五沟煤矿导水裂隙带发育高度预测

李小庆， 宣以琼， 朱 凯

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022）

0 引 言

五沟煤矿位于安徽省淮北市濉溪县五沟镇，井田面积14．5km2，年产量160万吨，设计服务年限52年。在初步设计时，根据含水层富水特征、采厚等影响因素，留设70～100m的防水煤岩柱，压煤178．9万t，造成大量资源损失，无法满足经济技术合理性要求。为了减少压煤损失，煤矿在确保安全的情况下提高开采上限，因此需对导水裂隙带发育高度进行预测。一般预测导水裂隙带发育高度采用“三下”开采规程所提供的经验公式，但是规程中的公式误差偏大，本文就五沟煤矿已开采工作面的观测结果，利用模糊数学方法，提出更适合本矿的裂隙带高度计算公式，为提高开采上限提供科学依据。

1 导水裂隙带发育高度影响因素分析

影响导水裂隙带发育高度的因素非常多，通过实际观测和国内外研究成果［1］－［5］及本文研究表明影响导水裂隙带发育高度最重要的因素是采高，其它重要因素还有覆岩岩性及岩层结构、工作面几何参数、煤层倾角及断层等。其中断层在每个采场的分布都不相同，一般要单独进行计算，本文暂不考虑；五沟煤矿8煤层煤层倾角为接近水平的缓倾斜煤层，所以导水裂隙带发育高度受煤层倾角影响很小，这里也不作考虑。本文主要针对采高、工作面几何参数、覆岩岩性及岩层结构对导水裂隙带发育高度的影响进行分析。

五沟煤矿附近煤矿综采工作面的采高与导水裂隙带发育高度关系见图1，从图1中可以看出，实际观测的导水裂隙带发育高度与煤层采高之间的规律性并不是很明显，无法用一个简单的数学函数来表示。这是由于没有考虑顶板岩层结构及工作面几何参数的影响，而对导水裂隙带观测资料可以发现岩层结构及工作面几何参数的影响可以作为采高的一个折减因素考虑。考虑岩层结构及工作面几何参数得到的等效采高计算公式为:

式（1）中:hd——等效采高；μ0——岩层综合质量隶属度；kg——工作面几何参数影响系数；hs——实际采高。

图1 导水裂隙带发育高度与煤层采高关系

根据现场实际观测结果和相关研究成果表明，顶板距离煤层不同距离的岩层对导水裂隙带发育高度的影响不同。据此把顶板覆岩岩层分为直接顶和老顶进行计算，直接顶和老顶对岩层综合质量隶属度的影响权重分别定为0．3和0．7，得到岩层综合质量隶属度μ0的计算式为:

式中:μz——直接顶岩层质量隶属度；μl——老顶岩层质量隶属度；σl——老顶综合抗压强度；σz——直接顶综合抗压强度。

直接顶和老顶的综合抗压强度计算公式如下:

式中:mzi——直接顶各岩层厚度；σci——直接顶各岩层抗压强度；mli——老顶各岩层厚度；σci——老顶各岩层厚度。

工作面几何参数影响系数是由工作面长度和工作面覆岩达到充分采动时的长度决定的，当工作面长度达到工作面覆岩充分采动长度以后kg取值为1。

式中:l——工作面长度；L——工作面覆岩达到充分采动时的长度，对于五沟煤矿取经验值110m。

已采工作面实测裂隙带高度与工作面统计情况见表1。

表1 五沟煤矿综放开采工作面采高与导水裂隙带发育高度关系表

2 预测公式

2．1 预测模型

导水裂隙带发育高度与等效采高的关系见图2，可见导水裂隙带发育高度随着采高的增大而增大，但是导高随采高增加的速率则逐渐变小，呈近二次抛物线关系，画出等效采高的开方值与导水裂隙带发育高度的关系可以看出非常接近线性分布（见图3），因此将等效采高的开方值作为计算采高计算。

图2 导水裂隙带发育高度与等效采高关系

图3 导水裂隙带发育高度与计算采高关系

基于上述分析建立导水裂隙带计算公式:

式中:HL——导水裂隙带厚度；hj——计算采高。

2．2 参数估计

将表1中数据代入式（10），（11）求系数a、b:

于是得到新的导水裂隙带公式为:

2．3 线性假设显著性检验

对计算采高和裂隙带高度呈线性关系的假设是否成立，求得的公式是否有用，需要进行假设检验。若线性假设成立，则b≠0，假设:

假设检验的显著性水平设为α，则拒绝域为:

取显著性水平α＝0．05，代入数据得｜t｜＝8．7，查表得t0．025（5）＝2．570＜｜t｜，所以假设成立，回归效果显著，所得公式可用。

3 与三下采煤规程公式比较

三下采煤规程对缓斜煤层导水裂隙带发育高度计算公式为［6］:

覆岩为中硬岩层时:导水裂隙带发育高度:

覆岩为软弱岩层时:导水裂隙带发育高度:

按三下开采规程和所得新公式计算结果与实测裂隙带高度对比见表2，由表可见新公式对导水裂隙带发育高度的预测更准确。

表2 导水裂隙带发育高度计算结果与实测结果统计表

五沟煤矿1023工作面位于南二采区的东翼，于2012年下半年开始开采的工作面，是五沟正在开采的两个工作面之一，工作面走向长1437m，倾斜宽89m［5］。根据对已采区段钻孔资料，采高3．8m，直接顶泥岩，老顶为细砂岩和粉砂岩，导水裂隙带发育高度为31．9m，顶板岩性柱状图见图4。

图4 顶板岩性柱状图

由柱状图4可知煤层顶板属中硬偏软地层，按三下开采规程的中硬岩层公式（见式13）计算，误差取负值，求得导水裂隙带发育高度为33．7m。由公式（2）和公式（7）可求得岩层综合质量隶属度为0．544，工作面几何参数影响系数为0．9，代入式（12）可求得导水裂隙带发育高度31．2。由此可以看出新公式比原经验公式误差小，更适合五沟煤矿。

4 结束语

分析了影响导水裂缝带发育高度的各因素，进行了归一化处理及评价，提出了等效采厚、计算采厚与工作面几何参数影响系数等参数，将非线性问题转化为线性问题，建立了反映岩性、岩层结构及工作面几何参数影响的预测模型，推导获得了适用于五沟煤矿8煤层综放开采的导水裂缝带高度预测公式，并对其进行工程检验，证明该公式比原有经验公式的误差小，对五沟煤矿8煤开采具有指导价值。

1 国家安全生产监督管理总局，国家煤炭安全监察局．煤矿防治水规定［M］．北京:煤炭工业出版社，2009:18－19．

2 刘增辉，杨本水．利用数值模拟方法确定导水裂隙带发育高度［J］．矿业安全与环保，2006，33（5）:16－19．

3 曹志强，杨本水，王文．恒晋煤矿巷道围岩稳定的模糊分析［J］．安徽建筑工业学院学报，2012，20（1）:36－40．

4 许文松，常聚才．厚松散含水层下重复采动覆岩破坏规律研究［J］．矿业工程研究，2012，27（2）:23－26．

5 高学通．推覆体构造下采动覆岩破坏特征及防治水对策［J］．能源技术与管理，2011，24（2）:24－26．

6 孙文华．三下采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程实用手册［M］．北京:中国煤炭出版社，2005:798－803．