許延春,李俊成,劉世奇,周 霖

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

綜放開(kāi)采覆巖“兩帶”高度的計(jì)算公式及適用性分析

許延春,李俊成,劉世奇,周 霖

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

當(dāng)前所依據(jù)的《三下采煤規(guī)程》中沒(méi)有預(yù)計(jì)綜放開(kāi)采工作面覆巖破壞高度的經(jīng)驗(yàn)公式,為了合理留設(shè)特厚煤層綜放開(kāi)采工作面露頭區(qū)安全保護(hù)煤巖柱,有必要建立適用于綜放開(kāi)采工作面覆巖導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶高度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。依據(jù)項(xiàng)目的實(shí)測(cè)“兩帶”成果,并且收集了 40余個(gè)“兩帶”孔的綜放開(kāi)采工作面不同硬度類型覆巖的 “兩帶”高度數(shù)據(jù),采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸分析的方法,得出了適用于綜放開(kāi)采工作面中硬、軟弱覆巖條件下的“兩帶”高度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式,并進(jìn)行了實(shí)用性分析。研究成果對(duì)含水層下特厚煤層綜放開(kāi)采工作面淺部安全開(kāi)采和保護(hù)煤巖柱的合理留設(shè)有指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

綜放開(kāi)采;“兩帶”高度;計(jì)算公式;適用性

當(dāng)采用全部垮落法控制頂板時(shí),煤層采出后,采空區(qū)覆巖巖層要發(fā)生變形和破壞,形成明顯的“三帶”形態(tài),從下往上依次是垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶和彎曲下沉帶。其中垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶 (簡(jiǎn)稱“兩帶”)高度是進(jìn)行露頭區(qū)安全保護(hù)煤巖柱留設(shè)和水體下安全開(kāi)采設(shè)計(jì)的關(guān)鍵依據(jù)之一。對(duì)于厚煤層可采用分層綜采、綜采放頂煤開(kāi)采和一次采全高。其中,分層綜采或普采分層回采工作面的覆巖“兩帶”高度和形態(tài)分布,經(jīng)過(guò)前人多年的觀測(cè)研究已基本查清,并把經(jīng)驗(yàn)公式寫進(jìn)了《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》[1](以下簡(jiǎn)稱《三下采煤規(guī)程》)。而綜放開(kāi)采工作面“兩帶”高度計(jì)算公式尚未有代表性的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式?！度虏擅阂?guī)程》中也沒(méi)有收錄綜放開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)公式。實(shí)測(cè)和理論分析結(jié)果表明,由于采高的擴(kuò)大,垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度都將比分層開(kāi)采明顯增大。采用分層開(kāi)采公式已經(jīng)不適用。本文作者結(jié)合科研課題實(shí)測(cè)的 “兩帶”高度,并搜集了國(guó)內(nèi) 40余個(gè)綜放開(kāi)采工作面覆巖 “兩帶”高度實(shí)測(cè)值,利用回歸分析方法,總結(jié)歸納出了綜放工作面的經(jīng)驗(yàn)公式,進(jìn)而進(jìn)行了適用性分析。計(jì)算公式對(duì)我國(guó)綜放開(kāi)采工作面覆巖巖層 “兩帶”發(fā)育高度的預(yù)計(jì)和露頭區(qū)安全保護(hù)煤巖柱的合理留設(shè)具有指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 我國(guó)覆巖 “兩帶”研究現(xiàn)狀

20世紀(jì) 50年代至今,我國(guó)開(kāi)展了多項(xiàng)水體下采煤的專題性研究,對(duì)于 “兩帶”高度的研究,以現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)為主,結(jié)合模型試驗(yàn)與數(shù)值分析、物理模擬。在大量現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的基礎(chǔ)上,歸納總結(jié)了適用于分層綜采和普采的覆巖“兩帶”高度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。

經(jīng)驗(yàn)公式簡(jiǎn)單易用,在沒(méi)有實(shí)測(cè)資料的情況下,可以作為露頭系列安全保護(hù)煤 (巖)柱的設(shè)計(jì)依據(jù)。但對(duì)于綜放開(kāi)采 “兩帶”發(fā)育高度由于當(dāng)時(shí)實(shí)測(cè)資料較少,尚未形成合理的經(jīng)驗(yàn)公式。從已經(jīng)觀測(cè)的成果認(rèn)識(shí)到,綜放開(kāi)采和分層開(kāi)采“兩帶”高度有明顯的差異,隨著綜放工作面的推廣應(yīng)用,相關(guān)數(shù)據(jù)不斷豐富,已具備總結(jié)歸納綜放開(kāi)采條件下上覆巖層 “兩帶”高度的經(jīng)驗(yàn)公式的條件,經(jīng)驗(yàn)公式見(jiàn)表 1。

