綜采放頂煤導水裂縫帶高度分析與應用

李本軍 劉曉威

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

關鍵詞：綜采放頂煤；導水裂縫帶；最大高度

1 前言

綜采放頂煤技術在我國厚煤層礦區的廣泛使用，給煤礦企業帶來了巨大的經濟效益和社會效益，促進了煤炭事業的發展，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，開采強度大，覆巖破壞相對嚴重，導水裂縫帶相對發育。

關于綜采放頂煤條件下覆巖破壞規律的研究，國外未見報道，國內僅僅在兗州、淮南、康平、潞安等礦區開展了一些工作[1]。根據現場的實測資料，利用最小二乘法，推導總結了一些計算公式。對于沒有取得綜采放頂煤觀測資料的礦區，在分析研究煤層頂板導水裂縫最大高度時，可參考選擇使用。

2 綜采放頂煤導水裂縫最大高度認識

2.1 潞安礦區覆巖破壞觀測結果

潞安礦區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砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖和第四系黃土層組成，整個覆巖屬于中硬偏硬。

根據K1、K2、K3三個孔的現場實測資料，推導出的潞安礦區王莊煤礦導水裂縫帶最大高度計算公式為公式（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，從事礦山地質與災害地質研究。

式中——煤層有效采厚，m；

——導水裂縫帶最大高度，m。

2.2 兗州礦區覆巖破壞觀測結果

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

（2）[1]

各參數意義同公式（1）。

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

2.3 淮南礦區覆巖破壞觀測結果

根據淮南礦區謝橋煤礦、潘一、張集煤礦綜采放頂煤條件下導水裂縫帶高度實測結果，利用最小二乘法計算的綜采放頂煤導水裂縫帶最大高度計算公式為公式（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]

各參數意義同公式（1）。

2.4 康平礦區覆巖破壞觀測結果

康平煤田地處沈陽市康平縣境內，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律的實測及分析資料見表1[1]。

表1小康煤礦、太平煤礦綜采放頂煤導水裂縫帶高度觀測結果

煤礦 工作面 孔號 煤層采厚/m 鉆孔位置 導水裂縫帶高度/m 裂高采厚比

小康 S1W3 1 10.73 距運巷10m 193.41 18.03

3 10.73 距風巷10m 198.41 18.49

太平 N1N2 5 7.54 距運巷20m 185.08 24.55

N1N4 7 11.40 工作面中部 227.70 19.97

8 11.40 距風巷12m 194.64 17.07

3 麻家梁煤礦綜采放頂煤導水裂縫最大高度計算與對比

3.1 麻家梁煤礦概況

同煤浙能麻家梁煤礦設計規模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（一、二采區）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，巖體為塊狀結構，巖石質量等級好。4#煤上覆巖性為砂巖、砂質泥巖及泥巖為主，硬度中硬偏硬。

3.2 開采4#煤導水裂縫帶最大高度計算

表2不同采煤方法導水裂縫帶對比表

孔號 采厚/m 公式（3）計算值( )/m

分層開采理論計算值( )/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

分層開采理論計算公式指的是公式（7）

（7）[3]

式中 ——累計采厚，m；

——導水裂縫帶最大高度，m。

表3不同頂板巖性導水裂縫帶對比表

孔號 采厚/m 公式（2）計算值（ )/m

公式（3）計算值

( )/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，綜放開采產生的導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的計算公式，用于預測硬度為中硬以上煤層頂板綜采放頂煤導水裂縫最大高度顯的差強人意。麻家梁煤礦綜采放頂煤導水裂縫最大高度預測分析推薦采用公式（1）和公式（3）。

4 綜采放頂煤導水裂縫帶高度規律性認識

根據麻家梁煤礦計算結果，同采厚條件下，中硬頂板巖性的導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，最大達到89.36%；綜放開采產生的導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，最大達到130.73%。

保守認為的綜采放頂煤導水裂縫帶最大高度經驗公式為公式（5）、公式（6）和公式（7）。

堅硬巖層： （5）[1]

中硬巖層： （6）[1]

軟弱巖層： （7）[1]

各參數含義同公式（1）。

參考文獻：

[1] 胡戈，李文平，程偉等. 淮南煤田綜放開采導水裂隙帶發育規律研究[J]，煤炭工程，2008，（5）：74-76.

[2] 滕永海. 綜采放頂煤導水裂縫帶最大高度計算研究[C]，2010全國“三下”采煤與土地復墾學術會議論文集，2010，（5）：5-7.

[3] 國家煤炭工業局. 建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M]，北京：煤炭工業出版社，2000.

[4] 滕永海，唐志新，鄭志剛. 綜采放頂煤地表沉陷規律研究及應用[M]. 北京：煤炭工業出版社，2009.

[5] 楊建立，滕永海. 綜采放頂煤導水裂縫帶發育規律研究[C]，2009全國礦山測量新技術學術會議論文集，2009，（8）：90-93.

[6] 李強，段克信.，王獻輝等. 康平煤田綜放開采覆巖破壞規律初探[J]. 礦山測量，2006，（1）：76-78.

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。