综采导水裂隙带高度预测方法研究

陈 静，高建辉

(陕西省水利电力勘测设计研究院， 陕西 西安 710001)

导水裂隙带高度预测是煤矿水体下采煤设计和保水采煤的基础和前提，高度发育直接影响开采后的裂隙带是否导通地表含水层，从而造成突水事件，对导水裂隙带高度的准确合理预测，能有效防治水害事件。本次以我省榆神矿区神树畔和双山井田为例，进行综采导水裂隙带高度多方法预测[1-3]。

神树畔和双山井田均地处陕北煤田榆神矿区一期规划区的南部，位于榆林市城区东北方向直距32 km处。神树畔井田主采煤层为3#煤层，厚度变化在10.52 m～11.75 m之间，平均11.18 m，煤层埋深170.15 m～292.73 m。双山井田主采煤层为3#煤层，厚度变化在8.16 m～11.38 m之间，煤层埋深164 m～268 m。

1 导水裂隙带高度预测

1.1 “三下”规程统计经验公式预测

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[4](简称“三下”规程)推荐的经验公式对神树畔3#煤层和双山3#煤层导水裂隙带高度进行预测。公式(1)计算垮落带高度，公式(2)计算导水裂隙带高度，公式(3)计算保护层厚度，公式(4)计算防水岩柱高度，预测结果见表1。

(1)

(2)

(3)

Hsh=HM+Hb

1.2 煤炭科学研究总院经验公式预测

综采放顶煤条件下煤矿开采后导水裂隙带高度预测，在无本矿井实测数据的情况下，可参考《综采放顶煤地表沉陷规律研究及应用》(腾永海等著，煤炭工业出版社出版)、煤炭科学研究总院唐山分院总结的我国综放开采顶板导水裂隙带的计算方法：

Hf=20M+10(中硬岩层，抗压强度20 MPa～40 MPa)

(5)

Hf=10M+10(软弱岩层，抗压强度10 MPa～20 MPa)

(6)

中国矿业大学李文平教授曾针对榆神矿区导水裂隙带发育情况做过专门的研究，通过统计比对榆神矿区已成井田工作面导水裂隙带实测数据、相似模型试验数据和理论计算数据，对三者进行线性拟合，得到拟合公式：

Hf=0.59M+13.55

(7)

神树畔井田3#煤层和双山煤矿3#煤层直接顶板的岩性抗压强度分别为34.72 MPa和32.30 MPa，从理论上应采取公式(5)进行计算，但是根据公式(5)计算出来的导水裂隙带高度发育结果与临近周边水文地质条件类似，且已开采矿井所检测的导水裂隙带高度数据并不符合，反而与依据公式(6)的计算值相差不远，同时利用公式(7)计算的导水裂隙带发育高度与实际高度及公式(6)的计算结果相近，并属采掘业相对认可的计算公式，因此神树畔和双山井田的导水裂隙带高度采用公式(6)计算[5]。经计算，神树畔井田3#煤层导水裂隙带高度为115.2 m～127.5 m，平均121.8 m，最大发育高度127.5 m；双山煤矿3#煤层导水裂隙带高度为91.6 m～123.8 m，平均109 m，最大发育高度123.8 m。

1.3 根据关键层位置影响预测

近年中国矿业大学的煤炭资源与安全开采国家重点实验室在对导水裂隙发育高度预测的研究中，提出开采煤层覆岩关键层位置预测法，当关键层位置距开采煤层小于(7～10)M(M为煤层采厚)时，该关键层破断裂缝才会贯通成为导水裂隙，且受该关键层控制而同步破断的上覆岩层破断裂缝也会贯通成为导水裂隙，导水裂隙将发育至基岩顶部，导水裂隙带高度等于或大于基岩厚度；当覆岩主关键层位于临界高度(7～10)M以外时，导水裂隙将发育至临界高度(7～10)M上方最近的关键层底部，导水裂隙带高度等于该关键层距开采煤层的高度[6-10]，具体步骤见图1。

根据神树畔和双山井田地层岩性和水文地质柱状图，见图2、图3，神树畔和双山井田主采煤层上均覆有上新统静乐组红土，岩性为紫红色至棕红色砂质亚黏土，夹钙质结核层，紫色砾岩层，因夹多层钙质结核层及钙板且岩性致密，为第四系潜水与基岩风化裂隙带潜水间良好的隔水层，本次判断其为主关键层，关键层识别见表2和表3。

由关键层位置与临界高度(7～10)M的相对位置关系对导水裂隙带高度进行预测，结果见表4，神树畔井田3#煤层导水裂隙带高度为22.51 m～108.28 m，平均77.98 m，最大发育高度108.28 m；双山煤矿3#煤层导水裂隙带高度为40 m～117.10 m，平均67.15 m，最大发育高度117.10 m。

图1 基于关键层位置的导水裂隙带高度预测

图2 神树畔井田导水裂隙带高度预测

图3 双山井田导水裂隙带高度预测

表3 双山井田地层及各含水层岩性和厚度

表4 基于关键层位置的导水裂隙带高度预测

1.4 多因素影响预测

中国矿业大学以胡小娟等[11]为代表的学者对综采条件下煤层开采导水裂隙带高度预测的研究中，提出通过单因素相关回归分析法，根据煤层采高、硬岩岩性比例系数、工作面斜长、采深、推进速度5个因素对导水裂隙带高度的定量影响，确定了各单因素与水裂隙带高度的相关关系，获得导水高度与采高岩岩性系数的线性关系，与工作面斜长成自然对数函数关系，与采深成指数函数关系，并得到拟合公式：

