綜采導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)方法研究

陳 靜，高建輝

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710001)

導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)是煤礦水體下采煤設(shè)計(jì)和保水采煤的基礎(chǔ)和前提，高度發(fā)育直接影響開采后的裂隙帶是否導(dǎo)通地表含水層，從而造成突水事件，對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的準(zhǔn)確合理預(yù)測(cè)，能有效防治水害事件。本次以我省榆神礦區(qū)神樹畔和雙山井田為例，進(jìn)行綜采導(dǎo)水裂隙帶高度多方法預(yù)測(cè)[1-3]。

神樹畔和雙山井田均地處陜北煤田榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)的南部，位于榆林市城區(qū)東北方向直距32 km處。神樹畔井田主采煤層為3#煤層，厚度變化在10.52 m～11.75 m之間，平均11.18 m，煤層埋深170.15 m～292.73 m。雙山井田主采煤層為3#煤層，厚度變化在8.16 m～11.38 m之間，煤層埋深164 m～268 m。

1 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)

1.1 “三下”規(guī)程統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[4](簡(jiǎn)稱“三下”規(guī)程)推薦的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)神樹畔3#煤層和雙山3#煤層導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行預(yù)測(cè)。公式(1)計(jì)算垮落帶高度，公式(2)計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度，公式(3)計(jì)算保護(hù)層厚度，公式(4)計(jì)算防水巖柱高度，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

(1)

(2)

(3)

Hsh=HM+Hb

1.2 煤炭科學(xué)研究總院經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)

綜采放頂煤條件下煤礦開采后導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)，在無(wú)本礦井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，可參考《綜采放頂煤地表沉陷規(guī)律研究及應(yīng)用》(騰永海等著，煤炭工業(yè)出版社出版)、煤炭科學(xué)研究總院唐山分院總結(jié)的我國(guó)綜放開采頂板導(dǎo)水裂隙帶的計(jì)算方法：

Hf=20M+10(中硬巖層，抗壓強(qiáng)度20 MPa～40 MPa)

(5)

Hf=10M+10(軟弱巖層，抗壓強(qiáng)度10 MPa～20 MPa)

(6)

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)李文平教授曾針對(duì)榆神礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況做過(guò)專門的研究，通過(guò)統(tǒng)計(jì)比對(duì)榆神礦區(qū)已成井田工作面導(dǎo)水裂隙帶實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、相似模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)三者進(jìn)行線性擬合，得到擬合公式：

Hf=0.59M+13.55

(7)

神樹畔井田3#煤層和雙山煤礦3#煤層直接頂板的巖性抗壓強(qiáng)度分別為34.72 MPa和32.30 MPa，從理論上應(yīng)采取公式(5)進(jìn)行計(jì)算，但是根據(jù)公式(5)計(jì)算出來(lái)的導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育結(jié)果與臨近周邊水文地質(zhì)條件類似，且已開采礦井所檢測(cè)的導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)據(jù)并不符合，反而與依據(jù)公式(6)的計(jì)算值相差不遠(yuǎn)，同時(shí)利用公式(7)計(jì)算的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與實(shí)際高度及公式(6)的計(jì)算結(jié)果相近，并屬采掘業(yè)相對(duì)認(rèn)可的計(jì)算公式，因此神樹畔和雙山井田的導(dǎo)水裂隙帶高度采用公式(6)計(jì)算[5]。經(jīng)計(jì)算，神樹畔井田3#煤層導(dǎo)水裂隙帶高度為115.2 m～127.5 m，平均121.8 m，最大發(fā)育高度127.5 m；雙山煤礦3#煤層導(dǎo)水裂隙帶高度為91.6 m～123.8 m，平均109 m，最大發(fā)育高度123.8 m。

1.3 根據(jù)關(guān)鍵層位置影響預(yù)測(cè)

近年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度預(yù)測(cè)的研究中，提出開采煤層覆巖關(guān)鍵層位置預(yù)測(cè)法，當(dāng)關(guān)鍵層位置距開采煤層小于(7～10)M(M為煤層采厚)時(shí)，該關(guān)鍵層破斷裂縫才會(huì)貫通成為導(dǎo)水裂隙，且受該關(guān)鍵層控制而同步破斷的上覆巖層破斷裂縫也會(huì)貫通成為導(dǎo)水裂隙，導(dǎo)水裂隙將發(fā)育至基巖頂部，導(dǎo)水裂隙帶高度等于或大于基巖厚度；當(dāng)覆巖主關(guān)鍵層位于臨界高度(7～10)M以外時(shí)，導(dǎo)水裂隙將發(fā)育至臨界高度(7～10)M上方最近的關(guān)鍵層底部，導(dǎo)水裂隙帶高度等于該關(guān)鍵層距開采煤層的高度[6-10]，具體步驟見(jiàn)圖1。

