李小慶， 宣以瓊， 朱 凱

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)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(wù)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(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進行預(yù)測。一般預(yù)測導(dǎo)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(xué)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(xué)依據(jù)。

1 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度影響因素分析

影響導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(dǎo)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?？紤]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(dǎo)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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度關(guān)系表

2 預(yù)測公式

2．1 預(yù)測模型

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與等效采高的關(guān)系見圖2，可見導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度隨著采高的增大而增大，但是導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與等效采高關(guān)系

圖3 導(dǎo)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(dǎo)水裂隙帶計算公式:

式中:HL——導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計算公式為［6］:

覆巖為中硬巖層時:導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度:

覆巖為軟弱巖層時:導(dǎo)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(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測更準(zhǔn)確。

表2 導(dǎo)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(xì)砂巖和粉砂巖，導(dǎo)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(fù)值，求得導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yù)測模型，推導(dǎo)獲得了適用于五溝煤礦8煤層綜放開采的導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)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(dǎo)價值。

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

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