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第41卷第5期 2013年10月 煤田地质与勘探 COALGEOI.OOY 2.华北科技学院安全工程学院， 北京101601;3.山西省朔州市水工程移民办公室，山西朔州036002 摘要确定煤层顶板导水裂缝带高度可为顶板防治水、采掘工程布直、防水煤柱留设以及瓦斯抽 采设计提供依据．采用井下仰孔注水测渗漏法，实测山西西山煤田镇城底矿8煤导水裂缝带高度 为57.98m，其中冒落带高度16.72m，裂隙带高度41.26m.依据实测结果并收集了8个矿综采一 次来全高中硬覆岩下导水裂缝带高度数据，利用数理统计回归分析的方法，得出了适用于综采一 次采全高中硬覆岩下导水裂缝带高度计算的经验公式，并与煤矿安全规程中相应经验公式进 行对比分析，结果表明，该公式适用性好，而煤矿安全规，程中有关公式应用于中厚煤层综采 一次采全高开采条件预测，其误差较大． 关键词导水裂缝带；井下仰孔注水测渗漏法；回归分析；经验公式 中图分类号TD741;P641.4 文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.05.008 Calculation ula of water conducting zone height in roof for fully mechanized mining and its adaptability analysis BAI Limin 1, YIN Shangxian2, LI Wen3 1. Xishan Coal and Electric Power Group Corporation Ltd., Tai只，an030052, China; 2. SafeσEngineering college, North China Institute of Science and Technology, Beijing 101601, China; 3. Water Engineering Migration Q庐ce,Shuozhou 036002, China Abstract Setting the height of the water conducting zone in roof can provide the basis for prevention and control of roof water, mining and excavation layout, leaving the water prevention coal pillars, design of coal gas drainage. Ta1cing No.8 seam in Zhenchengdi mine, Xishan as a study object, using water injection leakage measurenment in overhead borehole, the height was 57.98 m, the falling zone height was 16.72 m and the fractured zone height was 41.26 m. Based on observation result企om8 mines in the similar conditions, empirical ulas of wa- ter conducting zone height for fully mechanized mining face were obtained by statistical regression analysis. The contrastive analysis of the corresponding ula in ”coal mine safety regulations”was carried out. The result show that the empirical ula has good applicability, ula in ”coal mine safety regulations“ has relatively large er- ror when applied in prediction of the mining conditions for mining height of fully mechanized mining