李小慶， 宣以瓊， 朱 凱

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230022）

0 引 言

五溝煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣五溝鎮(zhèn)，井田面積14．5km2，年產(chǎn)量160萬噸，設(shè)計服務年限52年。在初步設(shè)計時，根據(jù)含水層富水特征、采厚等影響因素，留設(shè)70～100m的防水煤巖柱，壓煤178．9萬t，造成大量資源損失，無法滿足經(jīng)濟技術(shù)合理性要求。為了減少壓煤損失，煤礦在確保安全的情況下提高開采上限，因此需對導水裂隙帶發(fā)育高度進行預測。一般預測導水裂隙帶發(fā)育高度采用“三下”開采規(guī)程所提供的經(jīng)驗公式，但是規(guī)程中的公式誤差偏大，本文就五溝煤礦已開采工作面的觀測結(jié)果，利用模糊數(shù)學方法，提出更適合本礦的裂隙帶高度計算公式，為提高開采上限提供科學依據(jù)。

1 導水裂隙帶發(fā)育高度影響因素分析

影響導水裂隙帶發(fā)育高度的因素非常多，通過實際觀測和國內(nèi)外研究成果［1］－［5］及本文研究表明影響導水裂隙帶發(fā)育高度最重要的因素是采高，其它重要因素還有覆巖巖性及巖層結(jié)構(gòu)、工作面幾何參數(shù)、煤層傾角及斷層等。其中斷層在每個采場的分布都不相同，一般要單獨進行計算，本文暫不考慮；五溝煤礦8煤層煤層傾角為接近水平的緩傾斜煤層，所以導水裂隙帶發(fā)育高度受煤層傾角影響很小，這里也不作考慮。本文主要針對采高、工作面幾何參數(shù)、覆巖巖性及巖層結(jié)構(gòu)對導水裂隙帶發(fā)育高度的影響進行分析。

五溝煤礦附近煤礦綜采工作面的采高與導水裂隙帶發(fā)育高度關(guān)系見圖1，從圖1中可以看出，實際觀測的導水裂隙帶發(fā)育高度與煤層采高之間的規(guī)律性并不是很明顯，無法用一個簡單的數(shù)學函數(shù)來表示。這是由于沒有考慮頂板巖層結(jié)構(gòu)及工作面幾何參數(shù)的影響，而對導水裂隙帶觀測資料可以發(fā)現(xiàn)巖層結(jié)構(gòu)及工作面幾何參數(shù)的影響可以作為采高的一個折減因素考慮。考慮巖層結(jié)構(gòu)及工作面幾何參數(shù)得到的等效采高計算公式為:

式（1）中:hd——等效采高；μ0——巖層綜合質(zhì)量隸屬度；kg——工作面幾何參數(shù)影響系數(shù)；hs——實際采高。

圖1 導水裂隙帶發(fā)育高度與煤層采高關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場實際觀測結(jié)果和相關(guān)研究成果表明，頂板距離煤層不同距離的巖層對導水裂隙帶發(fā)育高度的影響不同。據(jù)此把頂板覆巖巖層分為直接頂和老頂進行計算，直接頂和老頂對巖層綜合質(zhì)量隸屬度的影響權(quán)重分別定為0．3和0．7，得到巖層綜合質(zhì)量隸屬度μ0的計算式為:

式中:μz——直接頂巖層質(zhì)量隸屬度；μl——老頂巖層質(zhì)量隸屬度；σl——老頂綜合抗壓強度；σz——直接頂綜合抗壓強度。

直接頂和老頂?shù)木C合抗壓強度計算公式如下:

式中:mzi——直接頂各巖層厚度；σci——直接頂各巖層抗壓強度；mli——老頂各巖層厚度；σci——老頂各巖層厚度。

工作面幾何參數(shù)影響系數(shù)是由工作面長度和工作面覆巖達到充分采動時的長度決定的，當工作面長度達到工作面覆巖充分采動長度以后kg取值為1。

式中:l——工作面長度；L——工作面覆巖達到充分采動時的長度，對于五溝煤礦取經(jīng)驗值110m。

已采工作面實測裂隙帶高度與工作面統(tǒng)計情況見表1。

表1 五溝煤礦綜放開采工作面采高與導水裂隙帶發(fā)育高度關(guān)系表

2 預測公式

2．1 預測模型

導水裂隙帶發(fā)育高度與等效采高的關(guān)系見圖2，可見導水裂隙帶發(fā)育高度隨著采高的增大而增大，但是導高隨采高增加的速率則逐漸變小，呈近二次拋物線關(guān)系，畫出等效采高的開方值與導水裂隙帶發(fā)育高度的關(guān)系可以看出非常接近線性分布（見圖3），因此將等效采高的開方值作為計算采高計算。

