綜采放頂煤導(dǎo)水裂縫帶高度分析與應(yīng)用

李本軍 劉曉威

摘要：根據(jù)現(xiàn)場不同礦區(qū)的實(shí)測資料，根據(jù)最小二乘法，探討了綜采放頂煤導(dǎo)水裂縫帶最大高度的計(jì)算公式。通過麻家梁煤礦實(shí)例分析，同一采厚下，綜采放頂煤頂板導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度要比分層開采條件下大得多，中硬巖頂板導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度要比軟弱巖頂板導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度大得多。資料分析成果對于指導(dǎo)麻家梁煤礦綜采放頂煤具有重要意義。

關(guān)鍵詞：綜采放頂煤；導(dǎo)水裂縫帶；最大高度

1 前言

綜采放頂煤技術(shù)在我國厚煤層礦區(qū)的廣泛使用，給煤礦企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，促進(jìn)了煤炭事業(yè)的發(fā)展，同時也給“三下”采煤提出了新的課題[1]。綜采放頂煤一次性采全高，開采強(qiáng)度大，覆巖破壞相對嚴(yán)重，導(dǎo)水裂縫帶相對發(fā)育。

關(guān)于綜采放頂煤條件下覆巖破壞規(guī)律的研究，國外未見報(bào)道，國內(nèi)僅僅在兗州、淮南、康平、潞安等礦區(qū)開展了一些工作[1]。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)測資料，利用最小二乘法，推導(dǎo)總結(jié)了一些計(jì)算公式。對于沒有取得綜采放頂煤觀測資料的礦區(qū)，在分析研究煤層頂板導(dǎo)水裂縫最大高度時，可參考選擇使用。

2 綜采放頂煤導(dǎo)水裂縫最大高度認(rèn)識

2.1 潞安礦區(qū)覆巖破壞觀測結(jié)果

潞安礦區(qū)王莊煤礦為解放水體下壓煤，6206綜放工作面曾開展了綜采放頂煤條件下“兩帶”高度的觀測研究。該工作面開采二疊系下統(tǒng)山西組3#煤層，煤層傾角1－8°，工作面采長1780m，采寬148－248m，平均采深316m，平均推進(jìn)速度7m/d。采煤方法采用綜采放頂煤一次采全厚，全陷法管理頂板[1]。

3#煤層上覆巖層主要由中細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖和第四系黃土層組成，整個覆巖屬于中硬偏硬。

根據(jù)K1、K2、K3三個孔的現(xiàn)場實(shí)測資料，推導(dǎo)出的潞安礦區(qū)王莊煤礦導(dǎo)水裂縫帶最大高度計(jì)算公式為公式（1），有效采厚5.2-5.9m。

（1）[1]

作者簡介：李本軍（1979—），男，山東嘉祥人，工程師，從事礦山地質(zhì)與災(zāi)害地質(zhì)研究。

式中——煤層有效采厚，m；

——導(dǎo)水裂縫帶最大高度，m。

2.2 兗州礦區(qū)覆巖破壞觀測結(jié)果

根據(jù)兗州礦區(qū)興隆莊煤礦5306綜放工作面放1、放2、放3孔實(shí)測資料、4314綜放工作面放4、放5孔實(shí)測資料和鮑店煤礦1316工作面L3、L4孔實(shí)測資料，推導(dǎo)出的兗州礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶最大高度計(jì)算公式為公式（2），有效采厚8.2-8.8m。

（2）[1]

各參數(shù)意義同公式（1）。

兗州礦區(qū)綜放開采時，導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育受到明顯的抑制。主要原因是：兗州礦區(qū)第四系松散層較厚，基巖較薄，基巖風(fēng)化帶內(nèi)的巖層較軟弱，因此在綜采放頂煤開采條件下導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育得到有效抑制，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度表現(xiàn)出軟弱巖層的特點(diǎn)[1]。

2.3 淮南礦區(qū)覆巖破壞觀測結(jié)果

根據(jù)淮南礦區(qū)謝橋煤礦、潘一、張集煤礦綜采放頂煤條件下導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測結(jié)果，利用最小二乘法計(jì)算的綜采放頂煤導(dǎo)水裂縫帶最大高度計(jì)算公式為公式（3）和公式（4）。其中煤層覆巖類型是軟弱巖層的有效采厚4.0-6.0m；其中煤層覆巖類型是中硬巖層的有效采厚3.9-5.0m[1]。

中硬巖層： （3）

軟弱巖層： （4）[1]

各參數(shù)意義同公式（1）。

2.4 康平礦區(qū)覆巖破壞觀測結(jié)果

康平煤田地處沈陽市康平縣境內(nèi)，含煤地層為侏羅系，開采煤層為1#煤和2#煤，煤層傾角2—10°，覆巖巖性中硬[1]。

小康煤礦和太平煤礦綜采放頂煤條件下的覆巖破壞規(guī)律的實(shí)測及分析資料見表1[1]。

表1小康煤礦、太平煤礦綜采放頂煤導(dǎo)水裂縫帶高度觀測結(jié)果

煤礦 工作面 孔號 煤層采厚/m 鉆孔位置 導(dǎo)水裂縫帶高度/m 裂高采厚比

小康 S1W3 1 10.73 距運(yùn)巷10m 193.41 18.03

3 10.73 距風(fēng)巷10m 198.41 18.49

太平 N1N2 5 7.54 距運(yùn)巷20m 185.08 24.55

N1N4 7 11.40 工作面中部 227.70 19.97

8 11.40 距風(fēng)巷12m 194.64 17.07

3 麻家梁煤礦綜采放頂煤導(dǎo)水裂縫最大高度計(jì)算與對比

3.1 麻家梁煤礦概況

同煤浙能麻家梁煤礦設(shè)計(jì)規(guī)模1200萬噸/年，主采4#和9#煤，4#號煤厚1.35～11.09m，平均6.32m，煤層傾角3～8°。首采區(qū)（一、二采區(qū)）4號煤層采用放頂煤綜采采煤法、全部垮落法管理頂板。4號煤層頂板巖體較完整，巖體為塊狀結(jié)構(gòu)，巖石質(zhì)量等級好。4#煤上覆巖性為砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖為主，硬度中硬偏硬。