in median thick seam. Key words water conducting zone; water i乓jectionleakage measuring in overhead borehole; regression analysis; empirical ula 导水裂缝带发育高度是煤矿顶板防治水、采掘 工程布置、防水煤（岩）柱留设以及瓦斯抽采等设计 依据的主要技术参数之一，国内外众多学者对“两 带”高度进行了深入研究［I-II］，结果表明，工作面顶 板导水裂缝带发育受多种因素的影响，如采厚、采 空区的面积、顶板岩层的结构类型、顶板管理方式、 收稿日期2012-11-15 煤层的赋存状态和开采条件等，这些因素具有复杂、 难定量及非线性等特点。根据大量实际观测数据， 煤矿安全规程中给出一组导水裂缝带统计经验 公式，该公式是基于当时炮采与普通机采、推进速 度在40m/月左右、采厚2～3m（或者分层开采）的开采 条件［6］。随着技术进步，出现了中厚煤层综采、综采 基金项目国家自然科学基金项目（51074075;41072188）；十二五国家科技支撑计划课题。012BAK04B04 作者简介白利民（1970-寸，男，山西古交人，高级工程师，从事矿井地质技术及管理工作． ChaoXing 第5期白利民等综呆一次采全高顶板导水裂缝带发育高度的计算公式及适用性分析 37 放顶煤、综采一次采全高及快速推进高产高效的采煤 新方法，上述公式不再完全适用，有必要研究新型采 煤方法条件下导水裂缝带的发育规律，修正或修改导 水裂缝带高度的预测公式。目前，由于观测数据有限， 还不能形成中厚煤层综采牛，改采全高统一的经验公 式。因此本文采用现场钻探压水试验取得的导水裂缝 带高度实测值结合国内一些一次采全高工作面导水 裂缝带高度实测值，利用回归分析方法，总结归纳了 一次采全高回采工作面的导水裂缝带高度经验公式， 并对其进行适用性分析，计算公式对我国一次采全高 工作面导水裂缝带高度的预计及煤矿防水煤（岩）柱 的合理留设具有指导意义和适用价值。 1 导水裂缝带现场实测 1.1 研究区工作面概况 山西西山煤田镇城底矿南一采区28103首采工 作面，主采下组煤8煤层，煤层稳定，厚度为4.5m, 煤层倾角11。左右。8煤覆岩厚度为243～338m，顶板 岩层（表1）主要由泥岩和石灰岩组成，老顶、直接顶为 石灰岩，厚度3.84m、2.58m，伪顶为泥岩，厚度为 0---0.2 m；采煤方法为综采一次采全高，顶板跨落法管 理顶板。 表1顶板岩层 Table 1 Roof strata 顶板以上距离Im地层岩性 7.58 石灰岩 12.04 、砂质泥岩 20.95 砂质泥岩 24.3 粉砂岩 48.82 细粒砂岩 56.62 砂质泥岩 58.85 泥岩 65.56 中粒砂岩 67.77 砂质泥岩 1.2 井下仰孔注水测漏法探测方法 通过井下钻探并现场实施压水试验（图1），确定 导水裂缝带高度。在28103工作面采空区施工导水 裂缝带探测孔，设计孔深100m，实际钻探进尺 96.89 m，钻孔仰角48。。压水仰孔设计时充分考虑 了导水裂缝带发育的最大高度问题。采用钻孔双端 堵水器对钻孔进行逐段封隔注水，以各段漏失量变 化来判断两带高度。 1.3 压水试验结果 钻探开始后，当钻进到10.2m（垂向高度）时，孔 内钻进液反水突然减小，继续钻进，出现明显卡钻 现象，可以判断，至孔深10.2m已进入冒落带。到 16.220 m卡钻严重，孔内基本无反水，经处理可以 继续钻进。到32.7m，钻进时循环液正常，卡钻现象 消失，图2显示，到32.7m时压水流量明显减小， 为0.75旷/h，据此判断此处已穿过冒落带进入导水 裂缝带。 钻孔 图l井下仰孔注水测渗漏法示意图 Fig. 1 Schematic diagram of leakage measuring by using underground uphole water injection [2.5 .c 2.0 辜1.5 嗣 运1.0 益0.5 0.0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 钻孔深度lm 图2试验孔钻进深度与压水流量关系 Fig. 2 Relationship between drilling depth of trial hole and flow of pressured water 继续钻进，依据钻孔内水量水压变化记录，在 32.7～72.9m段压水时，水压、水量变化不大（图2 水压总体表现为随钻进深度增加水压缓慢增加的特 征，基本保持在0.6MPa；而水量总体表现则相反， 随钻进深度增加水量逐渐减小，变化范围在 0.75-0.68旷/h。