淮北矿区五沟煤矿两带高度影响因素及计算方法_昌修林.pdf

第 47 卷 增刊 1 煤田地质与勘探 Vol. 47 Supp.1 2019 年 9 月 COAL GEOLOGY calculation ula; burial depth; linear analysis; Wugou coal mine of Anhui 近几年，随着煤矿可采储量的缩小，一方面煤 炭综合开采技术的提高，矿井逐渐提高煤炭开采上 限，最大限度地提高煤炭回收率；另一方面，受煤 炭开采的影响地质条件发生改变，可开采矿区含水 层范围扩大，断层发育矿区在开采之前，需确定断 层防水煤柱留设的宽度。目前煤柱留设宽度多以 FLAC3D数值模拟方法或者理论计算方法[1]得出，其 方法均须先求出导水裂隙带高度简称“两带”高度， 即冒落带与裂缝带高度之和[2]。由此可知，正确选 取防水煤柱留设宽度，可保证矿井安全生产。 煤层开采时，上覆岩层会发生明显的变形与破 坏，形成“上三带”，自上而下依次为弯曲带、裂 缝带、冒落带，其中，上覆两带透水性强，是煤矿 生产的不安全因素[3]。覆岩两带高度主要是通过实 测法和经验公式得出[4]。以往工作中，我国覆岩顶 板两带高度的理论计算主要依据建筑物、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。由于规程中没有综采经验公式， ChaoXing 44 煤田地质与勘探 第 47 卷 且随着采高的增加， 垮落带和导水裂缝带发育高度 都将比分层开采的明显增大， 分层开采公式已经不 适用综放开采条件。为此，在“三下”规程基础上， 许延春等[6]在确定覆岩软硬程度条件下，提出的淮 北“两带高度”计算公式中其变量因素仅涉及采厚， 其理论计算值与实测值存在偏差。李凯等[7]在研究 乌兰察布煤炭气化条件时指出， 硬岩岩性与采深和 两带高度呈正相关， 还需考虑炉井类高温反应对煤 层顶板岩体造成的影响，以综合预测两带高度值。 胡小娟等[4]综合分析了顶板岩层单轴抗压强度与 结构类型、工作面斜长、推进速度等多种常规因素 对两带高度的影响， 提出了以硬岩岩性比例系数代 替顶板岩层单轴抗压强度；李鹏宇等[5]利用 SPSS 分析得出， 中硬覆岩综采条件下导水裂隙带影响因 素程度从大到小依次为开采厚度、 工作面斜长和采 深；地层结构、采煤方法和顶板管理方法是影响海 域覆岩两带高度的重要因素[8-10]。综上可知，前人 研究目标及认识多是基于中硬岩性的覆岩， 普遍认 为导水裂隙带发育的高度影响因素主要有采厚、 覆岩软弱程度、 地层倾角、 底板破坏深度、 采深等。 安徽五沟煤矿 10 号煤层底板地质条件复杂， 断层覆盖面较广，矿区受多期次构造运动复合作 用。基于五沟煤矿实际情况，笔者结合前人的研 究认识，针对性地分析不同工作面埋深条件下， 导水裂隙带高度的精确计算。基于原有的计算公 式，将埋深与实测和理论的差值进行线性分析， 修正已有计算公式的系数，提出适用于研究区的 两带高度计算公式，以期有效防治矿井水灾害， 提高开采煤柱上限。 1 研究区概况 五沟煤矿属于临涣矿区，位于安徽省濉溪县境 内，北距淮北市约 50 km，南北走向长约 4.5 km、 东西宽 0.55.4 km，面积 21.650 8 km2。可采煤层是 二叠系石盒子组和山西组，包括 31、51、52、71、72、 81、82、10 号煤层，其中主要可采煤层为 72、81、 82、10 煤，属中厚厚煤层，目前开采 10 煤。本井 田采用立井、主要大巷及石门开拓方式，井筒位于 张油坊村庄南约 370 m 处，井口标高为28.7 m，主 井、副井及风井表土段均采用冻结法施工。采用单 水平、上下山、走向长壁式综采采煤工艺。 2 两带高度探查方法 在接近导水裂隙带之前开始煤样取心钻进煤 心采取率不得低于 75。取心时做好岩心摆放、 编录描述工作，准确判断岩层的层位、岩性、倾 角， 并描述岩心的风化、 裂隙发育、 破碎状况RQD 等。岩心描述后进行封蜡保存。原始记录包括简 易水文观测记录按规定做到及时、准确、清楚、 完整。 下入套管后，进行清水钻进并做好简易水文 观测。 裂隙带与冒落带钻进时要观察并记录钻井液漏 失量及漏失深度、卡钻与掉钻孔深。 终孔后对钻孔进行常规测井、声速测井、井下 电视成像。 各种取样测试工作结束后，用水泥砂浆全孔封 闭，孔口设立暗标。 3 导水裂隙带高度计算 3.1 理论分析值 根据最新两带高度计算要求，参考沉陷控制 与特殊开采中的两带高度计算公式[2] li 100 8.21 0.318.81 M H M   1 式中 Hli为两带高度理论分析值；M 为采厚。 利用式1计算五沟煤矿各工作面两带高度理 论值表 1，由表中可知，1016 工作面两带高度计 算值为 35.7252.14 m， 1017 工作面为 31.0747.49 m， 1021 工作面为 32.2048.62 m，1031 工作面为 36.1452.56 m，1033 工作面为 41.4457.86 m。 