上饒縣某煤礦導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)測(cè)研究

華偉嬪，肖秋福

（1.江西省煤田地質(zhì)勘察研究院，江西 南昌330001；2.贛州市水文局，江西 贛州341000）

上饒縣某煤礦是證照齊全的合法礦井，其生產(chǎn)規(guī)模為60kt／a。礦井采用斜井多水平開拓方式，采用斜切爆破采煤法，頂板采用全部垮落式管理，礦山的采動(dòng)將使頂板破壞，產(chǎn)生的裂隙極易溝通上部含水層，使得頂板涌水，產(chǎn)生突水事故。導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)測(cè)，對(duì)煤礦防治水工作有重要作用。

1 地質(zhì)背景

1.1 地層

礦區(qū)內(nèi)出露地層自老至新有：二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）、二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）、二疊系下統(tǒng)湖塘組彭家段（P1hp）、二疊系上統(tǒng)上饒組下段童家段（P2sht）、上饒組上段霧霖山段（P2shw），二疊系上統(tǒng)大隆組（P2dl），三疊系下統(tǒng)大冶組（T1dy）及第四系（Q）。

1.2 可采煤層

礦井可采煤層有三層，均為二疊系上統(tǒng)上饒組童家段（P2sht）地層，分別是B8、B9、B10煤層。

（1）B8煤層：煤層厚度0.70～1.95m，平均厚度0.85 m，傾角20°～23°。

（2）B9煤層：位于B8煤層之上7.00～68.0m，煤層厚度0.85～1.65m，平均厚度1.03m，傾角20°～23°。

（3）B10煤層：位于B9煤層之上12.8～56.2m，煤層厚度0.70～1.35m，平均厚度0.75m，傾角20°～23°。

1.3 含水層

對(duì)煤層頂板突水有影響的含水層有：

（1）第四系孔隙含水層：屬弱含水層，離煤層較遠(yuǎn)，對(duì)礦床充水影響很小。

（2）風(fēng)化裂隙含水層：屬弱含水層，對(duì)礦床充水影響很小，其富水性隨季節(jié)變化。

（3）灰?guī)r巖溶裂隙含水層：主要有分布于礦區(qū)北部的大冶組地層及分布于礦區(qū)南部的茅口組和棲霞組，其中大冶組泥灰?guī)r含水層在大氣降水和上部含水層的補(bǔ)給下，富水性較強(qiáng)，一旦溝通礦井巷道，將產(chǎn)生嚴(yán)重的突水事故。

2 導(dǎo)水裂隙帶高度

本礦開采歷史悠久，有大量的積水和采空區(qū)，且本礦開采標(biāo)高較淺，對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)測(cè)，可有效地指導(dǎo)防水煤巖柱的留設(shè)，避免突水的發(fā)生，筆者采用兩種方法對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.1 按照規(guī)程計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度

煤層開采引起的覆巖移動(dòng)變形對(duì)含水層的影響主要受垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶高度的控制。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程》推薦的公式對(duì)垮落帶高度、導(dǎo)水裂隙帶高度、保護(hù)層高度及防水煤柱高度進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)。

該礦井主要可采煤層的頂板巖性均為中硬，煤層傾角α≤55°。

（1）垮落帶高度計(jì)算公式：

式中：Hm為垮落帶高度，m；M為煤層開采厚度，m。

（2）導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式：

式中：M為煤層開采厚度，m。

綜合開采厚度計(jì)算公式為：

當(dāng)上、下兩煤層之間的距離很小時(shí)，則綜合開采厚度為累計(jì)厚度，綜合開采厚度計(jì)算公式為：

式中：M1為上層煤開采厚度，m；M2為下層煤開采厚度，m；h1—2為上、下煤之間的法線距離，m；y2為下層煤的冒高與采厚之比。

（3）保護(hù)層高度計(jì)算公式：

防水煤柱高度計(jì)算公式：

式中：Hb為保護(hù)層高度，m；M為煤層開采厚度，m；n為分層層數(shù)；Hsh為防水煤柱高度，m；Hli為裂隙帶高度，m；Hfe為基巖風(fēng)化帶深度，本礦區(qū)的基巖風(fēng)化帶厚度約為8～10 m。

（4）預(yù)測(cè)結(jié)果

通過上述垮落帶與煤層間的垂距比較，除B8號(hào)煤層外，其它兩煤層間的最小垂距大于回采下層煤的垮落帶高度，各煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度按照原來的單一煤層計(jì)算。

B8號(hào)煤層可采厚度0.7～1.95m，平均0.85m，垮落帶高度5.34～9.12m，大于與其上部B9號(hào)煤層間距7.00～68.00m。因此，B8號(hào)煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度應(yīng)采用上、下煤層的綜合開采厚度計(jì)算，取其中標(biāo)高最高者為兩煤層的導(dǎo)水裂隙帶最大高度，累計(jì)厚度為1.55～3.6m，經(jīng)計(jì)算其導(dǎo)水裂隙帶高度為34.90～47.95m。

經(jīng)計(jì)算，區(qū)內(nèi)垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度、保護(hù)層厚度、防水煤巖柱高度預(yù)測(cè)結(jié)果見表1。

表1 垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶、保護(hù)層、防水煤柱預(yù)測(cè)結(jié)果

從表1可看出，B10煤層、B9煤層及B8煤層全部開采后導(dǎo)水裂隙帶高度范圍平均分別為21.23～27.32m、25.23～30.30m、34.05～37.42m。

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度

運(yùn)用對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法，優(yōu)選頂板導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)指標(biāo)，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型，利用已有觀測(cè)資料進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，預(yù)測(cè)樣本指標(biāo)見表2。

表2 預(yù)測(cè)樣本指標(biāo)

選取導(dǎo)水裂隙帶高度作為母因素，采深、煤層傾角、采厚、工作面斜長(zhǎng)4個(gè)指標(biāo)記為子因素，并作無量綱化處理，處理公式如下：

采用表中1～11號(hào)樣品為訓(xùn)練樣本，12～15號(hào)為測(cè)試樣品，建立灰色BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型網(wǎng)絡(luò)，采用Sigmoid型函數(shù)作為輸出函數(shù)?；疑獴P網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練部分計(jì)算過程見圖1，誤差下降曲線見圖2。

圖1 部分訓(xùn)練過程

代入該煤礦1202工作面數(shù)據(jù)代碼

得Y＝0.3961，通過反歸一化計(jì)算，當(dāng)B10煤層采厚取0.75m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度為25.17m。

圖2 誤差下降曲線

運(yùn)用上述方法，可得出B9煤層采厚取1.03m、B8煤層采厚取0.85m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度分別為30.52m、36.81m。

3 結(jié)語

按照“三下開采規(guī)程”計(jì)算得出，B10煤層、B9煤層及B8煤層全部開采后導(dǎo)水裂隙帶高度平均分別為21.23～27.32m、25.23～30.30m、34.05～37.42m；通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬導(dǎo)水裂隙帶高度得出B10煤層、B9煤層及B8煤層全部開采后導(dǎo)水裂隙帶高度分別為21.23～25.17m、30.52 m、36.81m。按照規(guī)程計(jì)算的導(dǎo)水裂隙帶高度值與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值基本一致，兩種方法相互印證，使結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

〔1〕金連生，牟金鎖.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程〔M〕.北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

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