根據(jù)神樹畔和雙山井田地層巖性和水文地質(zhì)柱狀圖，見(jiàn)圖2、圖3，神樹畔和雙山井田主采煤層上均覆有上新統(tǒng)靜樂(lè)組紅土，巖性為紫紅色至棕紅色砂質(zhì)亞黏土，夾鈣質(zhì)結(jié)核層，紫色礫巖層，因夾多層鈣質(zhì)結(jié)核層及鈣板且?guī)r性致密，為第四系潛水與基巖風(fēng)化裂隙帶潛水間良好的隔水層，本次判斷其為主關(guān)鍵層，關(guān)鍵層識(shí)別見(jiàn)表2和表3。

由關(guān)鍵層位置與臨界高度(7～10)M的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4，神樹畔井田3#煤層導(dǎo)水裂隙帶高度為22.51 m～108.28 m，平均77.98 m，最大發(fā)育高度108.28 m；雙山煤礦3#煤層導(dǎo)水裂隙帶高度為40 m～117.10 m，平均67.15 m，最大發(fā)育高度117.10 m。

圖1 基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)

圖2 神樹畔井田導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)

圖3 雙山井田導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)

表3 雙山井田地層及各含水層巖性和厚度

表4 基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)

1.4 多因素影響預(yù)測(cè)

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)以胡小娟等[11]為代表的學(xué)者對(duì)綜采條件下煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)的研究中，提出通過(guò)單因素相關(guān)回歸分析法，根據(jù)煤層采高、硬巖巖性比例系數(shù)、工作面斜長(zhǎng)、采深、推進(jìn)速度5個(gè)因素對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的定量影響，確定了各單因素與水裂隙帶高度的相關(guān)關(guān)系，獲得導(dǎo)水高度與采高巖巖性系數(shù)的線性關(guān)系，與工作面斜長(zhǎng)成自然對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，與采深成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，并得到擬合公式：

(8)

式中：b為硬巖巖性比例系數(shù)；l為工作面斜長(zhǎng)，m；s為采深，m；u為推進(jìn)速度，m/d。

神樹畔井田設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.37 Mt/a，年工作330 d，井下布置一個(gè)綜采放頂煤工作面，工作面巷道采用綜合機(jī)械化設(shè)備掘進(jìn)，工作面采用“一采一放”的放煤方式，采煤高度3.5 m，頂煤放落高度7.0 m～8.2 m左右，采放比約1∶2.2，工作面長(zhǎng)度200 m，回采工作面推進(jìn)長(zhǎng)度1 600 m～1 800 m，一個(gè)回采工作面生產(chǎn)約一年。工作面平均回采率為73%(采煤機(jī)割煤取93%，放煤取65%)，采煤機(jī)截深和放煤步距均為0.8 m，設(shè)計(jì)工作面日循環(huán)數(shù)為3個(gè)；雙山井田設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.31 Mt/a，年工作330 d，井下布置一個(gè)綜采放頂煤工作面，工作面巷道采用綜合機(jī)械化設(shè)備掘進(jìn)，工作面采用“一采一放”的放煤方式，采煤高度3 m，頂煤放落高度6.2 m左右，采放比1∶2.1，工作面長(zhǎng)度200 m，回采工作面推進(jìn)長(zhǎng)度2 800 m，一個(gè)回采工作面生產(chǎn)約一年。工作面平均回采率為73%(采煤機(jī)割煤取93%，放煤取65%)，采煤機(jī)截深和放煤步距均為0.8 m，設(shè)計(jì)工作面日循環(huán)數(shù)為3個(gè)。

根據(jù)神樹畔和雙山井田工作面參數(shù)煤層采高、硬巖巖性比例系數(shù)、工作面斜長(zhǎng)、采深、推進(jìn)速度5個(gè)因素，預(yù)測(cè)主采煤層導(dǎo)水裂隙帶高度，計(jì)算見(jiàn)表5。

表5 考慮多因素影響預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度

1.5 預(yù)測(cè)結(jié)果分析比選

綜上所述，神樹畔井田利用“三下”規(guī)程統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式、煤科院經(jīng)驗(yàn)公式、關(guān)鍵層位置法和多因素影響法四種方法預(yù)測(cè)的導(dǎo)水裂隙帶高度最大值分別為：78.56 m、127.50 m、108.28 m和95.53 m；雙山井田這四種方法預(yù)測(cè)的導(dǎo)水裂隙帶高度最大值分別為：77.47 m、123.80 m、117.10 m和94.17 m，見(jiàn)表6、圖2和圖3。

