滕州礦區(qū)3#煤綜放開采頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨阮A(yù)測(cè)模型

曹始友，董方營(yíng)，陳大林，張歷峰，徐德寶，王 松，王 鵬，尹會(huì)永，鄭永杰

（1．棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277100；2．山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；3．山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590；4．棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 蔣莊煤礦，山東 棗莊 277519；5．棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 濱湖煤礦，山東 棗莊 277599；6．棗莊礦業(yè)集團(tuán)新安煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 277607；7．棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）付村煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 277605；8．山東省三河口礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)寧 277600；9．中國(guó)冶金地質(zhì)總局青島地質(zhì)勘查院，山東 青島 266109）

石炭-二疊紀(jì)是我國(guó)華北型煤田重要成煤期，其中山西組3#煤（3上、3下）是最重要的開采煤層之一[1]。煤層開采使上覆圍巖發(fā)生破壞，當(dāng)破壞帶延申至煤層頂部含水層時(shí)，易誘發(fā)頂板突水事故[2]。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)山西組3#煤開采覆巖破壞高度，能有效避免礦井水害事故的發(fā)生。煤層采出一定范圍后，采空區(qū)上覆巖土體內(nèi)拉應(yīng)力和剪應(yīng)力超過其強(qiáng)度極限則發(fā)生垮落和下沉[3-4]。根據(jù)“上三帶”理論，煤層開采覆巖破壞和位移分帶依次劃分為垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶[5]?？迓鋷?nèi)巖塊間連通性強(qiáng)，是井下突水突泥的主要通道；斷裂帶內(nèi)巖層受拉產(chǎn)生垂直或斜交于巖層的張裂隙，導(dǎo)水性明顯增強(qiáng)；彎曲下沉帶內(nèi)發(fā)育離層裂隙，可以層間導(dǎo)水和貯水，但垂向裂隙不發(fā)育，與下部裂隙不產(chǎn)生水力聯(lián)系[6]?？傊?，垮落帶和斷裂帶都具有垂向?qū)裕ǔ烧吆戏Q為導(dǎo)水?dāng)嗔褞?，兩者高度之和即為?dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度[7]。

國(guó)內(nèi)目前獲得導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨茸钪苯涌煽康姆椒ㄊ乾F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[8-10]，但其成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，通常用來驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果。常用的預(yù)測(cè)方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法[7]、相似材料模擬[5]、數(shù)值模擬[11-12]、類比分析法[13]、關(guān)鍵層理論等[14-15]。其中，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的經(jīng)驗(yàn)公式法是預(yù)計(jì)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨茸羁扇〉姆椒╗16-18]。大量學(xué)者通過實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析和理論研究得到了不同采厚和覆巖條件下導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨冉?jīng)驗(yàn)公式，其中以劉天泉院士為代表所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式被編入《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[19]，一定程度上滿足了煤礦防治水的初步要求。然而，規(guī)范公式僅在煤層埋深淺、工作面跨度小、分層開采的條件下預(yù)測(cè)結(jié)果較準(zhǔn)確。此外影響導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊囊蛩乇姸啵煌貐^(qū)發(fā)育規(guī)律差別較大，因此針對(duì)特定地區(qū)特定煤層開展經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)顯得十分重要。

基于此，搜集了大量滕州礦區(qū)山西組3#煤層綜放開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葘?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在綜合分析18個(gè)采煤工作面的基礎(chǔ)上，考慮采厚、采深、煤層傾角、走向長(zhǎng)度、傾向長(zhǎng)度、頂板厚度6個(gè)主控因素。運(yùn)用SPSS軟件對(duì)各影響因素進(jìn)行相關(guān)性分析，并進(jìn)行多元線性回歸擬合。最后，以4個(gè)煤礦開采工作面為例對(duì)該預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行誤差對(duì)比分析，其中騰東煤礦還輔助以UDEC數(shù)值模擬分析。

1 滕州礦區(qū)3#煤覆巖特征

滕州礦區(qū)煤田3#煤覆巖地層綜合柱狀圖如圖1。

圖1 3#煤覆巖地層綜合柱狀圖（高莊煤礦）Fig.1 Comprehensive histogram of 3#coal overlying strata（from Gaozhuang Coal Mine）

滕州礦區(qū)地層由老到新依次為奧陶系、石炭系、二疊系、第四系[2]。3#煤層位于二疊系山西組（P1－2s）中下部，分上下2層煤，其中3上煤為局部可采煤層，3下煤在賦存區(qū)內(nèi)全區(qū)可采。山西組地層通常含有3套砂巖，按其所處位置分別為：3上煤層至山西組頂界之間含有1套中-細(xì)粉砂巖互層，富水性較強(qiáng)，該砂巖有時(shí)為3上煤層的直接頂板；3上與3下煤層之間沉積1套砂巖，以粉砂巖為主；3下煤層至山西組底界之間含有1套細(xì)粒砂巖。

