預(yù)測(cè)采煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式概述

張建石

(華北有色工程勘察院有限公司, 河北石家莊 050021)

0 引 言

地下煤層開采會(huì)造成上覆巖層應(yīng)力重新分布,采空區(qū)上覆巖層會(huì)破裂形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶,冒落帶和裂隙帶并稱為導(dǎo)水裂隙帶[1]。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度對(duì)煤炭的安全生產(chǎn)極其重要,尤其是對(duì)礦井水害防治有較大影響,為了保障礦井采煤生產(chǎn)安全,需要在煤層開采之前對(duì)相應(yīng)開采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行預(yù)測(cè)。目前采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究和預(yù)測(cè)方法包括:理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、經(jīng)驗(yàn)公式、物理模擬和數(shù)值模擬[2-4],實(shí)際導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度受許多因素的影響[5-7]。20世紀(jì)末基于傳統(tǒng)采煤工藝建立的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)公式具有很大局限性,雖可很好適用于分層綜采或普采條件下,薄煤層或中厚煤層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測(cè),但隨著采煤工藝和煤層賦存條件的改變,如綜放開采已成為現(xiàn)代化煤礦主要開采方法、煤層采高最大超過10 m,因此需要?dú)w納、總結(jié)適用于現(xiàn)代采煤的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)公式。

經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是在掌握覆巖結(jié)構(gòu)類型及其變形破壞規(guī)律基礎(chǔ)上,選用相對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。20世紀(jì)80年代至今,研究人員得出了適用于不同開采工藝和埋藏條件的采煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測(cè)公式,保證了預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性和煤炭開采的安全性。本文通過查閱文獻(xiàn),對(duì)各個(gè)礦區(qū)不同時(shí)期建立的預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式及其適用性進(jìn)行了分析和總結(jié),主要包括規(guī)范性經(jīng)驗(yàn)公式、回歸分析經(jīng)驗(yàn)公式。

1 規(guī)范性經(jīng)驗(yàn)公式

當(dāng)前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式源自國家煤炭工業(yè)局頒發(fā)布的《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》[8](以下簡(jiǎn)稱《三下采煤規(guī)程》)和國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB12719-1991)[9](以下簡(jiǎn)稱《礦區(qū)勘探規(guī)范》)?！度虏擅阂?guī)程》和《礦區(qū)勘探規(guī)范》經(jīng)驗(yàn)公式通過歸納總結(jié)20世紀(jì)當(dāng)時(shí)國內(nèi)常規(guī)采煤條件下覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律得出,可用于預(yù)測(cè)薄煤層及中厚煤層分層綜采或普采工藝下的“兩帶”發(fā)育高度。這些經(jīng)驗(yàn)公式為水體下礦井安全開采提供了規(guī)范性依據(jù),對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測(cè)發(fā)揮了指導(dǎo)性作用,保證了當(dāng)時(shí)煤炭資源開采的安全。

1．1 規(guī)范性經(jīng)驗(yàn)公式

實(shí)際應(yīng)用中,煤層開采工藝和采煤參數(shù)對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度有重要作用,查清對(duì)應(yīng)開采條件是選擇準(zhǔn)確預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式的前提。

煤層依據(jù)傾角大小分為緩傾斜、中傾斜和急傾斜煤層,依據(jù)厚度可以分為薄煤層、中厚煤層、厚煤層和巨厚煤層,開采工藝分為普采、分層綜采和綜采。當(dāng)前隨著開采工藝和采煤條件的提升,煤礦開采煤層多為緩傾斜和中傾斜煤層,本文重點(diǎn)歸納緩傾斜、中傾斜煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算方法。

《三下采煤規(guī)程》和《礦區(qū)勘探規(guī)范》是經(jīng)過前人多年現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究,查清當(dāng)時(shí)典型開采工藝下“兩帶”發(fā)育規(guī)律基礎(chǔ)上編著,其中就有分層開采條件預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式。

表1為《三下采煤規(guī)程》緩傾斜、中傾斜煤層分層開采時(shí)預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式,其中Hf為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度;M為煤層采厚。

表1 《三下采煤規(guī)程》分層開采導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗(yàn)公式

表2為《礦區(qū)勘探規(guī)范》中緩傾斜、中傾斜煤層分層開采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)公式,其中n為分層數(shù)。

表2 《礦區(qū)勘探規(guī)范》分層開采導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗(yàn)公式