(8)

式中：b为硬岩岩性比例系数；l为工作面斜长，m；s为采深，m；u为推进速度，m/d。

神树畔井田设计生产能力1.37 Mt/a，年工作330 d，井下布置一个综采放顶煤工作面，工作面巷道采用综合机械化设备掘进，工作面采用“一采一放”的放煤方式，采煤高度3.5 m，顶煤放落高度7.0 m～8.2 m左右，采放比约1∶2.2，工作面长度200 m，回采工作面推进长度1 600 m～1 800 m，一个回采工作面生产约一年。工作面平均回采率为73%(采煤机割煤取93%，放煤取65%)，采煤机截深和放煤步距均为0.8 m，设计工作面日循环数为3个；双山井田设计生产能力1.31 Mt/a，年工作330 d，井下布置一个综采放顶煤工作面，工作面巷道采用综合机械化设备掘进，工作面采用“一采一放”的放煤方式，采煤高度3 m，顶煤放落高度6.2 m左右，采放比1∶2.1，工作面长度200 m，回采工作面推进长度2 800 m，一个回采工作面生产约一年。工作面平均回采率为73%(采煤机割煤取93%，放煤取65%)，采煤机截深和放煤步距均为0.8 m，设计工作面日循环数为3个。

根据神树畔和双山井田工作面参数煤层采高、硬岩岩性比例系数、工作面斜长、采深、推进速度5个因素，预测主采煤层导水裂隙带高度，计算见表5。

表5 考虑多因素影响预测导水裂隙带高度

1.5 预测结果分析比选

综上所述，神树畔井田利用“三下”规程统计经验公式、煤科院经验公式、关键层位置法和多因素影响法四种方法预测的导水裂隙带高度最大值分别为：78.56 m、127.50 m、108.28 m和95.53 m；双山井田这四种方法预测的导水裂隙带高度最大值分别为：77.47 m、123.80 m、117.10 m和94.17 m，见表6、图2和图3。

表6 多方法预测神树畔和双山井田导水裂隙带高度

本次做预测结果分析比对，并将结果应用于工程指导，出于安全考虑，取各方法中神树畔和双山两井田导水裂隙带高度的最大预测值进行综合分析。因此，由表图可知，煤科总院经验公式预测结果最大，“三下”规程统计经验公式预测结果最小。

“三下”规程、煤科院经验公式、关键层位置法和多因素法四种方法预测的导水裂隙带高度与实测值的绝对误差计算见表6，“三下”规程统计经验公式和煤科院经验公式预测值绝对误差较大，关键层位置法和多因素影响法预测值绝对误差较小。

“三下”规程经验公式由来的基础为20世纪70年代左右的煤矿开采经验数据，届时采煤方式以炮采、普采、分层开采(厚煤层)为主，且采深较小。综合机械化采煤是20世纪90年代发展起来的新的采煤方法，一次采煤层厚，采深大，且综采导水裂隙带的发育较其他开采方法较大，用“三下”规程经验公式预测综采导水裂隙带高度与实际难免偏差较大[16-17]；科总院的经验公式导水高度预测仅与煤层采厚参数相关，并且实际应用中，对煤层覆岩顶板岩性的软弱、中硬和坚硬也不好划分。根据生产实践与理论研究，煤层开采顶板导水裂隙带高度受到多种因素的影响，如煤层覆岩岩性结构、采高、顶板岩层结构类型、顶板管理方式、工作面斜长、采深等；关键层位置法体现了煤层采厚和煤层开采时关键层在覆岩破断运动中的控制作用，能够找出主关键层与开采煤层距离小于7～10倍采高的区域，该区域导水裂隙带高度会发育至基岩顶部，是发生顶板突水的危险区域，进而可以实施精准有效的防御措施。但是在不同的地层结构和不同的采煤条件下，关键层的识别暂时难以有一个统一标准[7]，而煤层覆岩地层里关键层的识别是导水裂隙带高度预测的关键参数，故此方法的预测结果本次暂不采用。

多因素影响法中考虑了煤层开采中会影响导水裂隙带高度的多个因素如煤层覆岩岩性结构、采高、顶板岩层结构类型、顶板管理方式、工作面斜长、采深等，并通过多元回归分析法，建立起了导水高度与各因素之间的相关关系。同时，与“三下”规程和煤科总院统计经验公式相比，多因素影响法体现了具体开采条件下特定的覆岩岩层结构对导水裂隙发育高度的影响，弥补了将顶板岩性统计均化为坚硬、中硬、软弱进行导水裂隙带高度预测的不足。与关键层位置法相比，回避了需要对关键层位置进行识别的难题，因此多因素影响法具有更好的适应性。

综上所述，本次采用多因素影响法对神树畔和双山井田综采导水裂隙带发育最大高度的预测值，分别为：95.13 m、94.17 m。

2 结 论

(1) 在神树畔和双山井田导水裂隙带高度预测中，提出“三下”规程统计经验公式、煤科院经验公式、多因素影响法和关键层位置法四种方法。

(2) 多因素影响法中考虑了煤层开采中会影响导水裂隙带高度的多个因素如煤层覆岩岩性结构、采高、顶板岩层结构类型、顶板管理方式、工作面斜长、采深等，体现了具体开采条件下特定的覆岩岩层结构对导水裂隙发育高度的影响，弥补了将顶板岩性统计均化为坚硬、中硬、软弱进行导水裂隙带高度预测的不足，回避了需要对关键层位置进行识别的难题，因此多因素影响法具有更好的适应性，并与实测值相对误差较小。