导水破坏带（共5篇）
导水破坏带 篇1
20世纪80年代,李白英教授提出的“下三带”理论对煤矿底板水害的防治起到了重要的指导作用[1]。“下三带”即:底板导水破坏带(h1);保护带(h2);承压水导升带(h3)。开采煤层底板在任何情况下都会产生破坏,即底板导水破坏带是一定存在的,而其他两带要根据具体地质条件加以分析[2]。因此,研究底板导水破坏带对预防底板突水至关重要。
1煤层底板采动破坏带的影响因素分析
影响煤层底板采动破坏深度的主控因素:
(1)采深:采深越大,原岩应力和水压力越大,底板破坏深度也相应增加,统计资料[3]表明,底板破坏深度与采深呈正比例关系。
(2)倾角:根据实测资料分析,煤层倾角4°~30°时,底板破坏带深度随倾角增大而增加[4,5]。
(3)采厚:煤层开采厚度越大,矿山压力越大,矿压显现越强,对煤层底板的破坏程度越大[6]。
(4)工作面斜长,从国内众多学者的研究结果看,煤层底板破坏深度随工作面斜长的增大而增大。
2灰色关联分析理论
灰色关联分析实际上是一种描述同一系统中不同因素相互影响以及各个独立因素对系统整体影响的测度手段[7]。步骤如下:
将灰色关联度按顺序排列就可以看出各影响因子对系统影响程度大小。
3基于MATLAB的关联分析实例
MATLAB是一种数学分析软件,主要用于矩阵运算,同时在数值分析、数字信号处理、动态分析等方面也具有强大的功能。本文基于肥城矿区16个工作面的实测数据(见表1),运用MATLAB(R2010b)软件编程来进行灰色关联度分析。
MATLAB中部分程序代码如图1所示。
由底板采动导水破坏深度主控因素的数据分析可知,工作面斜长与破坏带深度的关联程度最高,其次是开采深度和煤层倾角,他们对破坏带深度的影响程度相差不大,最后是开采厚度。
通过图2可以看出,各主控因素与导水破坏带的影响程度与所得关联度基本一致,说明了分析结果具有一定的可靠性。
4结论
(1)以肥城矿区实测数据为基础,利用灰色关联分析方法建立评价模型,并通过MATLAB软件进行分析和计算,得到各影响因素的关联度从大到小依次为:工作面斜长>开采深度>煤层倾角>开采厚度。
(2)灰色关联度分析作为一种定量评价方法,可以作为指标权值分配的依据。
摘要：为了更加深入地探究各因素对煤层底板破坏带的影响程度,以肥城矿区底板破坏带实测数据为基础,利用灰色关联分析方法建立评价模型,并通过MATLAB软件进行分析和计算,得到各影响因素的关联度。研究结果表明,各影响因素对破坏带的影响程度依次为工作面斜长、采深、倾角、采厚,可以为煤矿底板安全事故的预防及管理提供参考价值。
关键词：关联度分析,导水破坏带,影响因素,MATLAB
参考文献
[1]李白英.预防矿井底板突水的“下三带”理论及其发展与应用[J].山东矿业学院学报(自然科学版),1999,18(4):11-18.
[2]施龙青,等.华北型煤田奥灰岩溶水防治理论与技术[M].北京:煤炭工业出版社,2014.
[3]国家煤炭局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2000.
[4]郭文兵,等.煤层底板采动导水破坏深度计算的神经网络方法[J].中国安全科学学报,2003,13(3):34-37.
[5]樊振丽,等.煤层底板采动导水破坏带深度主控因素探究[J].煤矿开采,2012,17(1):5-7.
[6]刘伟韬,等.基于正交试验的底板破坏深度主控因素敏感性分析[J].煤炭学报,2015,40(9):1995-2001.
[7]刘思峰,郭天榜.灰色系统理论及其应用[M].北京:科学出版社,2000.
