综放条件下上覆岩层“两带”高度多因素经验公式确定

马斌斌

(西山煤电西曲矿通风五队，山西 古交 030200)

引 言

煤层开采后必然会导致上覆岩层向采空区一侧移动，引发顶板的下沉和垮落。由此，上覆岩层会形成明显的“三带”状态，由上而下依次为弯曲下沉带、导水裂缝带和垮落带。其中，导水裂缝带和垮落带是影响水体下煤层开采和井巷安全煤岩柱留设的关键因素。因此，确定合理的“两带”高度对煤矿的安全生产有着重要的意义。本文通过大量收集多个煤矿的相关数据，利用多元回归分析的方法，分析了埋深、采高、煤层倾角对“两带”高度的影响。总结归纳出了适用于综放条件下的“两带”高度计算经验公式。

1 研究现状

通过大量的现场实测，前人已经把适用于分层综采和普采的“两带”高度计算经验公式归纳总结出来(见表1)，并写入《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[1]。但由于条件限制，没有考虑综放开采条件下的覆岩“两带”高度，也没有考虑埋深和煤层倾角等因素对上覆岩层“两带”高度的影响。在如今煤矿大量使用综放工作面，大量开采大倾角、深埋深煤层的情况下，过去的经验公式用于解决此类问题则有一定局限性。因此，得出一条适用于综放开采条件下的“两带”高度计算经验公式具有一定的实际应用价值[2-5]。

2 确定经验公式

2.1 整理数据

通过翻阅大量的论文资料，将全国多个煤矿不同综放工作面、依据不同的覆岩条件整理成表。第159页表2、表3分别为中硬和软弱覆岩条件下“两带”高度统计表。由于坚硬顶板条件下的“两带”高度数据较少，本文未对其进行分析[6]。

表1 “两带”高度计算经验公式

2.2 中硬顶板“两带”高度分析

表2为中硬覆岩条件下的“两带”高度统计数据。由表2可以看出，采高、埋深和倾角对“两带”高度均有影响，故对表2中的数据进行多元线性回归分析。

1) 垮落带经验公式[见式(1)]：

Hm=22.69-1.56M+0.003 7h+1.35α

(1)

式中：Hm为垮落带高度，M为采高，h为埋深，α为煤层倾角。复相关系数R2为0.74。

2) 导水裂缝带经验公式[见式(2)]

Hli=61.472+4.17M-0.028 7h-0.819α

(2)

式中：Hli为导水裂缝带高度。复相关系数R2为0.93。

表2 综放开采中硬覆岩“两带”高度数据

表3 综放开采软弱覆岩“两带”高度数据

2.3 软弱顶板“两带”高度分析

表3为软弱覆岩条件下的“两带”高度统计数据表。同样的，对其“两带”高度进行多因素回归分析。

1) 垮落带经验公式[见式(3)]

Hm=25.63+4.15M-0.078 9h+0.326α

(3)

公式的复相关系数R2为0.74。

2) 导水裂缝带经验公式[见式(4)]

Hli=-65.75+14.72M+0.178h-0.816α

(4)

公式的复相关系数R2为0.94。

3 经验公式适用性分析

3.1 中硬覆岩条件下的公式适用性分析

表4、表5为中硬覆岩综放条件下多因素回归分析方程计算得出的“两带”高度和原经验公式计算得出的“两带”高度的对比。

表4 中硬覆岩垮落带高度计算结果对比

表5 中硬覆岩导水裂缝带高度计算结果对比

由表4可以看出，在中硬覆岩综放开采下，使用原有经验公式计算的垮落带高度比实测小，且误差较大，误差为-51.94～-30.81%。而使用综放条件下的多因素回归分析方程得到的垮落带高度误差明显减小，为-12.32%～-0.52%。由表5可以看出，使用原有经验公式计算得出的导水裂缝带高度明显小于实测裂高，误差较大，为-48.93%～-28.12%。而使用多因素回归方程计算得到的裂高误差明显减小，为-27.57%～9.80%。误差为-27.57%的样本考虑可能测量结果偏大导致[7]。

综合考虑表4、表5可以看到，在中硬覆岩条件下，使用原经验公式计算得到的综放工作面“两带”高度普遍误差较大，在实际生产中使用该公式可能会导致留设安全保护煤柱厚度过小，存在安全隐患。而使用多因素回归分析方程得到的“两带”高度综合考虑了多种影响因素，误差明显减小，对安全生产有一定意义，实际应用性较好[8]。

3.2 软弱覆岩条件下的公式适用性分析

第160页表6、表7为软弱覆岩条件下的“两带”高度数据对比表，表中分别用原经验公式和多因素回归方程计算所得的结果与实测结果进行了对比。

由表6可以看出，软弱覆岩条件下进行综放开采的垮落带高度远大于使用原经验公式计算所得值，误差在-79.8%～-50.52%。而使用综放条件下的多因素回归分析方程所得出值的误差明显减小，为-19.57%～23.9%。由表7可以看出，在软弱覆岩综放开采条件下的导水裂缝带高度与使用经验公式计算所得的结果相比，误差也较大，为-85.57%～-25.78%。使用综放开采多因素回归方程得到的值，误差明显减小，为-14.4%～20.8%。表明，经验公式不适合对综放开采条件下的“两带”高度进行计算，计算结果有明显误差，在实际生产中使用综放开采多因素回归方程计算“两带”高度，对留设安全保护煤柱提供了重要依据，大大减小了安全隐患[9-10]。

表6 软弱覆岩垮落带高度计算结果对比

表7 软弱覆岩导水裂缝带高度计算结果对比

4 结论

如今，综放开采已经是我国开采厚煤层的主要方式之一。可是，对综放开采条件下的上覆岩层“两带”高度的计算却没有一个合适的计算公式，使用原有经验公式计算所得的值与实测值相比误差较大，确定一个适用于综放开采条件的经验公式十分必要。

通过多元回归分析的方法计算得出多因素回归分析方程，与实测数据相比，误差明显减小，并且考虑到了采高、埋深和倾角3种因素对“两带”高度的影响，对水体下采煤和留设安全保护煤柱有着重要的意义。

参考文献：

[1] 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.

[2] 陈佩佩,刘鸿泉,张刚艳.海下综放开采防水安全煤岩柱厚度的确定[J].煤炭学报，2009，34(7):875-880.

[3] 王正帅,邓喀中,谭志祥.导水裂缝带高度预测的模糊支持向量机模型[J].地下空间与工程学报,2011,7(4):723-727.

[4] 尹增德,李伟,王宗胜.兖州矿区放顶煤开采覆岩破坏规律探测研究[J].焦作工学院学报，1999(4):235-238.

[5] 张宏伟,朱志洁,霍利杰,等.特厚煤层综放开采覆岩破坏高度[J].煤炭学报，2014，39(5):816-821.

[6] 张文泉,刘伟韬,高延法,等.南屯矿63_上10面综采放顶煤开采覆岩移动变形破坏特征研究[J].山东矿业学院学报，1996，12(4):24-28+38.

[7] 蔡东.综放面“两带”高度发育特征[J].矿山压力与顶板管理,2000(1):68-69.

[8] 高国军.关于水库下开采工作面导水裂缝带高度与采厚关系的探讨[J].科协论坛(下半月)，2010(12):71-72.

[9] 闫康新.综采放顶煤工作面“冒落裂缝带”高度探测[J].煤,2009,17(11):44-45.

[10] 许延春,丁鑫品,张冰,等.多伦协鑫煤矿1702～(-1)工作面水体下综放开采安全煤岩柱的留设研究[J].煤矿开采，2010,15(4)：25-28.