综放开采覆岩“两带”高度的计算公式及适用性分析

许延春,李俊成,刘世奇,周 霖

(中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院,北京 100083)

综放开采覆岩“两带”高度的计算公式及适用性分析

许延春,李俊成,刘世奇,周 霖

(中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院,北京 100083)

当前所依据的《三下采煤规程》中没有预计综放开采工作面覆岩破坏高度的经验公式,为了合理留设特厚煤层综放开采工作面露头区安全保护煤岩柱,有必要建立适用于综放开采工作面覆岩导水裂缝带和垮落带高度计算的经验公式。依据项目的实测“两带”成果,并且收集了 40余个“两带”孔的综放开采工作面不同硬度类型覆岩的 “两带”高度数据,采用数理统计回归分析的方法,得出了适用于综放开采工作面中硬、软弱覆岩条件下的“两带”高度计算的经验公式,并进行了实用性分析。研究成果对含水层下特厚煤层综放开采工作面浅部安全开采和保护煤岩柱的合理留设有指导意义和实用价值。

综放开采;“两带”高度;计算公式;适用性

当采用全部垮落法控制顶板时,煤层采出后,采空区覆岩岩层要发生变形和破坏,形成明显的“三带”形态,从下往上依次是垮落带、导水裂缝带和弯曲下沉带。其中垮落带和导水裂缝带 (简称“两带”)高度是进行露头区安全保护煤岩柱留设和水体下安全开采设计的关键依据之一。对于厚煤层可采用分层综采、综采放顶煤开采和一次采全高。其中,分层综采或普采分层回采工作面的覆岩“两带”高度和形态分布,经过前人多年的观测研究已基本查清,并把经验公式写进了《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[1](以下简称《三下采煤规程》)。而综放开采工作面“两带”高度计算公式尚未有代表性的经验计算公式。《三下采煤规程》中也没有收录综放开采经验公式。实测和理论分析结果表明,由于采高的扩大,垮落带和导水裂缝带发育高度都将比分层开采明显增大。采用分层开采公式已经不适用。本文作者结合科研课题实测的 “两带”高度,并搜集了国内 40余个综放开采工作面覆岩 “两带”高度实测值,利用回归分析方法,总结归纳出了综放工作面的经验公式,进而进行了适用性分析。计算公式对我国综放开采工作面覆岩岩层 “两带”发育高度的预计和露头区安全保护煤岩柱的合理留设具有指导意义和实用价值。

1 我国覆岩 “两带”研究现状

20世纪 50年代至今,我国开展了多项水体下采煤的专题性研究,对于 “两带”高度的研究,以现场观测为主,结合模型试验与数值分析、物理模拟。在大量现场观测的基础上,归纳总结了适用于分层综采和普采的覆岩“两带”高度计算的经验公式。

经验公式简单易用,在没有实测资料的情况下,可以作为露头系列安全保护煤 (岩)柱的设计依据。但对于综放开采 “两带”发育高度由于当时实测资料较少,尚未形成合理的经验公式。从已经观测的成果认识到,综放开采和分层开采“两带”高度有明显的差异,随着综放工作面的推广应用,相关数据不断丰富,已具备总结归纳综放开采条件下上覆岩层 “两带”高度的经验公式的条件,经验公式见表 1。

表1 “两带”高度的经验公式

2 数据的收集和分析

2.1 数据的收集

依据科研项目观测成果,结合文献资料,总结了综放开采条件下覆岩 “两带”高度实测值,并列制成表 2和表 3。分别按覆岩岩性为中硬和软弱类型进行研究。其中,由于坚硬覆岩 “两带”高度数据较少,未对其进行公式总结。