导水破坏带 篇2
关键词：导水裂隙带高度,物联网感知技术,地理信息系统 (GIS) ,预测
煤炭资源一直作为我国经济发展的能源基础, 是保持我国经济高速发展的重要保障。煤炭作为我国各种资源生产的保障产业, 其行业发展在我国国民经济中的地位是长期而稳定的。作为我国的主体保障能源, 自1978年以来, 煤炭在能源生产结构中所占的比例都达到70%以上。
目前, 我国应用最为普遍的导水裂隙带高度预计方法为《水体下煤开采规程》中推荐的统计经验公式, 它只是作为一种经验公式用来计算导水裂隙带高度的大小, 只能大概计算出部分水体下开采的导水裂隙带高度。但是影响导水裂隙带发育高度的因素还有很多, 因此, 有很多矿区的导水裂隙带高度的发育与规程中的经验公式的计算结果并不完全相符。
物联网 (Internet of Things:Io T) 是1995年比尔·盖茨在《未来之路》一书中提出的, 到现在已经发展了十多年。直到2005年ITU (国际电信联盟) 才在《ITU互联网报告2005———物联网》会议中正式提出了“物联网”这一概念
把物联网 (Io T, Internet of Things) 与GIS有机结合起来, 提出Io T-GIS耦合感知技术并应用于导水裂隙带预测研究中, 该技术是通过传感设备全方位地捕获和感知矿山下裂隙发育征兆, 整合信息和运用算法, 实现各种信息互补与感知协同, 以准确快速的预测出导水裂隙带高度的发育。
1 影响导水裂隙带高度发育的因素
1.1 影响因素研究现状及评价
按照规程中的经验公式对导水裂隙带高度的预计, 主要考虑以下几个影响因素。
(1) 煤层厚度。更准确地说应该是采高影响的导水裂隙带的高度, 采高能够反映煤炭开采过程中开挖垂向高度大小对开挖后顶板岩体应力重分布、变形和破裂范围的影响, 因此作为主要指标之一。
(2) 顶板岩层单轴抗压强度。根据力学基础理论, 不同采空区顶板岩层的强度不同, 采完过后顶板的岩体应力重分布、破裂范围和变形也不同;单轴抗压强度能够准确地反映和确定岩层岩石的强度。
(3) 顶板岩层结构类型。煤层顶板岩层有不同的类型, 破裂后高度范围也各不相同, 实验表明, 软弱岩层破裂, 采动破裂高度的发育相对较小;坚硬的岩层高度较大。
一般来说, 目前影响导水裂隙带发育高度的因素主要只考虑以上三种, 但是岩石顶板的类型的划分比较复杂。
1.2 其他的影响因素
煤矿生产开采条件复杂多样, 所以在考虑影响导水裂隙带高度发育的时候, 除了考虑以上几个因素之外, 还应从以下几个影响因素中进行综合考虑。
(1) 工作面斜长。以目前的开采经验来看, 开采空间尺寸是其考虑重点, 当不充分采动时, 会影响高度的发育, 充分开采后, 其基本上起不到任何作用。
(2) 推进速度。煤炭开采中推进速度的快慢会不同程度上破坏岩层, 推进速度快, 破坏程度大, 反之则小。
(3) 采深。有力学理论基础知识可知, 深度不同, 其应力大小和状态不同。
(4) 关键层位置。关键层位置也是影响因素之一。同样的采深, 如果关键层的位置不同, 那么导水裂隙带高度的发育就不同……
综上所述, 影响导水裂隙带高度发育的因素多种多样, 并不是通过单一的因素就能就能确定, 预测时应该考虑到各种因素的综合作用。
2 物联网感知技术
2.1 物联网概念
物联网的概念复杂, 不做陈述, 下图是其概念模型, 如图1所示。
物联网是一种泛在网络。它的基础和核心仍然是互联网。
把物联网感知技术在应用在煤炭中, 是一种为实现安全监控和诊断故障而产生的技术。
未来物联网感知技术一定会是煤炭高效安全开采的保障, 一定会作为一个重要的应用领域应用在煤炭开采上。
2.2 Io T-GIS耦合感知