表6 多方法預(yù)測(cè)神樹畔和雙山井田導(dǎo)水裂隙帶高度

本次做預(yù)測(cè)結(jié)果分析比對(duì)，并將結(jié)果應(yīng)用于工程指導(dǎo)，出于安全考慮，取各方法中神樹畔和雙山兩井田導(dǎo)水裂隙帶高度的最大預(yù)測(cè)值進(jìn)行綜合分析。因此，由表圖可知，煤科總院經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果最大，“三下”規(guī)程統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果最小。

“三下”規(guī)程、煤科院經(jīng)驗(yàn)公式、關(guān)鍵層位置法和多因素法四種方法預(yù)測(cè)的導(dǎo)水裂隙帶高度與實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差計(jì)算見(jiàn)表6，“三下”規(guī)程統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式和煤科院經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)值絕對(duì)誤差較大，關(guān)鍵層位置法和多因素影響法預(yù)測(cè)值絕對(duì)誤差較小。

“三下”規(guī)程經(jīng)驗(yàn)公式由來(lái)的基礎(chǔ)為20世紀(jì)70年代左右的煤礦開采經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，屆時(shí)采煤方式以炮采、普采、分層開采(厚煤層)為主，且采深較小。綜合機(jī)械化采煤是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的新的采煤方法，一次采煤層厚，采深大，且綜采導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育較其他開采方法較大，用“三下”規(guī)程經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)綜采導(dǎo)水裂隙帶高度與實(shí)際難免偏差較大[16-17]；科總院的經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)水高度預(yù)測(cè)僅與煤層采厚參數(shù)相關(guān)，并且實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)煤層覆巖頂板巖性的軟弱、中硬和堅(jiān)硬也不好劃分。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐與理論研究，煤層開采頂板導(dǎo)水裂隙帶高度受到多種因素的影響，如煤層覆巖巖性結(jié)構(gòu)、采高、頂板巖層結(jié)構(gòu)類型、頂板管理方式、工作面斜長(zhǎng)、采深等；關(guān)鍵層位置法體現(xiàn)了煤層采厚和煤層開采時(shí)關(guān)鍵層在覆巖破斷運(yùn)動(dòng)中的控制作用，能夠找出主關(guān)鍵層與開采煤層距離小于7～10倍采高的區(qū)域，該區(qū)域?qū)严稁Ц叨葧?huì)發(fā)育至基巖頂部，是發(fā)生頂板突水的危險(xiǎn)區(qū)域，進(jìn)而可以實(shí)施精準(zhǔn)有效的防御措施。但是在不同的地層結(jié)構(gòu)和不同的采煤條件下，關(guān)鍵層的識(shí)別暫時(shí)難以有一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[7]，而煤層覆巖地層里關(guān)鍵層的識(shí)別是導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)，故此方法的預(yù)測(cè)結(jié)果本次暫不采用。

多因素影響法中考慮了煤層開采中會(huì)影響導(dǎo)水裂隙帶高度的多個(gè)因素如煤層覆巖巖性結(jié)構(gòu)、采高、頂板巖層結(jié)構(gòu)類型、頂板管理方式、工作面斜長(zhǎng)、采深等，并通過(guò)多元回歸分析法，建立起了導(dǎo)水高度與各因素之間的相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，與“三下”規(guī)程和煤科總院統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式相比，多因素影響法體現(xiàn)了具體開采條件下特定的覆巖巖層結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的影響，彌補(bǔ)了將頂板巖性統(tǒng)計(jì)均化為堅(jiān)硬、中硬、軟弱進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)的不足。與關(guān)鍵層位置法相比，回避了需要對(duì)關(guān)鍵層位置進(jìn)行識(shí)別的難題，因此多因素影響法具有更好的適應(yīng)性。

綜上所述，本次采用多因素影響法對(duì)神樹畔和雙山井田綜采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度的預(yù)測(cè)值，分別為：95.13 m、94.17 m。

2 結(jié) 論

(1) 在神樹畔和雙山井田導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)中，提出“三下”規(guī)程統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式、煤科院經(jīng)驗(yàn)公式、多因素影響法和關(guān)鍵層位置法四種方法。

(2) 多因素影響法中考慮了煤層開采中會(huì)影響導(dǎo)水裂隙帶高度的多個(gè)因素如煤層覆巖巖性結(jié)構(gòu)、采高、頂板巖層結(jié)構(gòu)類型、頂板管理方式、工作面斜長(zhǎng)、采深等，體現(xiàn)了具體開采條件下特定的覆巖巖層結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的影響，彌補(bǔ)了將頂板巖性統(tǒng)計(jì)均化為堅(jiān)硬、中硬、軟弱進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)的不足，回避了需要對(duì)關(guān)鍵層位置進(jìn)行識(shí)別的難題，因此多因素影響法具有更好的適應(yīng)性，并與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差較小。