上饒縣某煤礦導水裂縫帶高度預測研究

華偉嬪，肖秋福

（1.江西省煤田地質勘察研究院，江西 南昌330001；2.贛州市水文局，江西 贛州341000）

上饒縣某煤礦是證照齊全的合法礦井，其生產規模為60kt／a。礦井采用斜井多水平開拓方式，采用斜切爆破采煤法，頂板采用全部垮落式管理，礦山的采動將使頂板破壞，產生的裂隙極易溝通上部含水層，使得頂板涌水，產生突水事故。導水裂隙帶高度的預測，對煤礦防治水工作有重要作用。

1 地質背景

1.1 地層

礦區內出露地層自老至新有：二疊系下統棲霞組（P1q）、二疊系下統茅口組（P1m）、二疊系下統湖塘組彭家段（P1hp）、二疊系上統上饒組下段童家段（P2sht）、上饒組上段霧霖山段（P2shw），二疊系上統大隆組（P2dl），三疊系下統大冶組（T1dy）及第四系（Q）。

1.2 可采煤層

礦井可采煤層有三層，均為二疊系上統上饒組童家段（P2sht）地層，分別是B8、B9、B10煤層。

（1）B8煤層：煤層厚度0.70～1.95m，平均厚度0.85 m，傾角20°～23°。

（2）B9煤層：位于B8煤層之上7.00～68.0m，煤層厚度0.85～1.65m，平均厚度1.03m，傾角20°～23°。

（3）B10煤層：位于B9煤層之上12.8～56.2m，煤層厚度0.70～1.35m，平均厚度0.75m，傾角20°～23°。

1.3 含水層

對煤層頂板突水有影響的含水層有：

（1）第四系孔隙含水層：屬弱含水層，離煤層較遠，對礦床充水影響很小。

（2）風化裂隙含水層：屬弱含水層，對礦床充水影響很小，其富水性隨季節變化。

（3）灰巖巖溶裂隙含水層：主要有分布于礦區北部的大冶組地層及分布于礦區南部的茅口組和棲霞組，其中大冶組泥灰巖含水層在大氣降水和上部含水層的補給下，富水性較強，一旦溝通礦井巷道，將產生嚴重的突水事故。

2 導水裂隙帶高度

本礦開采歷史悠久，有大量的積水和采空區，且本礦開采標高較淺，對導水裂隙帶高度的預測，可有效地指導防水煤巖柱的留設，避免突水的發生，筆者采用兩種方法對導水裂隙帶高度進行預測。

2.1 按照規程計算導水裂隙帶高度

煤層開采引起的覆巖移動變形對含水層的影響主要受垮落帶、導水裂隙帶高度的控制。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設及壓煤開采規程》推薦的公式對垮落帶高度、導水裂隙帶高度、保護層高度及防水煤柱高度進行計算預測。

該礦井主要可采煤層的頂板巖性均為中硬，煤層傾角α≤55°。

（1）垮落帶高度計算公式：

式中：Hm為垮落帶高度，m；M為煤層開采厚度，m。

（2）導水裂隙帶高度計算公式：

式中：M為煤層開采厚度，m。

綜合開采厚度計算公式為：

當上、下兩煤層之間的距離很小時，則綜合開采厚度為累計厚度，綜合開采厚度計算公式為：

式中：M1為上層煤開采厚度，m；M2為下層煤開采厚度，m；h1—2為上、下煤之間的法線距離，m；y2為下層煤的冒高與采厚之比。

（3）保護層高度計算公式：

防水煤柱高度計算公式：

式中：Hb為保護層高度，m；M為煤層開采厚度，m；n為分層層數；Hsh為防水煤柱高度，m；Hli為裂隙帶高度，m；Hfe為基巖風化帶深度，本礦區的基巖風化帶厚度約為8～10 m。

（4）預測結果

通過上述垮落帶與煤層間的垂距比較，除B8號煤層外，其它兩煤層間的最小垂距大于回采下層煤的垮落帶高度，各煤層的導水裂隙帶高度按照原來的單一煤層計算。

B8號煤層可采厚度0.7～1.95m，平均0.85m，垮落帶高度5.34～9.12m，大于與其上部B9號煤層間距7.00～68.00m。因此，B8號煤層導水裂隙帶最大高度應采用上、下煤層的綜合開采厚度計算，取其中標高最高者為兩煤層的導水裂隙帶最大高度，累計厚度為1.55～3.6m，經計算其導水裂隙帶高度為34.90～47.95m。

經計算，區內垮落帶和導水裂隙帶高度、保護層厚度、防水煤巖柱高度預測結果見表1。

表1 垮落帶、導水裂隙帶、保護層、防水煤柱預測結果

從表1可看出，B10煤層、B9煤層及B8煤層全部開采后導水裂隙帶高度范圍平均分別為21.23～27.32m、25.23～30.30m、34.05～37.42m。

2.2 BP神經網絡預測導水裂隙帶高度

運用對BP神經網絡預測方法，優選頂板導水裂隙帶高度預測指標，建立BP神經網絡計算模型，利用已有觀測資料進行訓練和測試，預測樣本指標見表2。

表2 預測樣本指標

選取導水裂隙帶高度作為母因素，采深、煤層傾角、采厚、工作面斜長4個指標記為子因素，并作無量綱化處理，處理公式如下：

采用表中1～11號樣品為訓練樣本，12～15號為測試樣品，建立灰色BP神經網絡模型網絡，采用Sigmoid型函數作為輸出函數。灰色BP網絡訓練部分計算過程見圖1，誤差下降曲線見圖2。

圖1 部分訓練過程

代入該煤礦1202工作面數據代碼

得Y＝0.3961，通過反歸一化計算，當B10煤層采厚取0.75m時，導水裂隙帶高度為25.17m。

圖2 誤差下降曲線

運用上述方法，可得出B9煤層采厚取1.03m、B8煤層采厚取0.85m時，導水裂隙帶高度分別為30.52m、36.81m。

3 結語

按照“三下開采規程”計算得出，B10煤層、B9煤層及B8煤層全部開采后導水裂隙帶高度平均分別為21.23～27.32m、25.23～30.30m、34.05～37.42m；通過BP神經網絡模擬導水裂隙帶高度得出B10煤層、B9煤層及B8煤層全部開采后導水裂隙帶高度分別為21.23～25.17m、30.52 m、36.81m。按照規程計算的導水裂隙帶高度值與BP神經網絡預測值基本一致，兩種方法相互印證，使結果更加準確可靠。

〔1〕金連生，牟金鎖.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設及壓煤開采規程〔M〕.北京：煤炭工業出版社，2000.

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