为提高安全监测能力, 利用物联网采集信息的方式, 构建动态的导水裂隙带高度发育的信息感知与处理平台, 实现其高度发育的正确预测。Io T是一种开拓性的思路和方法。GIS是一门集合性的学科。把这两种方法和学科进行紧密的结合, 构建一种耦合感知系统, 全方位的获取影响导水裂隙带高度发育因素的参数, 通过综合处理数据, 建立一种与导水裂隙带高度的线性关系。
如图2所示为Io T-GIS耦合感知平台的架构。
2.3 感知算法的步骤
感知算法是物联网感知技术的核心。利用耦合感知平台获取其参数数据, 经过综合处理以后, 建立一种层次分析 (AHP) 模型, 如图3所示。
其模型分为三部分, 最上面的为目的层, 中间的为准则层, 下面的为决策层。
导水裂隙带高度发育是各种因素综合影响的结果, 通过遥感仪器获取AHP值后, 经过物联网感知技术的综合处理, 预测出导水裂隙带高度的发育。
3 实例验证
为了获取各个因素对导水裂隙带高度发育的影响大小, 以下是调研和收集山东省某矿的导水裂隙带高度的实例, 如表1所示。
在工作面部署Io T-GIS耦合感知网络平台, 监控该工作面相关影响因素数据, 抽取多组样本数据, 经过优化处理以后, 得出AHP值, 经过物联网感知技术的综合处理后得出导水裂隙带高度的大小, 如表2所示。
4 结论
(1) 物联网技术的发展具有良好的前景, 其在煤矿开采中也得到了多方面的应用。物联网感知技术重点在于“感”和“知”上, 其核心是无线传感器网络。
(2) 物联网感知技术能够很好地将各种影响因素进行综合分析处理, 准确的预测出导水裂隙带高度的大小, 为预防顶板水害提供科学依据。
(3) 物联网技术在煤炭中应用是一种突破, 它为煤炭的高效生产和安全管理搭建了一个信息化的综合平台。
参考文献
[1]孟祥瑞, 等.基于Io T-GIS耦合感知的煤层底板突水预测研究[J].中国安全科学学报, 2013, 23 (2) :87-91.
[2]胡小娟, 等.综采导水裂隙带多因素影响指标研究与高度预计[J].煤炭学报, 2012, 37 (4) :613-620.
[3]许家林, 等.基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法[J].煤炭学报, 2012, 37 (5) :762-769.
[4]康永华.采煤方法变革对导水断裂带发育规律的影响[J].煤炭学报, 1998, 23 (3) :262-266.
[5]王军号.基于物联网感知的煤矿安全监控信息处理方法研究[D].安徽理工大学学报, 2013.
导水破坏带 篇3
随着煤矿开采逐步向深部进行, 很多浅部开采没有出现的高水压、构造发育等对导水裂隙带的影响日益明显。《“三下”规程》中的导水裂隙带高度的预测公式不再完全适用, 进而有必要对其进行新的探讨和研究, 获得在新型采煤方法条件下导水裂隙带的发育规律及导水裂隙带高度的预测公式[1]。尤其是深部开采涉及到的断层条件下导水裂隙带发育规律的研究还是较少, 其意义较大, 有必要对其进行深入研究。
1 数值模型的建立及计算结果分析
1.1 模拟方案
根据研究目的, 拟建立模型如下:对初始模型进行模拟计算, 作为原始数据, 其它模拟结果与其进行比较;在初始模型的基础上, 增加一个逆断层, 走向断面上的倾角为30°, 开采方向为下盘到上盘, 进行模拟研究;改变断层为倾角70°的正断层, 开采方向仍为下盘到上盘, 再进行模拟研究。
1.2 计算模型的建立
(1) 模型化假设。为计算方便及达到模拟计算的主要目的, 本模型作了如下概化和假设:松散层交互沉积, 厚度较大, 在一定范围内, 用补偿荷载来代替;岩土层组在组内为均匀连续介质;采用自重应力场作为原始地应力场;地下水的影响在选取岩土体参数中体现, 而在计算模型中不直接出现;断层的形态、产状不变, 由于落差不是太大, 没有考虑其影响, 断层带厚度为0.5 m。