2.2 数据的回归分析

实践表明“两带”高度计算的公式形式更具有普遍性,因此,利用回归分析,总结了适用于综放工作面上覆岩层 “两带”高度计算经验公式(参见表 1)。

由《“三下”采煤规程》中给出的经验公式：

表2 综放开采中硬覆岩顶板“两带”高度统计数据

表3 综放开采软弱覆岩顶板“两带”高度统计数据

求得“两带”高度系列计算经验公式参见表1。公式中 ±项为中误差,是用公式前半项反算对比实测值求出差值,再利用贝塞尔公式 m =±求得的中误差。

表4 中硬覆岩导水裂缝带高度计算结果

表5 中硬覆岩综放开采垮落带高度计算结果

3 计算公式适用性分析

3.1 中硬覆岩条件公式适用性分析

中硬覆岩条件下,综放开采和综采分层公式计算 “两带”高度对比实测 “两带”高度,见表 4和表 5。

由表 4可见：由综放开采工作面“两带”高度计算公式推算的导水裂缝带高度与实测值误差为-0.71%～24.14%,预计的裂高一般略大于实测裂高值,并且采高大相对计算精度较高;分层综采工作面“两带”高度计算公式预计的导水裂缝带高度与实测值误差为 -49.44%～-7.89%,预计的裂高小于实测裂高值,表明根据公式计算值留设的防水安全煤岩柱厚度偏小,是不安全的。另外,分层综采的公式预计裂高值的误差显著大于综放开采。表明分层综采的公式不适用于预计综放开采工作面的覆岩裂高;预测裂高小于实测值最大为 -0.97A (A为采高),一般裂高上面留设 (3～5)A的保护层厚度,因此,留设的防水安全煤岩柱是安全可靠的,公式适用性较好。

由表 5可见：综放开采计算公式预计的垮落带高度与实测值的误差为 -1.55%～58.99%,计算所得垮高一般大于实测垮高值,小于实测值时的误差量也很小,并且采高大相对计算精度较高。对比分析认为误差达 58.99%的样本可能是由于实测垮高偏小;分层综采计算公式预计的垮高与实测值的误差为 -69.26%～-28.8%,预计的垮高均小于实测垮高,表明根据公式计算值留设的防砂安全煤岩柱厚度偏小,是不安全的;预测垮高小于实测值最大为 -0.08A,一般留设 (3～5)A的保护层厚度,表明根据公式计算值留设的防砂安全煤岩柱是安全的,公式实际适用性较好。

3.2 软弱覆岩条件公式适用性分析

软弱覆岩条件下,综放开采和分层综采公式计算 “两带”高度对比实测 “两带”高度,见表 6和表 7。

表6 软弱覆岩导水裂缝带高度计算结果

表7 软弱覆岩综放开采垮落带高度计算结果

由表 6可见：综放开采计算公式预计的导水裂缝带高度与实测值的误差为 -5.20%～48.01%,预计的裂高一般大于实测裂高值,小于实测值时的误差量也很小,公式的实际适用性较好;分层综采计算公式预计的导水裂缝带高度与实测值的误差为-71.78%～-12.41%,预计的裂高均小于实测裂高值,说明综采分层开采的公式不适用于预计综放开采工作面的覆岩裂高;预测裂高小于实测值最大为 -0.68A,一般裂高上面留设 (3～5)A的保护层厚度,表明根据公式计算值留设的防水安全煤岩柱是安全可靠的。

由表 7可见：综放开采计算公式预计的垮落带高度与实测值的误差为 -13.38%～22.06%,预计的垮高一般大于实测垮高值,小于实测值时的误差量也很小,表明根据公式计算值留设的防砂安全煤岩柱厚度偏大,是安全的,因此,公式实际适用性好。采高大相对计算精度较高,对比分析认为误差为 44.67%例子其实测垮高偏小,而 13.38%的例子其实测垮高则偏大;分层综采开采计算公式预计的垮高与实测值的误差为 -46.09%～34.99%,说明分层综采的公式不适用于预计综放开采工作面的覆岩垮高;预测垮高小于实测值最大为 -0.83A,一般垮高上面留设 (3～5)A的保护层厚度,因此,留设的防砂安全煤岩柱是安全可靠的。

4 结论

(1)当前综放开采法已经被普遍采用,但是综放开采上覆岩层破坏高度的计算公式尚未确立。通过科研项目的实测并结合文献资料,利用数理统计回归分析方法,归纳出了适用于综放开采工作面中硬、软弱覆岩条件下的 “两带”高度的计算公式,对合理留设露头区安全保护煤柱是十分必要和急需的。

(2)通过对比公式计算 “两带”高度与实测值和分层综采计算值,认识到综放开采工作面所总结的公式预测 “两带”高度误差较小,并且预测“两带”值一般大于实测值,因此,留设的安全煤(岩)柱尺寸偏大,是安全适用的。预测裂高或垮高与实测值相比均小于 1A,考虑到安全煤岩柱厚度还要留设 (3～5)A的保护层厚度,因此,留设的安全煤岩柱是安全可靠的。计算公式为水体下安全采煤和安全保护煤岩柱的合理留设提供了工具。

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[责任编辑：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

国家“973”计划支持项目 (2007CB209402);2010年国家安监总局关键技术重点科技项目

许延春 (1963-),男,河北唐山人,研究员,教授,主要从事 “三下采煤”的研究与教学工作。