山西組3#煤開采的直接充水水源為頂板砂巖水；間接充水水源為上部侏羅系裂隙水和第四系松散層水。煤層頂部砂巖水屬裂隙承壓水，正常地段補(bǔ)給條件差，含水較弱。但在構(gòu)造復(fù)雜地段，一方面由于斷層兩側(cè)裂隙較發(fā)育，另一方面煤層開采產(chǎn)生的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Э赡苁姑簩禹敳扛骱畬酉嗷ヘ炌?，變?yōu)橹苯映渌矗瑢?duì)3#煤開采構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扔绊懸蛩胤治?/h2>

2.1 各因素綜合分析

巖體內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造和煤層開采過程中應(yīng)力變化具有復(fù)雜性和不確定性，影響煤層頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊囊蛩夭粌H限于單一條件。通過對(duì)以往煤礦開采經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)整理分析[7]，得出影響導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊囊蛩刂饕幸韵?個(gè)。

1）采煤方法。不同采煤方法直接決定煤層的一次開采厚度和分層開采數(shù)目，進(jìn)而對(duì)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度及分布形態(tài)產(chǎn)生明顯影響。

2）開采厚度。采厚越大，采出空間越大，上覆巖層破壞范圍和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨纫苍酱骩15,20]。

3）開采深度。煤層的開采越深礦山壓力越大，覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)模越大，導(dǎo)水?dāng)嗔褞г桨l(fā)育。

4）煤層傾角。在急傾斜煤層條件下，當(dāng)區(qū)段垂高一定時(shí)，采區(qū)走向長(zhǎng)度對(duì)冒落帶和裂隙帶的高度有明顯影響[21]。

5）覆巖巖性及組合特征。覆巖巖性決定巖石的力學(xué)性質(zhì)，巖石抗剪強(qiáng)度越大，越不利于導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育。巖層組合結(jié)構(gòu)常分為堅(jiān)硬-堅(jiān)硬型、軟弱-軟弱型、軟弱-堅(jiān)硬型、堅(jiān)硬-軟弱型4種[17]。

6）頂板巖層厚度。巖層厚度是指煤層直接頂和基本頂中砂巖厚度之和。根據(jù)“上三帶”理論，覆巖斷裂帶位于垮落帶之上，彎曲下沉帶之下，發(fā)育過程受巖層厚度的影響[19]。通常頂板厚度越大越不利于導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育。

7）工作面尺寸。工作面尺寸由傾斜長(zhǎng)度和走向長(zhǎng)度共同決定，傾斜長(zhǎng)度越大，頂板巖梁斷裂幾率越高，裂隙帶高度越大；走向長(zhǎng)度決定煤層開采及破壞的程度，尺寸足夠大時(shí)，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨饶艿玫匠浞职l(fā)展[22]。

2.2 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扔绊懸蛩?/h3>

山西組3#煤開采方法全部為綜放開采，大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示上覆巖層基本可以定為中硬巖層。因此，采煤方法、覆巖巖性及組合特征2個(gè)因素對(duì)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度的影響在本研究中忽略不計(jì)。綜上所述，本研究導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊挠绊懸蛩赜?個(gè)，即采厚、采深、煤層傾角、工作面尺寸（走向長(zhǎng)度、傾向長(zhǎng)度）和頂板厚度。

滕州礦區(qū)滕縣煤田及周邊煤礦山西組3#煤層綜放開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葘?shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨群透髦骺匾蛩亻g的相關(guān)性分析見表2

表1 3#煤綜放開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葘?shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Measured data of water-conducting fracture zone height in 3#coal fully mechanized caving mining

由表2可知，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扰c采厚呈極顯著相關(guān)，其次與傾向長(zhǎng)度和采深相關(guān)性較大，與煤層傾角、走向長(zhǎng)度和頂板厚度相關(guān)性很小且與煤層傾角呈負(fù)相關(guān)。。

表2 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扰c各主控因素間的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between height of waterconducting fracture zone and main controlling factors

3 預(yù)測(cè)模型

根據(jù)表1中18個(gè)煤礦工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將采厚M、采深H、煤層傾角α、走向長(zhǎng)度L1、傾向長(zhǎng)度L2、頂板厚度m等6個(gè)影響因素看作導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度的主要影響因子，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨仍O(shè)為Hlie。應(yīng)用SPSS25分析軟件進(jìn)行多元線性回歸擬合得到如下預(yù)測(cè)模型：

式中：M、H、L1、L2單位均為m；α單位為（°）。

1）模型顯著性檢驗(yàn)。取顯著水平為α=0.05，通過SPSS計(jì)算得到：F=23.508，這在統(tǒng)計(jì)上認(rèn)為不大可能僅由抽樣誤差導(dǎo)致，很可能是由試驗(yàn)因素不同造成的，在統(tǒng)計(jì)上成立；同時(shí)相關(guān)系數(shù)R2=0.928，數(shù)值非常接近1，也說明回歸方程顯著，因此回歸模型成立。

