综采导水裂隙带多因素影响指标研究与高度预计

　第37卷第4期煤　　炭　　学　　报Vol.37　No.4　　2012年4月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYApr.　2012　　　文章编号:0253-9993(2012)04-0613-08综采导水裂隙带多因素影响指标研究与高度预计胡小娟1,李文平1,曹丁涛2,刘满才3(1．中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州　221008;2．兖州煤业股份有限公司,山东邹城　273500;3．淮南矿业集团,安徽淮南　232052)摘　要:在分析了导水裂隙带发育高度受多种因素影响的前提下,提出了新的参数指标即硬岩岩性比例系数,代替顶板岩层单轴抗压强度,避免了现行规范中坚硬、中硬、软弱、极软弱顶板类型划分时单轴抗压强度统计不确定问题,以及未反映顶板软硬岩层组合结构问题。以39例综采导水裂隙带实测数据为基础,采用多元回归分析,得到综采导水裂隙带高度与煤层采高、硬岩岩性系数、工作面斜长、采深、开采推进速度多因素之间的非线性统计关系式,并用于淮南谢桥矿首采面的导水裂隙带高度预计。关键词:综放开采;导水裂隙带高度;影响因素;多元回归分析;预测中图分类号:TD745．21　　　文献标志码:A收稿日期:2011-04-25　　责任编辑:王婉洁　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(40572160)　　作者简介:胡小娟(1986—),女,安徽巢湖人,硕士研究生。E-mail:[e-mail]sandexpectedheightoffullymechanizedwaterflowingfracturedzoneHUXiao-juan1,LIWen-ping1,CAODing-tao2,LIUMan-cai3(1．SchoolofResourcesandGeosciences,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou　221008,China;2．YanzhouCoalMiningCompanyLimited,Zoucheng　273500,China;3．HuainanMiningGroup,Huainan　232052,China)Abstract:Onthepremiseofanalysisonthedevelopmentofwaterflowingfracturedzoneheightbyinfluenceofvariousfactors,anewparameterindexnamelyhard-rocklithologyratiowasproposed,whichinsteadsofroofstratacombinationuniaxialcompressivestrength,avoidsdeterminationofstatisticalproblemofuniaxialcompressivestrengthbythetypeofhardandmediumhard,weak,extremelyweakroofinthecurrentspecification,anddoesn’treflectthehardandsoftstratacombinationroofstructure.Basedonthemeasureddataoffullymechanizedwaterflowingfracturedzoneof39cases,usingmultipleregressionanalysis,manyfactorsofnon-linearstatisticformulaswereobtainedamongheightoffullymechanizedwaterflowingfracturedzoneandminingcoalthickness,hard-rocklithologyratio,workingfacelength,miningdepth,miningfaceadvanceandusedfortheexpectedheightofwaterflowingfracturedzoneinHuainanXieqiaofirstfacemining.Keywords:full-mechanizedcavingmining;heightofwaterflowingfracturedzone;affectingfactors;multipleregressionanalysis;prediction　　随着我国东部可采煤炭资源的不断减少和总体开采技术水平的不断提高,近含水层、地表水体下采煤的规模在不断扩大,煤层开采导水裂隙带发育高度的研究也在不断深入,其科学技术意义愈显重大。长期以来,许多煤炭科学工作者对导水裂隙带发育高度进行了研究,取得了较丰硕的成果。以煤炭科学研究总院刘天泉为代表的一批学者经过几十年的理论研究、实验和推广应用,得到了计算导水裂隙带发育高度的经验公式,对影响导水高度发育的因素及导水高度发育的过程也有较深入研究[1]。王金庄等[2]研究煤　　炭　　学　　报2012年第37卷了连续大面积开采条件下托板控制岩层变形模型;姜福兴[3]提出了“岩层质量指数”;高延法[4]提出了岩移“四带”模型等,对解释和计算导水裂隙带的形状和高度都有重要意义。但由于地质环境条件及岩(土)体结构的复杂性,过去的研究还存在较大的局限性。总体上看,导水裂隙带高度的研究,至今仍处在理论探索和经验应用水平。我国目前对顶板导水裂隙带(含垮落带、断裂带,或简称“两带”)高度的预计计算,主要是依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[5](以下简称“三下”规程)、“矿井水文地质规程”。但是导水裂隙带发育高度受到地质条件、顶板覆岩结构[6]和采煤工艺[7]等多种因素的影响。