3.2 理论值与实测值比对 通过实测获得研究区各工作面的两带高度实际 值表 1，与理论值相比可以看出1016、1033 和 表 1 五沟煤矿工作面两带高度实测值与理论值对比 Table 1 Comparison of the measured and theoretical height of two zones of working face in Wugou coal mine 两带高度 工作面 名称 钻孔号 埋深/m 工作面 长度/m 采厚/m 地层 倾角/ 岩石 坚硬程度 软性岩石体 积分数 K/ 理论计算/m 实测/m误差/ 1016 1016冒-1 360.70 180 4.48 5.85 软弱 71 35.7252.14/43.93 38.65 13.7 1033 28-12 335.00 135 5.17 9.46 软弱 78 41.4457.86/49.65 44.3 12.1 1017 J3-5 330.91 180 3.94 9.09 软弱 78 31.0747.49/39.28 42.8 8.2 1021 J3-4 321.00 175 4.07 6.28 软弱 71 32.2048.62/40.41 35.6 13.5 1031 J2-2 310.21 180 4.53 7.8 软弱 77 36.1452.56/44.35 47.5 6.6 注表中 35.7252.14/43.93 表示最小最大值/平均值，其他数据同。 ChaoXing 增刊 1 昌修林等 淮北矿区五沟煤矿两带高度影响因素及计算方法 45 1021 工作面，其实测值更接近计算的最小值；1017 和 1031 工作面实测值更接近理论计算最大值。 和实 测值相比，5 个工作面两带高度理论计算平均值误 差率为 6.613.7。 4 两带高度计算公式修正 4.1 修正系数计算方法 由表 1 可以得出，各工作面两带高度实测值均 处于理论计算值的区间中， 但是 1017 工作面及 1031 工作面的两带高度实测值均十分贴近理论计算区间 的最大值，显然这不利于煤矿安全生产。因此，针 对特定地区，提出修正系数的概念，即对两带高度 实测公式中误差修正系数进行重新定义。 将两带高度实测资料与理论值计算的数据进行 对比图 1，由图 1 中可以看出，两带高度的实测值 与理论计算值之间呈现出相同的线性规律。因此， 两带高度理论值计算公式的第一项不需要做出重新 定义，只需将公式1中第二项 8.21 进行修正。 图 1 五沟煤矿两带高度理论值与实测值对比图 Fig.1 Comparison of the theoretical and measured height of two zones in Wugou coal mine 式1在定义过程中，首先考虑采厚 M，而后定义 采长为普通综采工作面采长，对顶板岩性也进行了划 分，五沟煤矿 10 煤顶板岩性多为软弱或软弱偏中硬的 岩性。由图 2 可以看出五沟煤矿 10 煤采深存在一定差 别，判断其两带高度与采深应存在一定相关性，因此， 可将 10 煤采深纳入两带高度计算公式进行研究。 修正后的两带高度计算公式如下 li 100 0.318.81 M Hdh M   2 式中 d 为某地区修正系数；h 为自变量采深，m。 利用相关数据，求解式2中修正系数，可得到 五沟矿 10 号煤工作面两带高度的具体计算公式。 4.2 五沟煤矿修正系数 根据表 1 中两带高度理论计算值与实测值的相 对差值，并与各工作面的埋深进行比对，得出图 3。 由图 3 可知，理论计算与实测值的差值与 10 图 2 五沟煤矿两带实测工作面 10 号煤采深对比示意图 Fig.2 Correlation of the measured mining depth of seam 10 图 3 五沟煤矿工作面两带高度理论计算与实测值相对 差值与埋深关系 Fig.3 Relationship between the relative difference of the theoretical and measured value and the buried depth of two zones of working face in Wugou coal mine 煤的采深存在一定线性关系，从而得出五沟矿两带 高度计算公式的修正系数 d 值为 0.036 2，即研究区 两带高度新的计算公式如下 li 100 0.036 2 0.318.81 M Hh M   3 5 结 论 a. 安徽五沟煤矿 10 号煤层顶板岩性基本上均 为软弱型顶板或中硬接近软弱型顶板，利用现有的 理论公式计算两带高度，其结果与实际偏差较大， 误差为 6.613.7。 b. 通过分析研究区两带高度的实测值与理论 变化趋势发现，二者之间呈现出相同的线性规律。 为此，提出对原两带高度计算公式第二项进行系数 的修正，其修正系数为 0.036 2。依据工作面实测数 据获得符合五沟煤矿的两带高度理论计算公式。 c. 现在的两带高度计算公式主要是基于中硬 岩性的覆岩而得出，不适用于软岩。