(2) 模型建立。本次计算模型的尺寸范围为:走向长度400 m, 岩层高度为200 m, 其中煤层底板岩层30 m, 煤层9.0 m、顶板岩层161 m。因煤层倾角较小, 为近水平煤层, 模拟时按水平煤层进行模拟。共划分了6 374个单元, 模拟计算模型如图1所示。
(3) 约束条件。对模拟计算剖面模型, 在侧边界施加水平约束;底部边界施加水平和垂直约束。模型的上边界加载大小为上覆岩层自重应力, 剖面上边界埋深456 m, 其中土层厚度103.5 m, 土层和岩层的重量密度分别取0.02MN/m、0.025MN/m, 计算得剖面上边界所加荷载为10.9 MPa。
1.3 岩体力学参数的选择
根据地质钻孔资料和岩石力学试验结果, 计算采用Mohr-Coulomb屈服准则, 各岩层的岩性参数如表1所示。
1.4 模拟计算结果分析
为研究对比需要并结合矿区实际情况, 特选定小倾角的逆断层 (30°) 和大倾角的正断层 (70°) 作为研究对象。下面就这两类断层为例模拟分析断层影响下导水裂隙带高度发育及动态变化规律。
1.4.1 无断层时导水裂隙带发育高度模拟
无断层开采时的第一主应力图如图2～4所示。从图可以看出, 随着工作面的推进, 第一主应力的拉应力范围在不断增加, 其形态和高度也在发生改变。拉应力为1 MPa的等值线由刚开始时的拱形, 在开挖到100 m时慢慢转变成了两头高、中间低的“马鞍型”, 在开挖结束后形成了典型的“三带”。拉应力大于1.5 MPa的冒落带, 1 MPa左右的裂隙带和上部岩层的弯曲带。当某一方向的拉应力超过岩体的抗拉强度则产生一定方向的张裂隙, 该区的上界限是确定导水裂隙带高度的依据。由此得导水裂隙带最大高度为60 m左右。
1.4.2 大倾角正断层模拟
工作面推进向和断层倾向一致, 也即从断层下盘往断层上盘方向推进, 这种情形下的第一主应力图如图5～7所示。
从图5、6可以看出, 在正断层下开采煤层时其导水裂隙带发育情况与无断层时的基本一致, 但到图7时, 可以看到在断层的影响下, 导水裂隙带不再呈“马鞍型”, 而是表现为靠近断层处高, 远离断层处低的“马头型”了。这种结果的出现是由于断层本身就具有导水性, 易与导水裂隙带贯通, 从而加大了导水裂隙带的高度。
1.4.3 小倾角逆断层模拟
小倾角逆断层开采后的第一主应力图如图8～10所示。
从图8可看出, 在逆断层的影响下, 开采40 m时的导水裂隙带已经不再是对称发育, 开采到60 m时, 不对称现象已十分明显, 并且导水裂隙带高度迅速上升, 与断层连为一体。这种现象的主要原因有两个:一是断层本身就具有导水能力, 能与裂隙带中裂隙连为一体, 从而增加了导水范围;二是断层处的岩体由于有结构面存在, 强度很低, 其在力的作用下容易出现裂隙, 也会增加裂隙带范围, 增强导水能力。另外, 在模拟开采的过程中, 当导水裂隙带高度距垂直方向上的断层到一定距离时, 会使裂隙带与断层带在外力方向间的岩层应力集中, 产生裂隙, 与断层带贯通, 其高度迅速增加[2]。
2 不同倾角断层对导水裂隙带影响分析
小倾角断层对导水裂隙带影响比大倾角的明显, 可以用图10来说明。从图10可以得出, 当开采点距断层水平距离一定时, 即L1=L2时, 倾角小的断层模型上的工作点A到断层竖直方向上B点的距离H1大大小于倾角大的断层模型上的工作点C到断层竖直方向上的距离H2。因此, 开采时所引起的导水裂隙带更易于与小断层相贯通, 从而增加了裂隙带高度。
到了开采120 m时可以看出, 应力集中主要出现在断层附近, 且当工作面在断层下盘没穿过断层时, 应力集中区绝大部分都分布在断层下盘中, 到断层处截止。在下盘处的导水裂隙带的高度大于远离断层的上盘, 并且远离断层处的导水裂隙带高度要略低于没有断层时的高度。而在开采到60 m时就与断层相联通的裂隙带到了开采结束后也还是仅在断层下盘。
3 结论
