上饶县某煤矿导水裂缝带高度预测研究

华伟嫔，肖秋福

（1.江西省煤田地质勘察研究院，江西 南昌330001；2.赣州市水文局，江西 赣州341000）

上饶县某煤矿是证照齐全的合法矿井，其生产规模为60kt／a。矿井采用斜井多水平开拓方式，采用斜切爆破采煤法，顶板采用全部垮落式管理，矿山的采动将使顶板破坏，产生的裂隙极易沟通上部含水层，使得顶板涌水，产生突水事故。导水裂隙带高度的预测，对煤矿防治水工作有重要作用。

1 地质背景

1.1 地层

矿区内出露地层自老至新有：二叠系下统栖霞组（P1q）、二叠系下统茅口组（P1m）、二叠系下统湖塘组彭家段（P1hp）、二叠系上统上饶组下段童家段（P2sht）、上饶组上段雾霖山段（P2shw），二叠系上统大隆组（P2dl），三叠系下统大冶组（T1dy）及第四系（Q）。

1.2 可采煤层

矿井可采煤层有三层，均为二叠系上统上饶组童家段（P2sht）地层，分别是B8、B9、B10煤层。

（1）B8煤层：煤层厚度0.70～1.95m，平均厚度0.85 m，倾角20°～23°。

（2）B9煤层：位于B8煤层之上7.00～68.0m，煤层厚度0.85～1.65m，平均厚度1.03m，倾角20°～23°。

（3）B10煤层：位于B9煤层之上12.8～56.2m，煤层厚度0.70～1.35m，平均厚度0.75m，倾角20°～23°。

1.3 含水层

对煤层顶板突水有影响的含水层有：

（1）第四系孔隙含水层：属弱含水层，离煤层较远，对矿床充水影响很小。

（2）风化裂隙含水层：属弱含水层，对矿床充水影响很小，其富水性随季节变化。

（3）灰岩岩溶裂隙含水层：主要有分布于矿区北部的大冶组地层及分布于矿区南部的茅口组和栖霞组，其中大冶组泥灰岩含水层在大气降水和上部含水层的补给下，富水性较强，一旦沟通矿井巷道，将产生严重的突水事故。

2 导水裂隙带高度

本矿开采历史悠久，有大量的积水和采空区，且本矿开采标高较浅，对导水裂隙带高度的预测，可有效地指导防水煤岩柱的留设，避免突水的发生，笔者采用两种方法对导水裂隙带高度进行预测。

2.1 按照规程计算导水裂隙带高度

煤层开采引起的覆岩移动变形对含水层的影响主要受垮落带、导水裂隙带高度的控制。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程》推荐的公式对垮落带高度、导水裂隙带高度、保护层高度及防水煤柱高度进行计算预测。

该矿井主要可采煤层的顶板岩性均为中硬，煤层倾角α≤55°。

（1）垮落带高度计算公式：

式中：Hm为垮落带高度，m；M为煤层开采厚度，m。

（2）导水裂隙带高度计算公式：

式中：M为煤层开采厚度，m。

综合开采厚度计算公式为：

当上、下两煤层之间的距离很小时，则综合开采厚度为累计厚度，综合开采厚度计算公式为：

式中：M1为上层煤开采厚度，m；M2为下层煤开采厚度，m；h1—2为上、下煤之间的法线距离，m；y2为下层煤的冒高与采厚之比。

（3）保护层高度计算公式：

防水煤柱高度计算公式：

式中：Hb为保护层高度，m；M为煤层开采厚度，m；n为分层层数；Hsh为防水煤柱高度，m；Hli为裂隙带高度，m；Hfe为基岩风化带深度，本矿区的基岩风化带厚度约为8～10 m。

（4）预测结果

通过上述垮落带与煤层间的垂距比较，除B8号煤层外，其它两煤层间的最小垂距大于回采下层煤的垮落带高度，各煤层的导水裂隙带高度按照原来的单一煤层计算。

B8号煤层可采厚度0.7～1.95m，平均0.85m，垮落带高度5.34～9.12m，大于与其上部B9号煤层间距7.00～68.00m。因此，B8号煤层导水裂隙带最大高度应采用上、下煤层的综合开采厚度计算，取其中标高最高者为两煤层的导水裂隙带最大高度，累计厚度为1.55～3.6m，经计算其导水裂隙带高度为34.90～47.95m。

经计算，区内垮落带和导水裂隙带高度、保护层厚度、防水煤岩柱高度预测结果见表1。

表1 垮落带、导水裂隙带、保护层、防水煤柱预测结果

从表1可看出，B10煤层、B9煤层及B8煤层全部开采后导水裂隙带高度范围平均分别为21.23～27.32m、25.23～30.30m、34.05～37.42m。

2.2 BP神经网络预测导水裂隙带高度

运用对BP神经网络预测方法，优选顶板导水裂隙带高度预测指标，建立BP神经网络计算模型，利用已有观测资料进行训练和测试，预测样本指标见表2。

表2 预测样本指标

选取导水裂隙带高度作为母因素，采深、煤层倾角、采厚、工作面斜长4个指标记为子因素，并作无量纲化处理，处理公式如下：

采用表中1～11号样品为训练样本，12～15号为测试样品，建立灰色BP神经网络模型网络，采用Sigmoid型函数作为输出函数。灰色BP网络训练部分计算过程见图1，误差下降曲线见图2。

图1 部分训练过程

代入该煤矿1202工作面数据代码

得Y＝0.3961，通过反归一化计算，当B10煤层采厚取0.75m时，导水裂隙带高度为25.17m。

图2 误差下降曲线

运用上述方法，可得出B9煤层采厚取1.03m、B8煤层采厚取0.85m时，导水裂隙带高度分别为30.52m、36.81m。

3 结语

按照“三下开采规程”计算得出，B10煤层、B9煤层及B8煤层全部开采后导水裂隙带高度平均分别为21.23～27.32m、25.23～30.30m、34.05～37.42m；通过BP神经网络模拟导水裂隙带高度得出B10煤层、B9煤层及B8煤层全部开采后导水裂隙带高度分别为21.23～25.17m、30.52 m、36.81m。按照规程计算的导水裂隙带高度值与BP神经网络预测值基本一致，两种方法相互印证，使结果更加准确可靠。

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