表1 “兩帶”高度的經(jīng)驗(yàn)公式

2 數(shù)據(jù)的收集和分析

2.1 數(shù)據(jù)的收集

依據(jù)科研項(xiàng)目觀測(cè)成果,結(jié)合文獻(xiàn)資料,總結(jié)了綜放開(kāi)采條件下覆巖 “兩帶”高度實(shí)測(cè)值,并列制成表 2和表 3。分別按覆巖巖性為中硬和軟弱類型進(jìn)行研究。其中,由于堅(jiān)硬覆巖 “兩帶”高度數(shù)據(jù)較少,未對(duì)其進(jìn)行公式總結(jié)。

2.2 數(shù)據(jù)的回歸分析

實(shí)踐表明“兩帶”高度計(jì)算的公式形式更具有普遍性,因此,利用回歸分析,總結(jié)了適用于綜放工作面上覆巖層 “兩帶”高度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式(參見(jiàn)表 1)。

由《“三下”采煤規(guī)程》中給出的經(jīng)驗(yàn)公式：

表2 綜放開(kāi)采中硬覆巖頂板“兩帶”高度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表3 綜放開(kāi)采軟弱覆巖頂板“兩帶”高度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

求得“兩帶”高度系列計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式參見(jiàn)表1。公式中 ±項(xiàng)為中誤差,是用公式前半項(xiàng)反算對(duì)比實(shí)測(cè)值求出差值,再利用貝塞爾公式 m =±求得的中誤差。

表4 中硬覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算結(jié)果

表5 中硬覆巖綜放開(kāi)采垮落帶高度計(jì)算結(jié)果

3 計(jì)算公式適用性分析

3.1 中硬覆巖條件公式適用性分析

中硬覆巖條件下,綜放開(kāi)采和綜采分層公式計(jì)算 “兩帶”高度對(duì)比實(shí)測(cè) “兩帶”高度,見(jiàn)表 4和表 5。

由表 4可見(jiàn)：由綜放開(kāi)采工作面“兩帶”高度計(jì)算公式推算的導(dǎo)水裂縫帶高度與實(shí)測(cè)值誤差為-0.71%～24.14%,預(yù)計(jì)的裂高一般略大于實(shí)測(cè)裂高值,并且采高大相對(duì)計(jì)算精度較高;分層綜采工作面“兩帶”高度計(jì)算公式預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂縫帶高度與實(shí)測(cè)值誤差為 -49.44%～-7.89%,預(yù)計(jì)的裂高小于實(shí)測(cè)裂高值,表明根據(jù)公式計(jì)算值留設(shè)的防水安全煤巖柱厚度偏小,是不安全的。另外,分層綜采的公式預(yù)計(jì)裂高值的誤差顯著大于綜放開(kāi)采。表明分層綜采的公式不適用于預(yù)計(jì)綜放開(kāi)采工作面的覆巖裂高;預(yù)測(cè)裂高小于實(shí)測(cè)值最大為 -0.97A (A為采高),一般裂高上面留設(shè) (3～5)A的保護(hù)層厚度,因此,留設(shè)的防水安全煤巖柱是安全可靠的,公式適用性較好。

由表 5可見(jiàn)：綜放開(kāi)采計(jì)算公式預(yù)計(jì)的垮落帶高度與實(shí)測(cè)值的誤差為 -1.55%～58.99%,計(jì)算所得垮高一般大于實(shí)測(cè)垮高值,小于實(shí)測(cè)值時(shí)的誤差量也很小,并且采高大相對(duì)計(jì)算精度較高。對(duì)比分析認(rèn)為誤差達(dá) 58.99%的樣本可能是由于實(shí)測(cè)垮高偏小;分層綜采計(jì)算公式預(yù)計(jì)的垮高與實(shí)測(cè)值的誤差為 -69.26%～-28.8%,預(yù)計(jì)的垮高均小于實(shí)測(cè)垮高,表明根據(jù)公式計(jì)算值留設(shè)的防砂安全煤巖柱厚度偏小,是不安全的;預(yù)測(cè)垮高小于實(shí)測(cè)值最大為 -0.08A,一般留設(shè) (3～5)A的保護(hù)層厚度,表明根據(jù)公式計(jì)算值留設(shè)的防砂安全煤巖柱是安全的,公式實(shí)際適用性較好。