3.2 開采4#煤導(dǎo)水裂縫帶最大高度計(jì)算

表2不同采煤方法導(dǎo)水裂縫帶對比表

孔號 采厚/m 公式（3）計(jì)算值( )/m

分層開采理論計(jì)算值( )/m

( - )/m

34216 9.65 130.94 56.28 74.66 132.66

35213 10.66 144.68 57.21 87.47 152.89

35061 9.83 133.39 56.46 76.93 136.26

35214 9.35 126.86 55.98 70.88 126.62

35085 9.5 128.90 56.13 72.77 129.65

3613 8.25 111.90 54.71 57.19 104.53

63218 10.21 138.56 56.81 81.75 143.90

63141 10.51 142.64 57.08 85.56 149.89

37040 9.09 123.32 55.70 67.62 121.40

37219 7.94 107.68 54.30 53.38 98.31

37034 8.38 113.67 54.87 58.8 107.16

37228 8.28 112.31 54.75 57.56 105.13

3819 9.42 127.81 56.05 71.76 128.03

3508 4.65 62.94 47.72 15.22 31.89

3509 5.92 80.21 50.89 29.32 57.61

3510 7.55 102.38 53.75 48.63 90.47

3611 7.58 102.79 53.79 49 91.09

3612 10.03 136.11 56.65 79.46 140.26

3715 8.99 121.96 55.59 66.37 119.39

3716 8.83 119.79 55.41 64.38 116.19

37039 9.55 129.58 56.18 73.4 130.65

3817 11.09 150.52 57.56 92.96 161.50

3818 10.95 148.62 57.45 91.17 158.69

分層開采理論計(jì)算公式指的是公式（7）

（7）[3]

式中 ——累計(jì)采厚，m；

——導(dǎo)水裂縫帶最大高度，m。

表3不同頂板巖性導(dǎo)水裂縫帶對比表

孔號 采厚/m 公式（2）計(jì)算值（ )/m

公式（3）計(jì)算值

( )/m

（ ）/m

34216 9.65 76.34 130.94 54.60 71.52

35213 10.66 78.61 144.68 66.07 84.05

35061 9.83 76.77 133.39 56.62 73.75

35214 9.35 75.60 126.86 51.26 67.80

35085 9.5 75.97 128.90 52.93 69.67

3613 8.25 72.60 111.90 39.3 54.13

63218 10.21 77.63 138.56 60.93 78.49

63141 10.51 78.29 142.64 64.35 82.19

37040 9.09 74.93 123.32 48.39 64.58

37219 7.94 71.66 107.68 36.02 50.27

37034 8.38 72.98 113.67 40.69 55.76

37228 8.28 72.69 112.31 39.62 54.51

3819 9.42 75.77 127.81 52.04 68.68

3508 4.65 57.79 62.94 5.15 8.91

3509 5.92 64.17 80.21 16.04 25.00

3510 7.55 70.41 102.38 31.97 45.41

3611 7.58 70.51 102.79 32.28 45.78

3612 10.03 77.23 136.11 58.88 76.24

3715 8.99 74.67 121.96 47.29 63.33

3716 8.83 74.24 119.79 45.55 61.36

37039 9.55 76.09 129.58 53.49 70.30

3817 11.09 79.49 150.52 71.03 89.36

3818 10.95 79.20 148.62 69.42 87.65

從表2可看出，同一采厚下，綜放開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶高度比分層開采要大的多，高出31.89%–161.50%；且采厚越厚兩者的差距也越大。

從表3可看出，同一采厚下，中硬頂板巖性的導(dǎo)水裂縫帶高度比軟弱頂板大，高出8.91%–89.36%；且采厚越厚兩者的差距也越大。

公式（2）是在煤層頂板巖性相對偏軟的條件下推導(dǎo)的計(jì)算公式，用于預(yù)測硬度為中硬以上煤層頂板綜采放頂煤導(dǎo)水裂縫最大高度顯的差強(qiáng)人意。麻家梁煤礦綜采放頂煤導(dǎo)水裂縫最大高度預(yù)測分析推薦采用公式（1）和公式（3）。

4 綜采放頂煤導(dǎo)水裂縫帶高度規(guī)律性認(rèn)識

根據(jù)麻家梁煤礦計(jì)算結(jié)果，同采厚條件下，中硬頂板巖性的導(dǎo)水裂縫帶高度比軟弱頂板大，且隨著采厚的增加，兩者的差值越來越大，最大達(dá)到89.36%；綜放開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度比分層開采大，且煤層越厚兩者的差距也越大，最大達(dá)到130.73%。

保守認(rèn)為的綜采放頂煤導(dǎo)水裂縫帶最大高度經(jīng)驗(yàn)公式為公式（5）、公式（6）和公式（7）。

堅(jiān)硬巖層： （5）[1]

中硬巖層： （6）[1]

軟弱巖層： （7）[1]

各參數(shù)含義同公式（1）。

參考文獻(xiàn)：

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。