对无断层及大倾角正断层和小倾角逆断层影响下的综放开采时导水裂隙带高度进行了数值模拟计算分析, 得出了在两种不同倾角断层下的导水裂隙带高度随煤层开采动态发育情况。
(1) 在无断层的条件下, 煤层开采后的导水裂隙带分布呈对称的两头高中间低的“马鞍型”。
(2) 断层对导水裂隙带高度的发育存在影响, 且不论倾角大小, 均是使裂隙带高度增加;大倾角正断层对导水裂隙带高度发育影响不大, 仅在靠断层处略有增加;断层为小倾角逆断层时, 导水裂隙带形态较无断层时有较大差别, 具体表现为靠断层处明显增高, 远离断层处降低。
(3) 在逆断层条件下开挖过程中, 当裂隙带到了一定高度后会在较短时间内与上盘的断层带相贯通, 从而导致导水裂隙带高度的突然增加, 这在实际开采时应给予注意。
(4) 文中模拟时只考虑了自重应力, 没有考虑构造应力, 所以结论仅适用于低构造应力的矿区。
参考文献
[1]尹增德, 李伟, 等.充州矿区放顶煤开采覆岩破坏规律探测研究[J].焦作工学院学报, 1999 (7) :235-238
导水破坏带 篇4
1 理论计算
根据首采区内及临近钻孔资料统计,II-3煤厚度为3.55m~6.20m,平均厚度4.93m,结合研究区岩石力学强度及岩性结构并根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(2000)分别采用中硬、坚硬顶板下公式计算导水裂缝带高度[3]。采用公式:
根据以上不同公式计算首采区各钻孔附近导水裂缝带高度,因顶板为中硬岩层,故导水裂缝带范围按中硬计算范围为43.85m~51.46m。
2 数值模拟
2.1 模型建立
首采工作面先期开采II-3煤,工作面宽260m。根据工作面条件及首采面区域的岩层结构特征建立数值模型长400m,高200m,设计采全高5m。为消除边界条件影响,模型两端分别保留50m的边界煤柱。参照研究区内岩石力学测试资料确定模拟所需的力学参数,如表1。按照UDEC软件系统设置的相关要求,初始模型如图1所示。
2.2 模拟过程分析
首采面先期开采II-3煤层,平均厚度为5.0m,开切眼处距煤层左端面50m,模型从左向右开挖,开挖步距为5m,开挖宽度为300m。
图2为II-3煤层开挖60m时顶板覆岩运动及垂直应力分布图,从覆岩运动图中可以看出,开挖60m时直接顶已经冒落,煤壁两侧向上发育垂向裂隙,顶板裂缝带高度达到35m。从垂直应力图中可以看出,采空区两侧出现应力集中区,采空区顶底应力释放处于低应力区,此时最大集中应力为6.5MPa。
图3为II-3煤层开挖120m时覆岩运动及垂直应力分布图,采空区直接顶继续冒落,顶板裂缝带高度发育到52m,采空区左侧最大集中应力高于推进方向一侧的垂直应力值,此时最大集中应力为11.5MPa。
图4为II-3煤开挖180m时覆岩运动及垂直应力分布图,采空区顶板及煤壁两侧向上的位置裂缝带发育,此时顶板裂缝带最大高度为56m,在采空区内出现应力集中区,采空区两侧应力有所减小,垂直应力最大值为10.5MPa。
3 结论
II-3煤层顶板裂隙带在采动过程中,随工作面的不断推进,裂隙带发育高度不断增加,当工作面推进至180m时,顶板裂隙带发育到最高位置,高度为56m。
根据理论计算得出导水裂缝带范围按中硬计算范围为43.85~51.46m,与数值模拟计算数值较为接近,可作为研究煤层顶板裂隙发育的手段。
摘要：转龙湾煤矿首采区位于Ⅱ-3煤层,由于Ⅱ-3煤层埋藏浅,上覆基岩及第四系含水层、地表水系均对开采构成威胁,在基岩厚度小于冒裂带发育高度的地段,存在溃水甚至溃沙危险。因此,为开展Ⅱ-3煤层顶板水害防治研究,对顶板导水裂隙带发育规律进行研究,对于保障矿井安全生产具有重要的现实意义。
关键词：顶板,导水裂隙带,发育规律
参考文献
[1]张金才,等.岩体渗流与煤层底板突水[M].北京:地质出版社,1997.