3.2 軟弱覆巖條件公式適用性分析

軟弱覆巖條件下,綜放開(kāi)采和分層綜采公式計(jì)算 “兩帶”高度對(duì)比實(shí)測(cè) “兩帶”高度,見(jiàn)表 6和表 7。

表6 軟弱覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算結(jié)果

表7 軟弱覆巖綜放開(kāi)采垮落帶高度計(jì)算結(jié)果

由表 6可見(jiàn)：綜放開(kāi)采計(jì)算公式預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂縫帶高度與實(shí)測(cè)值的誤差為 -5.20%～48.01%,預(yù)計(jì)的裂高一般大于實(shí)測(cè)裂高值,小于實(shí)測(cè)值時(shí)的誤差量也很小,公式的實(shí)際適用性較好;分層綜采計(jì)算公式預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂縫帶高度與實(shí)測(cè)值的誤差為-71.78%～-12.41%,預(yù)計(jì)的裂高均小于實(shí)測(cè)裂高值,說(shuō)明綜采分層開(kāi)采的公式不適用于預(yù)計(jì)綜放開(kāi)采工作面的覆巖裂高;預(yù)測(cè)裂高小于實(shí)測(cè)值最大為 -0.68A,一般裂高上面留設(shè) (3～5)A的保護(hù)層厚度,表明根據(jù)公式計(jì)算值留設(shè)的防水安全煤巖柱是安全可靠的。

由表 7可見(jiàn)：綜放開(kāi)采計(jì)算公式預(yù)計(jì)的垮落帶高度與實(shí)測(cè)值的誤差為 -13.38%～22.06%,預(yù)計(jì)的垮高一般大于實(shí)測(cè)垮高值,小于實(shí)測(cè)值時(shí)的誤差量也很小,表明根據(jù)公式計(jì)算值留設(shè)的防砂安全煤巖柱厚度偏大,是安全的,因此,公式實(shí)際適用性好。采高大相對(duì)計(jì)算精度較高,對(duì)比分析認(rèn)為誤差為 44.67%例子其實(shí)測(cè)垮高偏小,而 13.38%的例子其實(shí)測(cè)垮高則偏大;分層綜采開(kāi)采計(jì)算公式預(yù)計(jì)的垮高與實(shí)測(cè)值的誤差為 -46.09%～34.99%,說(shuō)明分層綜采的公式不適用于預(yù)計(jì)綜放開(kāi)采工作面的覆巖垮高;預(yù)測(cè)垮高小于實(shí)測(cè)值最大為 -0.83A,一般垮高上面留設(shè) (3～5)A的保護(hù)層厚度,因此,留設(shè)的防砂安全煤巖柱是安全可靠的。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)前綜放開(kāi)采法已經(jīng)被普遍采用,但是綜放開(kāi)采上覆巖層破壞高度的計(jì)算公式尚未確立。通過(guò)科研項(xiàng)目的實(shí)測(cè)并結(jié)合文獻(xiàn)資料,利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸分析方法,歸納出了適用于綜放開(kāi)采工作面中硬、軟弱覆巖條件下的 “兩帶”高度的計(jì)算公式,對(duì)合理留設(shè)露頭區(qū)安全保護(hù)煤柱是十分必要和急需的。

(2)通過(guò)對(duì)比公式計(jì)算 “兩帶”高度與實(shí)測(cè)值和分層綜采計(jì)算值,認(rèn)識(shí)到綜放開(kāi)采工作面所總結(jié)的公式預(yù)測(cè) “兩帶”高度誤差較小,并且預(yù)測(cè)“兩帶”值一般大于實(shí)測(cè)值,因此,留設(shè)的安全煤(巖)柱尺寸偏大,是安全適用的。預(yù)測(cè)裂高或垮高與實(shí)測(cè)值相比均小于 1A,考慮到安全煤巖柱厚度還要留設(shè) (3～5)A的保護(hù)層厚度,因此,留設(shè)的安全煤巖柱是安全可靠的。計(jì)算公式為水體下安全采煤和安全保護(hù)煤巖柱的合理留設(shè)提供了工具。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠 ]

Calculation Formula of“Two-zone”Height of Overlying Strata and Its Adaptability Analysis

XU Yan-chun,LI Jun-cheng,LIU Shi-qi,ZHOU Lin
(Resources&Safety School,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

There is not experiential formula for predicting breakage height of overlying strata over full-mechanized caving mining face in current Regulation.It is necessary that setting up experiential for mulae for predicting“two-zone”height of full-mechanized caving mining face to instruct protective pillar design.Based on observation result and data from 40 boreholes in full-mechanized caving mining faces with different hardness surrounding rock,experiential for mulae of“two-zone”heights fit for medium-hard and soft rock in full mechanized caving mining were obtained by statistical method.The for mulae were applicable for instructing safety mining shallow buried coal-seam and rational protective pillar design in full-mechanized caving mining under aquiferous rock.

full-mechanized caving mining;two-zone height;calculation formula;applicability

TD327.2

A

1006-6225(2011)02-0004-04

2010-11-03

國(guó)家“973”計(jì)劃支持項(xiàng)目 (2007CB209402);2010年國(guó)家安監(jiān)總局關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)科技項(xiàng)目

許延春 (1963-),男,河北唐山人,研究員,教授,主要從事 “三下采煤”的研究與教學(xué)工作。