1．2 規(guī)范性經(jīng)驗(yàn)公式的適用性

《三下采煤規(guī)程》和《礦區(qū)勘探規(guī)范》中經(jīng)驗(yàn)公式是依據(jù)當(dāng)時(shí)大量典型工作面實(shí)測(cè)資料歸納、整理得出。兩個(gè)文件實(shí)施之前,國內(nèi)主要采煤方式為普采或分層開采等傳統(tǒng)采煤法,大多數(shù)典型工作面采煤高度小于3 m,工作面寬度小于200 m,采空區(qū)長(zhǎng)度小于1000 m。規(guī)范性經(jīng)驗(yàn)公式適用于上述開采條件采煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的高精度預(yù)測(cè),對(duì)當(dāng)時(shí)煤炭開采強(qiáng)度規(guī)劃和保障煤炭安全生產(chǎn)發(fā)揮了極其重要的作用。

隨著采煤機(jī)械化程度提高,開采工藝發(fā)生了巨大變化,現(xiàn)代多采用放頂煤、一次采全高等高效的采煤工藝;采煤高度、工作面尺寸等也有巨大改變。國內(nèi)一些地區(qū)煤層采高最大已超過10 m,工作面寬度達(dá)到200~300 m,采空區(qū)最大長(zhǎng)度超過6000 m。煤層開采強(qiáng)度的變化,導(dǎo)致經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)精度大大降低。許多研究結(jié)果表明,《三下采煤規(guī)程》和《礦區(qū)勘探規(guī)范》經(jīng)驗(yàn)公式已不適應(yīng)現(xiàn)代化采煤條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測(cè)。故此,亟需對(duì)規(guī)范或規(guī)程中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修訂,建立適用于綜放開采條件采煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測(cè)模型。

《三下采煤規(guī)程》導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式形式為眾多研究者所采用,可將其稱為經(jīng)典形式,即:

式中,q、p為系數(shù);m為中誤差。

有研究表明式(1)對(duì)于預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度具有普遍性[10],通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析,可得到不同開采條件導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測(cè)公式。

當(dāng)前工藝多采用一次采全高,《礦區(qū)勘探規(guī)范》導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算公式開采層數(shù)n為1,經(jīng)整理為:

式中,a、b為參數(shù),該公式形式同樣為眾多研究者用于不同采煤工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的研究與預(yù)測(cè)。

2 回歸統(tǒng)計(jì)性經(jīng)驗(yàn)公式

統(tǒng)計(jì)性經(jīng)驗(yàn)公式是在實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度基礎(chǔ)上,對(duì)開采條件進(jìn)行分析、歸納,采用一定的公式形式經(jīng)統(tǒng)計(jì)回歸分析得出經(jīng)驗(yàn)公式。當(dāng)前單因素回歸分析研究集中于相同覆巖類型條件下,采厚與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度之間的關(guān)系。

目前,式(1)是最常采用的回歸分析模型,見表3。許延春等[10]在文中指出式(1)在預(yù)測(cè)“兩帶”發(fā)育高度方面具普遍性,并基于此式對(duì)開采資料進(jìn)行回歸分析,得到了綜放開采條件下“兩帶”發(fā)育高度預(yù)測(cè)公式。該組經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果較實(shí)測(cè)略大,能夠極好滿足煤層開采強(qiáng)度的規(guī)劃,同時(shí)指出《三下采煤規(guī)程》推薦公式預(yù)測(cè)結(jié)果較實(shí)測(cè)偏小,已不適應(yīng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測(cè)。同樣,丁鑫品等[11]在評(píng)價(jià)規(guī)范推薦公式適用性基礎(chǔ)上,采用式(1)通過回歸分析得出了不同開采條件下“兩帶”發(fā)育高度的計(jì)算公式,利用多倫協(xié)鑫煤礦和興隆煤礦實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了析出公式的準(zhǔn)確性和適用性。高保彬等[12]對(duì)同煤礦區(qū)四臺(tái)煤礦水體下采煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行了測(cè)量和預(yù)測(cè),證明《三下采煤規(guī)程》經(jīng)驗(yàn)公式在該礦區(qū)應(yīng)用中的誤差,已無法適應(yīng)實(shí)際需要。采用回歸分析得出了預(yù)測(cè)同煤礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式。利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了該公式的準(zhǔn)確性。劉瑞新[13]對(duì)兗州礦區(qū)開采上限進(jìn)行研究時(shí),測(cè)量了不同試采工藝的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和已有數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出了適用于兗州礦區(qū)厚煤層不同開采工藝的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)公式。同時(shí),指出不同煤巖尺寸和開采深度的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度存在較大差異:煤柱較小時(shí),導(dǎo)水裂隙帶高度較小;覆巖柱較大時(shí),導(dǎo)水裂隙帶高度也較大;整層綜放較網(wǎng)下綜放開采要大。