至88.2m，水压不变，而水量骤然 减小至0.21旷/h，这说明钻孔围岩裂隙骤然减小， 因而可判断此时钻孔已穿过导水裂缝带。 根据钻探和仰（俯）孔注水测漏法结果，确定该工 作面试验孔处8煤上覆岩层冒落带大约在孔深 10.2～32.7m，即冒落带高度16.72m，裂隙带大约位 于孔深32.7～88.2m，即裂隙带高度41.26m（图3）。 2 数据收集和分析 2.1 擞据收集 根据上面观测成果，结合文献资料，列举了 综采一次采全高条件下中硬覆岩导水裂缝带高度 实测值（表2）。 ChaoXing 38 煤田地质与勘探第41卷 垂向高度 65.56m 钻孔斜长 88.2m 10.02m 24.3 m 32.7m 自落带16.72m 7.58m 。，飞。 图3钻孔揭穿三带示意图 Fig. 3 Schematic di锦mofthe幽暗ezones ex萨Sedby boreholes 2.2 鼓据的回归分析 由三下规程［6］中给出的经验公式 H＝＿坚旦 aIMb 令yH,xIM，则 lOOx 1 a b y ＝一一一一一＝一一＋一一一。 αxb y 100 lOOx A11 气；＂y ＝一，X＝一， y x a’＝主－ b’＝兰一，则 100 . 100 . ya’＋bγ。 利用一元线性回归求得经验公式，中硬覆岩导水 裂缝带高度y0.00710.0482x,R20.743 8则 俨0.71 , b4.82。 H,, _ lOOM - u 0.71M 4.82 2 3 计算公式实用性分析 中硬覆岩条件下，三下规程规定的导水裂缝 带高度计算公式为 、‘．，， EA rs－、 lOOYM H导＝T“『土5.63 ...,.. l.6M3.6 根据式（2）、式（3）计算综采一次采全高导水裂缝 带高度，与实测高度进行对比，见表3和表4。 根据表3和表4计算的结果可见，利用式（2）计 算综采一次采全高导水裂缝带高度与实测值的相对 误差为1.11号←10.24，绝对误差在一5.99--6.35m，预 计的裂缝高度与实测值相一致，偏差较小，表明该公式 实际适用性好。实测裂采比接近为9.69-12.邸，平均 11.57，因此用该裂采比预测裂高也是可行的。 表2综采一次采全高中硬覆岩顶板“两带”高度统计数据 Table 2 Statistics of the height of”two zones”in medium hard overlying strata roof in full-seam mining 矿名 镇城底矿 采深Im 308.26 倾［角／（。） 11 。～10445515 济宁三号煤矿 。～10 445515 张集煤矿 孔庄矿 南屯矿 杨村煤矿 。－10445515 近水平 近水平 25 28 1219 83 约400 69130 采高Im导水裂缝带高度H1/m观测工作面 4.5 57.98 28103 6.3 66.56 1301 6.3 68.6 1301 6.3 66.5 1301 3.9 49.05 1212 4.5 57.45 1221 5.29 61 5.77 70.7 63上10 5.65 67.5 93上01 6.4 62.0 301 参考文献 本文 文献［7] 表3公式。）计算中砸覆岩综采一次采全高导水裂缝带高度对比结果 Table 3 Comparison of the calculated height of water conducting zone in medium hard overlying strata in the full-seam mining by using ula 2 矿名观测工作面 采高实测导水裂缝带高度 裂采比 计算导水裂缝带高度相对误差绝对误差 Im H,;lm H1;/m / Im 镇城底矿28103 4.5 57.98 12.88 56.14 3.17 -l.84 1301 6.3 66.56 10.57 67.79 l.85 l.23 济宁三号煤矿 1301 6.3 68.6 10.89 67.79 l.18 一0.81 1301 6.3 66.5 10.56 67.79 l.94 l.29 张集煤矿 1212 3.9 49.05 12.58 51.39 4.77 2.34 1221 4.5 57.45 12.77 56.14 2.28 -l.31 孔庄矿5.29 61 11.53 61.68 l.l l 0.68 南屯矿 63上105.77 70.7 12.25 64.71 8.47 -5.99 93上015.65 67.5 11.95 63.98 5.21 一3.52 杨村煤矿301 6.4 62 9.69 68.35 10.24 6.35 ChaoXing 第5期白利民等综采一次采全高顶板导水裂缝带发育高度的计算公式及适用性分析 39 表4公式。）