我国不同矿区的地质条件和顶板覆岩结构有较大差异,采煤工艺也随着技术力水平的提高和发展,出现了分层综采、厚煤层一次采全高、厚煤层综放开采及快速推进高产高效等采煤新技术,导致导水裂隙实际发育高度在不同矿区有较大变化范围,因此,有些矿区的导水裂隙发育高度与规程中的预测公式的计算结果并不完全相符。鉴于上述原因,对于在水体下采煤的安全评价和突水预测,仅仅采用规程中的公式或前人在其他矿区提出的计算公式进行导水裂隙发育高度计算是难以满足安全要求的,因而有必要对其进行专门的研究和探讨,尽可能全面的考虑主要因素,以获得水下采煤导水裂隙发育高度的多因素定量预测公式,提高突水预测的可靠性和矿井安全。“三下”规程中给出的经验公式导水裂隙带Hf仅与开采煤层厚度M相关。但根据生产实践与理论研究,煤层开采顶板导水裂隙带发育高度受到多种因素的影响,如采高、顶板岩层结构类型、顶板管理方式、工作面斜长、采深等,这些影响因素一般具有复杂、难定量、非线性等特点。其对导水裂隙带发育高度的影响,国内外众多学者已有不同程度的研究[8-12],然而具体对“两带”高度如何影响,影响多大,目前没有满意的量化研究结果。规程中经验公式所依据的实测数据主要来源于20世纪50—80年代炮采、普采、分层开采(厚煤层)工作面实测值,且采深较小,一般不超过500m。综合机械化采煤(综采)是20世纪90年代发展起来的新的采煤方法,目前已在全国得到了普遍应用;而针对综采导水裂隙带发育高度的预计,目前还未有令人满意的公式。因此如何确定导水裂隙带的高度,一直是工程地质及相关学科研究的课题之一[13-18]。本文通过调研,收集了山东省(鲁西南地区)及邻近省份安徽省综采导水裂隙带高度实例,分析影响导水裂隙带发育高度的几种常见因素,并研究导水裂隙带发育高度与多种影响因素之间的关系式,预计导水裂隙带高度,为矿井突水预测和制订矿井水害防治决策提供重要理论依据。1　导水裂隙带高度的影响因素1．1　影响因素研究现状及评价根据“三下”规程中对导水裂隙带高度的预计,考虑有以下几个影响因素:(1)煤层厚度。更准确的说是采高,该指标反映了地下开挖垂向高度大小对开挖后顶板岩体应力重分布、变形和破裂范围的影响,因此是主要指标之一;在传统的经验公式中(“三下”规程、“矿井水文地质规程”),是预计导水高度的惟一影响参数。(2)顶板岩层单轴抗压强度。据煤矿工程地质与岩石力学基础理论,采空区顶板岩层的强度不同,其采后顶板岩体应力重分布、变形和破裂范围也不同;顶板岩层的单轴抗压强度是便于测定、反映岩层强度的指标;“三下”规程和“矿井水文地质规程”中也根据顶板单轴抗压强度大小分为软弱、中硬、坚硬顶板类型。但由于导水裂隙带高度范围内一般涉及多层岩层,具体应用时如何取值,没有说明。(3)顶板岩层结构类型。煤层顶板岩体的结构类型不同,其开采后顶板破裂高度范围也不同。实践表明,顶板岩体软弱破碎,其采动破裂高度发育相对小;坚硬完整顶板岩体采动破裂高度相对大。按照产生导水高度由大到小的顺序,顶板岩性结构排序为:坚硬-坚硬型、软弱-坚硬型、坚硬-软弱型、软弱-软弱型[14]。对导水裂隙带发育高度的影响因素,目前规程中一般只考虑以上3种,但是对顶板类型的软弱、坚硬却不好划分。因此在实际预测导水高度时考虑这些影响因素并不全面。1．2　多因素影响指标分析根据煤矿工程地质基础理论和煤矿生产实践,导水裂隙带发育高度的影响因素,除了煤厚、顶板岩层结构类型、顶板岩层单轴抗压强度之外,还应该考虑以下几因素:(1)工作面斜长。斜长是和煤厚一样,属开采空间尺寸对导水高度影响的指标。目前经验认为,采空区尺寸在覆岩不充分采动的条件下起作用,当采空区面积达到覆岩充分采动条件时,基本上不起作用。(2)采深。据煤矿工程地质与岩石力学基础理论,地下开挖空间附近岩层的地应力大小、状态,对开416第4期胡小娟等:综采导水裂隙带多因素影响指标研究与高度预计挖后围岩的破坏范围大小有较重要影响。一般情况下,工作面围岩的原岩应力随深度增加而增大,因此开采深度对导水高度造成一定的影响。(3)推进速度。工作面推进快慢对顶板及覆岩变形破坏过程有较明显影响。煤厚、斜长、采深、推进速度在煤矿工程地质勘探和设计阶段都比较容易获取,但是对于软硬相间、多层岩层组成的煤层顶板岩体,定量描述其整体强度和结构区别则不太容易。(4)硬岩岩性比例系数。为了避免现行规范中坚硬、中硬、软弱、极软弱顶板类型划分时单轴抗压强度统计确定问题,以及未反映顶板软硬岩层组合结构问题,在此提出一个新的参数指标即硬岩岩性比例系数b,代替顶板组合岩层单轴抗压强度和顶板岩层结构类型两个影响因素。硬岩岩性比例系数是指煤层顶板以上统计高度内(导水裂隙带高度),硬岩与统计高度的比值,参与统计的硬岩主要指砂岩(细砂岩、中砂岩、粗砂岩)、混合岩、火成岩。即b=∑h(15~20)M,其中M为采高;∑h为估算的导水裂隙带高度范围内的硬岩岩层统计的累计厚度(根据地方预计导水高度的经验来考虑取多少倍的煤厚,一般为顶板15~20倍采高)。b的范围在0~1之间,当b=0时,说明顶板是极软弱顶板类型;当b=1时,顶板是坚硬顶板类型;当0b1时,顶板类型介于软弱、坚硬之间。采用该指标,可反映煤层顶板强度类型、岩性组合。该指标可通过钻孔柱状图确定,如图1所示。图1　钻孔柱状图Fig．1　Chartofcylindricalhole　　根据柱状图可以确定硬岩岩性比例系数b,即b=3485=0．4。该指标具有反映顶板坚硬程度、结构组合关系的特点,且在工程地质勘探阶段容易获取。综上所述,影响导水裂隙带发育高度的因素可以归纳为:采高、硬岩岩性比例系数、工作面斜长、采深、工作面推进速度。2　导水裂隙带的实测数据在“三下”规程中和“矿井水文地质规程”中对导水高度的预计,只考虑煤厚一个因素,其他常见影响因素并未考虑,因此在预测导水高度时具有一定的不科学性。为了研究各个影响指标对导水裂隙带发育高度的影响,调研和收集了山东省(鲁西南地区)及邻近省份安徽省综采导水裂隙带高度实例共39例,整理得到相关影响因素数据见表1。表1　导水裂隙带高度实测值及相关影响因素数据Table1　Dataofwaterflowin