对于一定条件 下的生产区，在进行两带高度计算时，需借助实测 资料对原计算公式进行理论分析并修改后使用。 参考文献 [1] 孙爱国，杨耀文，吴俊松. 五沟煤矿 F13 断层防水煤柱留设 研究[J]. 煤矿安全，2016，47240–42. ChaoXing 46 煤田地质与勘探 第 47 卷 SUN Aiguo，YANG Yaowen，WU Junsong. Study on design of F13 fault waterproof coal pillar in Wugou coal mine[J]. Safety in Coal Mines，2016，47240–42. [2] 王耀. 大断层附近煤层开采的防水煤柱留设离散元分析[D]. 合肥合肥工业大学，2010. [3] 刘德民. 华北型煤田矿井突水机理及预警技术 以赵庄矿为例 [D]. 北京中国矿业大学北京，2015. [4] 郭文兵， 娄高中， 赵保才. 芦沟煤矿软硬交互覆岩放顶煤开采 导水裂缝带高度研究[J]. 采矿与安全工程学报，2019，363 519–526. GUO Wenbing，LOU Gaozhong，ZHAO Baocai. Study on the height of water-conductive fracture zone in alternate overburden of soft and hard with top coal caving mining in Lugou coal mine[J]. Journal of Mining Safety Engineering，2019，363 519–526. [5] 国家安全监管总局，国家煤矿安监局，国家能源局，等. 建筑 物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范解读[J]. 吉林劳动保护，2017826. [6] 许延春，李俊成，刘世奇，等. 综放开采覆岩“两带”高度的计 算公式及适用性分析[J]. 煤矿开采，2011，1624–7. XU Yanchun， LI Juncheng， LIU Shiqi， et al. Calculation ula of “Two-zone” height of overlying strata and its adaptability analysis[J]. Coal Mining Technology，2011，1624–7. [7] 李凯，董东林，林刚，等. 乌兰察布煤炭地下气化导水裂隙带 高度发育的影响因素[J]. 煤炭工程，2016，4811134–137. LI Kai， DONG Donglin， LIN Gang， et al. Influencing factors on the height of water flowing fractured zone of underground coal gasification in Wulanchabu[J]. Coal Engineering，2016，4811 134–137. [8] 张小五， 陈鑫， 芦震. 灵新煤矿导水裂隙带发育高度数值模拟 研究[J]. 探矿工程岩土钻掘工程，2019，46764–69. ZHANG Xiaowu，HEN Xin，LU Zhen. Numerical simulation study of development height of water flowing fractured zone in Lingxin coalmine[J]. Exploration EngineeringRock Soil Drilling and Tunneling，2019，46764–69. [9] 胡小娟，李文平，曹丁涛，等. 综采导水裂隙带多因素影响指 标研究与高度预计[J]. 煤炭学报，2012，374613–620. HU Xiaojuan，LI Wenping，CAO Dingtao，et al. Index of multiple factors and expected height of fully mechanized water flowing fractured zone[J]. Journal of China Coal Society，2012， 374613–620. [10] 李鹏宇，姜岳，宗琪，等. 中硬覆岩综放开采导水裂隙带 发育高度影响因素与预计模型[J]. 煤炭技术， 2018， 372 80–82. LI Pengyu， JIANG Yue，ZONG Qi， et al. Influential factors and predictive model of fully mechanized caving mining in medium hardness overlying strata height of fractured water-conducting zone[J]. Coal Technology，2018，37280–82. ChaoXing