预测采煤导水裂隙带发育高度经验公式概述

2018-12-05张建石

采矿技术 2018年6期

张建石

(华北有色工程勘察院有限公司, 河北石家庄 050021)

0 引言

地下煤层开采会造成上覆岩层应力重新分布,采空区上覆岩层会破裂形成冒落带、裂隙带和弯曲带,冒落带和裂隙带并称为导水裂隙带[1]。导水裂隙带发育高度对煤炭的安全生产极其重要,尤其是对矿井水害防治有较大影响,为了保障矿井采煤生产安全,需要在煤层开采之前对相应开采条件下导水裂隙带发育高度进行预测。目前采动覆岩导水裂隙带发育高度研究和预测方法包括:理论分析、现场实测、经验公式、物理模拟和数值模拟[2-4],实际导水裂隙带发育高度受许多因素的影响[5-7]。20世纪末基于传统采煤工艺建立的导水裂隙带发育高度预测公式具有很大局限性,虽可很好适用于分层综采或普采条件下,薄煤层或中厚煤层开采导水裂隙带发育高度的预测,但随着采煤工艺和煤层赋存条件的改变,如综放开采已成为现代化煤矿主要开采方法、煤层采高最大超过10 m,因此需要归纳、总结适用于现代采煤的导水裂隙带发育高度预测公式。

经验公式预测导水裂隙带发育高度是在掌握覆岩结构类型及其变形破坏规律基础上,选用相对应的经验公式预测导水裂隙带的发育高度。20世纪80年代至今,研究人员得出了适用于不同开采工艺和埋藏条件的采煤导水裂隙带发育高度的预测公式,保证了预测结果的可靠性和煤炭开采的安全性。本文通过查阅文献,对各个矿区不同时期建立的预测导水裂隙带发育高度的经验公式及其适用性进行了分析和总结,主要包括规范性经验公式、回归分析经验公式。

1 规范性经验公式

当前国内应用最广泛的预测导水裂隙带发育高度的经验公式源自国家煤炭工业局颁发布的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程》[8](以下简称《三下采煤规程》)和国家技术监督局发布的《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB12719-1991)[9](以下简称《矿区勘探规范》)。《三下采煤规程》和《矿区勘探规范》经验公式通过归纳总结20世纪当时国内常规采煤条件下覆岩裂隙发育规律得出,可用于预测薄煤层及中厚煤层分层综采或普采工艺下的“两带”发育高度。这些经验公式为水体下矿井安全开采提供了规范性依据,对导水裂隙带发育高度的预测发挥了指导性作用,保证了当时煤炭资源开采的安全。

1．1 规范性经验公式

实际应用中,煤层开采工艺和采煤参数对导水裂隙带发育高度有重要作用,查清对应开采条件是选择准确预测导水裂隙带发育高度经验公式的前提。

煤层依据倾角大小分为缓倾斜、中倾斜和急倾斜煤层,依据厚度可以分为薄煤层、中厚煤层、厚煤层和巨厚煤层,开采工艺分为普采、分层综采和综采。当前随着开采工艺和采煤条件的提升,煤矿开采煤层多为缓倾斜和中倾斜煤层,本文重点归纳缓倾斜、中倾斜煤层导水裂隙带发育高度计算方法。

《三下采煤规程》和《矿区勘探规范》是经过前人多年现场观测研究,查清当时典型开采工艺下“两带”发育规律基础上编著,其中就有分层开采条件预测导水裂隙带发育高度的经验公式。

表1为《三下采煤规程》缓倾斜、中倾斜煤层分层开采时预测导水裂隙带发育高度的经验公式,其中Hf为导水裂隙带发育高度;M为煤层采厚。

表1 《三下采煤规程》分层开采导水裂隙带经验公式

表2为《矿区勘探规范》中缓倾斜、中倾斜煤层分层开采时导水裂隙带发育高度预测公式,其中n为分层数。

表2 《矿区勘探规范》分层开采导水裂隙带经验公式

1．2 规范性经验公式的适用性

《三下采煤规程》和《矿区勘探规范》中经验公式是依据当时大量典型工作面实测资料归纳、整理得出。两个文件实施之前,国内主要采煤方式为普采或分层开采等传统采煤法,大多数典型工作面采煤高度小于3 m,工作面宽度小于200 m,采空区长度小于1000 m。规范性经验公式适用于上述开采条件采煤导水裂隙带发育高度的高精度预测,对当时煤炭开采强度规划和保障煤炭安全生产发挥了极其重要的作用。

随着采煤机械化程度提高,开采工艺发生了巨大变化,现代多采用放顶煤、一次采全高等高效的采煤工艺;采煤高度、工作面尺寸等也有巨大改变。国内一些地区煤层采高最大已超过10 m,工作面宽度达到200~300 m,采空区最大长度超过6000 m。煤层开采强度的变化,导致经验公式预测精度大大降低。许多研究结果表明,《三下采煤规程》和《矿区勘探规范》经验公式已不适应现代化采煤条件下导水裂隙带发育高度的预测。故此,亟需对规范或规程中的经验公式进行修订,建立适用于综放开采条件采煤导水裂隙带发育高度的预测模型。