表3 經(jīng)典形式回歸統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式[10-13]

同樣,式(2)也是常用的回歸分析模型,見表4。馬雄德等[14]指出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、物理模擬和數(shù)值模擬方法對(duì)神南礦區(qū)中硬巖采煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的結(jié)果存在很大差異,在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)測(cè)高度和周邊礦井資料,采用式(2)經(jīng)線性擬合得到適用于計(jì)算神南礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的公式。分析指出采高小于3 m時(shí),預(yù)測(cè)結(jié)果與規(guī)范推薦公式結(jié)果接近;采高為3~6 m時(shí),《三下采煤規(guī)程》公式計(jì)算結(jié)果偏小;采高大于6 m時(shí),《三下采煤規(guī)程》與《礦區(qū)勘探規(guī)范》公式計(jì)算結(jié)果均偏小。朱偉等[15]對(duì)潞安礦區(qū)不同開采工藝導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行研究,指出導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與采厚成正比,且分層綜放開采可有效降低其發(fā)育高度。分析得出了含有采高和開采分層數(shù)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)公式,經(jīng)漳河下煤層開采驗(yàn)證了預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。李文平等[16]分析了淮南礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律,指出綜采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度較分層開采要大,且已無法適用綜放開采大采高導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測(cè)?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)軟弱頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與采厚進(jìn)行回歸分析得出了預(yù)測(cè)公式;并指出該式適用于類似開采條件下4~6 m煤層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與開采工藝、采高等參數(shù)也存在一定關(guān)系。

表4 線性形式回歸統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式[14-16]

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)公式常采用的回歸模型還有指數(shù)形式,見表5。余學(xué)義等[17]在評(píng)價(jià)規(guī)范性經(jīng)驗(yàn)公式適用性和研究影響導(dǎo)水裂帶發(fā)育高度因素的基礎(chǔ)上,采用礦區(qū)實(shí)測(cè)資料經(jīng)非線性擬合得出了大采高放頂煤開采條件下預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的公式。文章通過計(jì)算和對(duì)比,指出傳統(tǒng)開采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度較機(jī)械化開采時(shí)要小,且采高大于3 m時(shí),這種差異更加明顯。孫亞軍等[18]評(píng)價(jià)小浪底水庫水體下采煤安全性時(shí),采用物理模擬和數(shù)值模擬分析了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的規(guī)律,發(fā)現(xiàn)采煤厚度是導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的主要影響因素,且兩者非線性關(guān)系。將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、物理模擬和數(shù)值模擬獲得的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度,經(jīng)非線性擬合得出適用于該礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)公式,試采結(jié)果驗(yàn)證了預(yù)測(cè)公式的可靠性。

表5 指數(shù)形式回歸統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式[17-18]

3 結(jié) 語

通過文獻(xiàn)查閱,歸納總結(jié)了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)的計(jì)算公式。通過本文分析、總結(jié),對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)公式研究有以下結(jié)論和建議:

(1)廣泛應(yīng)用于預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的規(guī)范性經(jīng)驗(yàn)公式已不適應(yīng)現(xiàn)代化采煤要求。規(guī)范性經(jīng)驗(yàn)公式可適應(yīng)小于3．5 m煤層的分層開采或普采。隨著開采條件改變,規(guī)范性經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果往往偏小,會(huì)給水體下采煤安全帶來隱患。

(2)隨著綜采技術(shù)推廣和相應(yīng)實(shí)測(cè)資料增多,建立相應(yīng)預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式的時(shí)機(jī)已成熟,為滿足現(xiàn)代化采煤的需要,對(duì)相關(guān)規(guī)范文件的完善、修訂已十分緊迫。

(3)當(dāng)前研究常采用預(yù)測(cè)公式形式有3種,即經(jīng)典形式、線性形式和指數(shù)形式。缺乏相適應(yīng)預(yù)測(cè)公式時(shí)可采用相關(guān)公式形式建立適用自身需要的經(jīng)驗(yàn)公式。

(4)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果往往存在一定誤差,影響煤礦生產(chǎn)安全?？蓪⒔?jīng)驗(yàn)公式計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、物理模擬、數(shù)值模擬等研究手段結(jié)合使用,以提高預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。