圖2 導水裂隙帶發(fā)育高度與等效采高關(guān)系

圖3 導水裂隙帶發(fā)育高度與計算采高關(guān)系

基于上述分析建立導水裂隙帶計算公式:

式中:HL——導水裂隙帶厚度；hj——計算采高。

2．2 參數(shù)估計

將表1中數(shù)據(jù)代入式（10），（11）求系數(shù)a、b:

于是得到新的導水裂隙帶公式為:

2．3 線性假設(shè)顯著性檢驗

對計算采高和裂隙帶高度呈線性關(guān)系的假設(shè)是否成立，求得的公式是否有用，需要進行假設(shè)檢驗。若線性假設(shè)成立，則b≠0，假設(shè):

假設(shè)檢驗的顯著性水平設(shè)為α，則拒絕域為:

取顯著性水平α＝0．05，代入數(shù)據(jù)得｜t｜＝8．7，查表得t0．025（5）＝2．570＜｜t｜，所以假設(shè)成立，回歸效果顯著，所得公式可用。

3 與三下采煤規(guī)程公式比較

三下采煤規(guī)程對緩斜煤層導水裂隙帶發(fā)育高度計算公式為［6］:

覆巖為中硬巖層時:導水裂隙帶發(fā)育高度:

覆巖為軟弱巖層時:導水裂隙帶發(fā)育高度:

按三下開采規(guī)程和所得新公式計算結(jié)果與實測裂隙帶高度對比見表2，由表可見新公式對導水裂隙帶發(fā)育高度的預測更準確。

表2 導水裂隙帶發(fā)育高度計算結(jié)果與實測結(jié)果統(tǒng)計表

五溝煤礦1023工作面位于南二采區(qū)的東翼，于2012年下半年開始開采的工作面，是五溝正在開采的兩個工作面之一，工作面走向長1437m，傾斜寬89m［5］。根據(jù)對已采區(qū)段鉆孔資料，采高3．8m，直接頂泥巖，老頂為細砂巖和粉砂巖，導水裂隙帶發(fā)育高度為31．9m，頂板巖性柱狀圖見圖4。

圖4 頂板巖性柱狀圖

由柱狀圖4可知煤層頂板屬中硬偏軟地層，按三下開采規(guī)程的中硬巖層公式（見式13）計算，誤差取負值，求得導水裂隙帶發(fā)育高度為33．7m。由公式（2）和公式（7）可求得巖層綜合質(zhì)量隸屬度為0．544，工作面幾何參數(shù)影響系數(shù)為0．9，代入式（12）可求得導水裂隙帶發(fā)育高度31．2。由此可以看出新公式比原經(jīng)驗公式誤差小，更適合五溝煤礦。

4 結(jié)束語

分析了影響導水裂縫帶發(fā)育高度的各因素，進行了歸一化處理及評價，提出了等效采厚、計算采厚與工作面幾何參數(shù)影響系數(shù)等參數(shù)，將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題，建立了反映巖性、巖層結(jié)構(gòu)及工作面幾何參數(shù)影響的預測模型，推導獲得了適用于五溝煤礦8煤層綜放開采的導水裂縫帶高度預測公式，并對其進行工程檢驗，證明該公式比原有經(jīng)驗公式的誤差小，對五溝煤礦8煤開采具有指導價值。

1 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤炭安全監(jiān)察局．煤礦防治水規(guī)定［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，2009:18－19．

2 劉增輝，楊本水．利用數(shù)值模擬方法確定導水裂隙帶發(fā)育高度［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，33（5）:16－19．

3 曹志強，楊本水，王文．恒晉煤礦巷道圍巖穩(wěn)定的模糊分析［J］．安徽建筑工業(yè)學院學報，2012，20（1）:36－40．

4 許文松，常聚才．厚松散含水層下重復采動覆巖破壞規(guī)律研究［J］．礦業(yè)工程研究，2012，27（2）:23－26．

5 高學通．推覆體構(gòu)造下采動覆巖破壞特征及防治水對策［J］．能源技術(shù)與管理，2011，24（2）:24－26．

6 孫文華．三下采煤新技術(shù)應用與煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程實用手冊［M］．北京:中國煤炭出版社，2005:798－803．