《三下采煤规程》导水裂隙带高度计算公式形式为众多研究者所采用,可将其称为经典形式,即:

式中,q、p为系数;m为中误差。

有研究表明式(1)对于预测导水裂隙带高度具有普遍性[10],通过实测数据的回归分析,可得到不同开采条件导水裂隙带发育高度的预测公式。

当前工艺多采用一次采全高,《矿区勘探规范》导水裂隙带发育高度计算公式开采层数n为1,经整理为:

式中,a、b为参数,该公式形式同样为众多研究者用于不同采煤工作面导水裂隙带发育高度的研究与预测。

2 回归统计性经验公式

统计性经验公式是在实测导水裂隙带高度基础上,对开采条件进行分析、归纳,采用一定的公式形式经统计回归分析得出经验公式。当前单因素回归分析研究集中于相同覆岩类型条件下,采厚与导水裂隙带发育高度之间的关系。

目前,式(1)是最常采用的回归分析模型,见表3。许延春等[10]在文中指出式(1)在预测“两带”发育高度方面具普遍性,并基于此式对开采资料进行回归分析,得到了综放开采条件下“两带”发育高度预测公式。该组经验公式预测结果较实测略大,能够极好满足煤层开采强度的规划,同时指出《三下采煤规程》推荐公式预测结果较实测偏小,已不适应导水裂隙带发育高度的预测。同样,丁鑫品等[11]在评价规范推荐公式适用性基础上,采用式(1)通过回归分析得出了不同开采条件下“两带”发育高度的计算公式,利用多伦协鑫煤矿和兴隆煤矿实测数据验证了析出公式的准确性和适用性。高保彬等[12]对同煤矿区四台煤矿水体下采煤导水裂隙带发育高度进行了测量和预测,证明《三下采煤规程》经验公式在该矿区应用中的误差,已无法适应实际需要。采用回归分析得出了预测同煤矿区导水裂隙带发育高度的经验公式。利用现场实测验证了该公式的准确性。刘瑞新[13]对兖州矿区开采上限进行研究时,测量了不同试采工艺的导水裂隙带发育高度。将实测数据和已有数据经统计分析得出了适用于兖州矿区厚煤层不同开采工艺的导水裂隙带发育高度预测公式。同时,指出不同煤岩尺寸和开采深度的导水裂隙带发育高度存在较大差异:煤柱较小时,导水裂隙带高度较小;覆岩柱较大时,导水裂隙带高度也较大;整层综放较网下综放开采要大。

表3 经典形式回归统计经验公式[10-13]

同样,式(2)也是常用的回归分析模型,见表4。马雄德等[14]指出现场实测、物理模拟和数值模拟方法对神南矿区中硬岩采煤导水裂隙带发育高度的结果存在很大差异,在此基础上根据实测高度和周边矿井资料,采用式(2)经线性拟合得到适用于计算神南矿区导水裂隙带发育高度的公式。分析指出采高小于3 m时,预测结果与规范推荐公式结果接近;采高为3~6 m时,《三下采煤规程》公式计算结果偏小;采高大于6 m时,《三下采煤规程》与《矿区勘探规范》公式计算结果均偏小。朱伟等[15]对潞安矿区不同开采工艺导水裂隙带发育高度进行研究,指出导水裂隙带发育高度与采厚成正比,且分层综放开采可有效降低其发育高度。分析得出了含有采高和开采分层数的导水裂隙带发育高度预测公式,经漳河下煤层开采验证了预测结果的可靠性。李文平等[16]分析了淮南矿区导水裂隙带发育规律,指出综采导水裂隙带发育高度较分层开采要大,且已无法适用综放开采大采高导水裂隙带发育高度的预测。基于实测数据对软弱顶板导水裂隙带发育高度与采厚进行回归分析得出了预测公式;并指出该式适用于类似开采条件下4~6 m煤层开采导水裂隙带发育高度的预测。研究发现导水裂隙带发育高度与开采工艺、采高等参数也存在一定关系。

表4 线性形式回归统计经验公式[14-16]

导水裂隙带发育高度预测公式常采用的回归模型还有指数形式,见表5。余学义等[17]在评价规范性经验公式适用性和研究影响导水裂带发育高度因素的基础上,采用矿区实测资料经非线性拟合得出了大采高放顶煤开采条件下预测导水裂隙带发育高度的公式。文章通过计算和对比,指出传统开采条件下导水裂隙带发育高度较机械化开采时要小,且采高大于3 m时,这种差异更加明显。孙亚军等[18]评价小浪底水库水体下采煤安全性时,采用物理模拟和数值模拟分析了导水裂隙带发育高度的规律,发现采煤厚度是导水裂隙带发育高度的主要影响因素,且两者非线性关系。将现场监测、物理模拟和数值模拟获得的导水裂隙带发育高度,经非线性拟合得出适用于该矿区导水裂隙带发育高度预测公式,试采结果验证了预测公式的可靠性。