2）模型標(biāo)準(zhǔn)化殘差檢驗(yàn)。18個(gè)樣本的標(biāo)準(zhǔn)殘差值介于-1.071～1.945之間，平均值近似等于0且相差較小?；貧w標(biāo)準(zhǔn)化殘差的正態(tài)P-P圖如圖2，由圖2可以看出預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)殘差累計(jì)概率基本呈直線分布。標(biāo)準(zhǔn)化殘差散點(diǎn)圖如圖3，圖3中所有點(diǎn)均隨機(jī)散亂分布，也說明建立的回歸模型較理想。因此，該回歸模型能較好的擬合原有數(shù)據(jù)。

圖2 正態(tài)P-P圖Fig.2 Normal P-P diagram

圖3 散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter diagram

4 模型應(yīng)用與誤差分析

4.1 誤差對(duì)比分析

將模型應(yīng)用于滕州礦區(qū)山西組3#煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨阮A(yù)測(cè)。以藤縣煤田不同煤礦4個(gè)工作面為例，工作面主控因素?cái)?shù)據(jù)見表3，將預(yù)測(cè)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對(duì)比分析。

表3 工作面主控因素?cái)?shù)據(jù)Table 3 Main control factors data of working face

山西組3#煤層頂板巖性以粉砂巖及粗、中、細(xì)砂巖互層為主，多屬中硬巖層，按照“三下規(guī)范”導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扔?jì)算公式為[23]：

式中：M為采煤厚度，m；Hm為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨龋琺。

“三下規(guī)范”提供的經(jīng)驗(yàn)公式適用于采厚不大于3 m的情況，對(duì)于大厚度綜放開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞У挠?jì)算，參考《煤礦防治水手冊(cè)》中國(guó)礦大（北京）總結(jié)經(jīng)驗(yàn)公式[24]：

式中：Hlie為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度，m；M為煤層有效采厚，m。

各種方法獲得導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨日`差對(duì)比分析見表4?？梢钥闯鲆?guī)范公式計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)值小得多，誤差均在20%左右，預(yù)測(cè)效果較差。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果較好地包含了導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葘?shí)測(cè)值，但該公式計(jì)算結(jié)果上下限范圍較大，對(duì)于精準(zhǔn)預(yù)測(cè)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度具有局限性。而本研究預(yù)測(cè)模型考慮的因素更多，并進(jìn)行了回歸模型擬合檢驗(yàn)，精度更高，相對(duì)誤差全部控制在8%以內(nèi)。因此，提出的華北煤田3#煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨榷嘁蛩仡A(yù)測(cè)計(jì)算公式較符合實(shí)際，為頂板水害預(yù)測(cè)防治提供科學(xué)依據(jù)。

表4 各方法計(jì)算結(jié)果誤差對(duì)比Table 4 Comparison of errors of calculation results of each method

4.2 基于UDEC的煤層開采覆巖破壞數(shù)值模擬

UDEC軟件在模擬時(shí)能識(shí)別原生及次生裂縫、巖塊斷裂等，目前在硐室圍巖變形與破壞研究中應(yīng)用廣泛[25-27]。以騰東煤礦3下109工作面為例，應(yīng)用UDEC數(shù)值模擬軟件建立煤層開采覆巖破壞模型。為了消除應(yīng)力和位移的邊界效應(yīng)，綜合考慮工作面實(shí)際情況，將二維計(jì)算模型的長(zhǎng)（沿工作面走向）和高分別設(shè)置為350 m×100 m。將邊界條件設(shè)置為：兩端和底部邊界位移為0，頂部是自由邊界，可施加荷載。將巖石看作脆性材料，本構(gòu)模型選擇Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。采用的巖層力學(xué)參數(shù)見表5。騰東煤礦3下煤層開采時(shí)數(shù)值模擬如圖4。

表5 工作面計(jì)算模型各巖層力學(xué)參數(shù)Table 5 Mechanical parameters of each rock layer in the calculation model of working face

由圖4可以看出采空區(qū)上方為拉伸屈服區(qū)；再往上巖層處于彈性狀態(tài)，幾乎沒有裂縫，開始進(jìn)入彎曲下沉帶，由此可以確定覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育高度約為62 m。數(shù)值模擬結(jié)果與模型預(yù)測(cè)結(jié)果及實(shí)測(cè)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨然疽恢?，較好地驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型的可靠性。

圖4 騰東煤礦3下煤層開采時(shí)數(shù)值模擬圖Fig.4 Numerical simulation diagram of the third lower coal seam mining in Tengdong Coal Mine

5 結(jié) 語

1）綜合分析了導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度及各主控因素之間的相關(guān)性，結(jié)果表明導(dǎo)裂帶高度與煤層開采厚度呈極顯著線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為R2=0.89。

2）基于滕州礦區(qū)山西組3#煤層綜放開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葘?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了滕州礦區(qū)3#煤開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨阮A(yù)測(cè)模型。

3）以滕州礦區(qū)藤縣煤田4個(gè)煤礦工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，利用“三下規(guī)范”公式、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）總結(jié)經(jīng)驗(yàn)公式和基于UDEC的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行誤差對(duì)比分析。結(jié)果表明本模型計(jì)算結(jié)果較經(jīng)驗(yàn)公式精度更高，相對(duì)誤差基本控制在8%以內(nèi)。