[2]刘伟韬,等.底板采动破坏深度实测与模拟[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2013,32:1585-1589.
导水破坏带 篇5
关键词：变形分析法,经验公式法,导水裂隙带高度,防水煤柱厚度
3204工作面位于陈家沟煤矿+1050m水平以下的三采区西翼第二区段, 东端与三采区三条下山保护煤柱相邻, 西端与采区边界保护煤柱相邻。煤质为煤5层, 地面标高1519米至1590米, 工作面标高977米至1011米, 地面位置横穿小阴沟, 谢家沟, 唐家洼, 狼沟, 狼沟嘴等地段, 地面无民房及建筑物。本工作面属于大型复合水体下开采, 上覆岩层及地表水体, 既有地表北河水体, 也有上第三系甘肃群中下部含水层 (Ngn) , 其主要分布在井田北部的北河河谷之下, 由灰白色、浅棕红色砂砾岩组成。为了获得导水裂隙带高度及防水煤柱留设厚度, 通过变形分析法和经验公式法理论计算, 为3204工作面水体下安全开采提供可靠的理论及技术依据。
1 确定导水裂隙带高度
由于煤层开采结束后导水裂隙带的高度是开采尺寸、岩层岩性、地层力学结构及特征煤层赋存条件等因素共同作用的结果, 其中开采尺寸和上覆岩层的岩性是影响应力传递、释放和重新分布的决定性因素, 所以从力学角度可计算导水裂隙带发育最大高度。又因为可获得实际多个综放工作面覆岩导水裂隙带高度实测值, 通过数学方法分析, 利用经验公式也能计算导水裂隙带发育最大高度。
1.1 变形分析法确定导水裂隙带高度
本次计算3204工作面导水裂隙带高度以37勘探线的3703钻孔资料为计算基础, 列出该计算基础数据 (表1) 。
1.1.1 覆岩载荷计算
用固支梁力学模型来分析水平拉伸变形, 如图1所示。
载荷q是岩梁自重及其上覆岩层重叠的共同叠加之和。因此覆岩承载的载荷可按下式计算:
式中:qi表示第i层岩层承载载荷, KN/m;γ表示平均容量, 在此岩层取25kg/m3, 土层取16kg/m3;Hi表示第i层岩层分层厚度, m
1.1.2 覆岩最大挠度、极限跨距计算
设挠曲方程, 利用伽辽金法通过解算, 可得固支梁的最大挠度为:
式中I为惯性距, E为岩体的弹性模量, GPa;q为岩量上的荷载, KN/m
由于在弯曲梁的中性轴下端面产生的水平拉伸变形, 通过弯曲梁的曲率方程与横截面上某点到中性层的距离y, 可得到固支梁弯曲后其水平拉伸变公式:
为了岩层不产生导水裂隙带, 最大变形值εmax就不能超过岩层的临界水平拉伸变形值, 而梁的下端即y=h/2在端面上水平拉伸变形值最大, 所以水平拉伸变形的最大值为:
在此取泥岩等软弱类岩层的临界水平拉伸变形值为2mm/m, 则由上式可以得到岩梁受力弯曲产生最大水平拉伸变形值时的跨距:
1.1.3 各岩层最大下沉空间计算
覆岩破坏发展之断裂导水裂隙带及断裂程度的辨别公式为:
式中:kci和kcz分别为老顶和直接顶的残余碎胀系数。hi为第i层岩层的厚度, M为煤层的采高, ki为覆岩最终综合“碎胀系数”, 取1.01~1.05。为计算简便, 根据经验取其平均残余碎胀系数为1.01~1.05, 上式可以简化为:
1.1.4 利用变形分析方法计算导水裂隙带高度