计算中硬覆岩综采一次采全离导水裂缝带高度对比结果 Table 4 Comparison results of the calculated height of water conduc“ng zone in medium hard overlying strata in the full-seam mining by using ula 3 矿名观测工作丽 采离实测导水裂缝带高度 /m H1;/m 镇城底矿28103 、、 4.5 57.98 1301 ‘6.3 66.56 济宁三号煤矿1301 6.3 68.6 1301 6.3 66.5 张集煤矿 1212 3.9 49.05 1221 4.5 57.45 孔庄矿5.29 61 南屯矿 63上105.77 70.7 93上015.65 67.5 杨村煤矿301 6.4 62 利用式。）计算综采一次采全高导水裂缝带高 度与实测值的相对误差为19.20～36.40，绝对误 差在一25.73～－9.42m，预计的裂缝高度与实测值偏 差较大，计算出来的导水裂缝带高度要比实测高度 要小，表明根据公式（3）计算值留设安全煤岩柱厚度 偏小，因此三下采煤规程中导水裂缝带高度计 算公式具有修订的必要。 4结论 a.针对综采一次采全高条件下上覆岩层破坏 高度计算公式尚不完善情况，通过现场实测并结合 文献资料，利用数理统计回归分析方法归纳出了适 用于综采一次采全高中硬覆岩条件下近水平导水裂 缝带高度的计算公式，为煤矿防水煤（岩）柱留设、 瓦斯抽采等设计提供依据。 b.通过计算导水裂缝带高度与实测高度比较， 本文所提经验公式预测导水裂缝带高度误差较小， 该公式适用性好；三下采煤规程中所述的经验公 式误差较大，应逐步积累经验做必要修订。 参考文献 [l］李洋，李文平，xiJ登宪潘谢矿区导水裂隙带发育高度与 裂采比 计算导水裂缝带高度相对误差绝对误差 矶，Jm/ /m 12.88 41.67 28.13 -16.31 10.57 46.05 30.81 -20.51 10.89 46.05 32.87 -22.55 10.56 46.05 30.75 -20.45 12.58 39.63 19.20 -9.42 12.77 41.67 27.47 -15.78 11.53 43.85 28.17 一17.15 12.25 44.97 36.40 -25.73 11.95 44.70 33.78 -22.80 9.69 46.24 25.42 -15.76 采厚关系回归分析［J］.地球与环境，2005,33 （增刊） 66-69. [2］张文艺．覆岩破坏规律与缩小防水煤柱机理［月．矿山压力与 顶板管理，20002 54-57. [3］杜时贵，翁欣海．煤层倾角与覆岩变形破裂分带［几工程地质 学报，1997,53 211-216. [4］谭志祥，何国清断层影响下导水裂缝带的发育规律［几煤炭 科学技术，1997,2510 45-48. [5］康永华，黄福昌，席京德综采重复开采的覆岩破坏规律［月 煤炭科学技术，2001,291 33-36. [6］煤炭工业部．建筑物、水体、铁路及主要井巷媒柱留设与压煤 开采规程队句．北京煤炭工业出版社，1986. [7］许延春，李俊成，刘世奇，等．综放开采覆岩两带高度的计算 公式及适用性分析问．煤矿开采，2011,162 4-7. [8］李文生，李文，尹尚先．综采一次采全离顶板导水裂缝带发育 高度研究［几煤炭科学技术，2012,40 5 293-297 [9］孟召平，王保玉，徐良伟，等．煤炭开采对煤层底板变形 破坏及渗透性的影响［J］.煤田地质与勘探，2012,40 2 39-43. [10］李刚，王海平，苏俊辉．采动影响下的煤层底板岩层破坏特 征一一以团柏煤矿为例［月．煤田地质与勘探，2012,40 2 59-61. [11］李成，朱军，陈剑杰，等高阻空洞的瞬变电磁响应特征 及其探测效果［J］.煤田地质与勘探，2012,40 6 79-81. ChaoXing