 10.95 79.20 148.62 69.42 87.65

从表2可看出，同一采厚下，综放开采产生的导水裂缝带高度比分层开采要大的多，高出31.89%–161.50%；且采厚越厚两者的差距也越大。

从表3可看出，同一采厚下，中硬顶板岩性的导水裂缝带高度比软弱顶板大，高出8.91%–89.36%；且采厚越厚两者的差距也越大。

公式（2）是在煤层顶板岩性相对偏软的条件下推导的计算公式，用于预测硬度为中硬以上煤层顶板综采放顶煤导水裂缝最大高度显的差强人意。麻家梁煤矿综采放顶煤导水裂缝最大高度预测分析推荐采用公式（1）和公式（3）。

4 综采放顶煤导水裂缝带高度规律性认识

根据麻家梁煤矿计算结果，同采厚条件下，中硬顶板岩性的导水裂缝带高度比软弱顶板大，且随着采厚的增加，两者的差值越来越大，最大达到89.36%；综放开采产生的导水裂隙带高度比分层开采大，且煤层越厚两者的差距也越大，最大达到130.73%。

保守认为的综采放顶煤导水裂缝带最大高度经验公式为公式（5）、公式（6）和公式（7）。

坚硬岩层： （5）[1]

中硬岩层： （6）[1]

软弱岩层： （7）[1]

各参数含义同公式（1）。

参考文献：

[1] 胡戈，李文平，程伟等. 淮南煤田综放开采导水裂隙带发育规律研究[J]，煤炭工程，2008，（5）：74-76.

[2] 滕永海. 综采放顶煤导水裂缝带最大高度计算研究[C]，2010全国“三下”采煤与土地复垦学术会议论文集，2010，（5）：5-7.

[3] 国家煤炭工业局. 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M]，北京：煤炭工业出版社，2000.

[4] 滕永海，唐志新，郑志刚. 综采放顶煤地表沉陷规律研究及应用[M]. 北京：煤炭工业出版社，2009.

[5] 杨建立，滕永海. 综采放顶煤导水裂缝带发育规律研究[C]，2009全国矿山测量新技术学术会议论文集，2009，（8）：90-93.

[6] 李强，段克信.，王献辉等. 康平煤田综放开采覆岩破坏规律初探[J]. 矿山测量，2006，（1）：76-78.

注：文章內所有公式及图表请以PDF形式查看。