通过公式 (1) 、 (2) 、 (5) 、 (7) 分别计算得出综合分析表2, 可以看出在3204工作面覆岩的岩层中, 序号为38的粗砂岩分层厚度为9.14m, 其产生临界水平拉伸变形值时该岩层岩梁的跨距为95.63m, 在该临界跨距下的最大挠度 (4.5m) 大于其最大允许下沉空间 (3.91m) , 离煤层顶板较远 (126.69m) , 抑制了导水裂隙带向上发展, 同时随着开采范围的增大, 38号控制层可能断裂导水。序号为34的粗、粉砂岩互层分层厚度为19.87m, 在该临界跨距下的最大挠度 (7.36m) 大于其最大允许下沉空间 (3.31m) , 离煤层顶板距离为 (138.82m) , 由于其产生临界水平拉伸变形值时岩梁的挠度远远大于其最大允许下沉空间, 其产生临界水平拉伸变形值时该岩层岩梁的跨距大于采空区尺寸, 从而能够有效的起到阻隔导水裂隙带向上进一步发展的作用, 为可靠的控制导水裂隙带向上发育的关键层, 因此在3204工作面采用变形分析法计算得出引起覆岩最大断裂导水裂隙带高度为138.82m。
1.2 经验公式法确定导水裂隙带高度
我国学者结合科研课题实测, 利用回归分析方法, 总结归纳出了中硬和软弱覆岩条件下综放工作面的冒落带和导水裂隙带高度经验公式, 通过修正得到陈家沟煤矿分层综放开采导水裂隙带高度预计的一般公式:
kn为第n分层开采重复采动系数;Mn为n分层采高
由于陈家沟煤矿三采区3204工作面采用的分层首分层综放开采, 计算导水裂隙带高度时重复采动系数kn取k1为1.1, M1采高取11.5m, 应用经验公式 (公式8) 预计的3204工作面开采导水裂隙带最大高度为139.65m。
1.3结果对比分析
导水裂隙带计算结果表明:3204工作面按变形分析法计算导水裂隙带最大高度为138.82m, 按经验公式计算导水裂隙带最大高度为139.65m, 误差率为0.5%, 所得结果相差不大, 都不会超过5#煤上部中侏罗统的厚度, 即不会波及覆岩主要含水层。由于导水裂隙带与含水层之间的覆岩中泥岩占了很大的比例, 这部分岩体渗透性差, 具有良好的隔水性和再生隔水性, 减弱了主要含水层和煤系砂岩之间的水利联系, 从而可以确定3204工作面开采不会引起北河水直接溃入井下, 威胁井下安全。
2防水煤柱留设
依据有关防水煤岩柱安全厚度的要求, 结合陈家沟煤矿的地表裂缝深度探测结果和开采方法及地质、采矿条件, 防水安全煤 (岩) 柱厚度应不大于地表裂缝深度Hdi, 保护层厚度Hb和导水裂隙带高度度Hlt之和。则陈家沟煤矿北汭河下开采防水安全煤 (岩) 柱厚度Hsh计算公式如下:
表中为累计采厚, n为分层采厚。
根据规定, 单向抗压强度为10~20MPa的岩层划分为软弱岩层 (表3) , 应按软弱覆岩类型预测煤层采后的导水裂缝带高度, 则3204工作面保护层的厚度选3A或者4A, 由于工作面保护层内均为隔水性良好的泥岩, 则理论研究和实践均表明保护层的选取厚度明显偏大, 根据保护层岩性、含隔水性综合确定3204工作面保护层厚度取5倍采厚即57.5;根据陈家沟煤矿已经完成的巨厚煤层综放开采地表裂缝深度探测研究项目结论, 采用80m作为开采引起地裂缝深度的最大值;根据变形分析法获得最大导水裂隙带高度为138.82m, 经验公式法获得最大导水裂隙带高度为139.65m, 取最大值139.65m。经计算, 陈家沟煤矿3204工作面防水安全煤岩柱高度Hsh为277.15m。
3 结束语
以37勘探线的3703钻孔资料为计算基础, 通过变形分析方法对陈家沟煤矿3204工作面覆岩导水裂隙带高度进行了理论计算, 结果表明:陈家沟煤矿煤5层覆层中岩层序号为34的粗粒砂岩, 能够有效的起到阻隔导水裂隙带向上进一步发展的作用, 得出产生临界值点的高度即为“两带”的顶点为138.82m;以科研数据实测, 利用数学方法推导得出经验公式, 通过经验公式法也对3204工作面覆岩导水裂隙带高度进行了理论计算, 得出3204工作面覆岩导水裂隙带高度为139.65m。两者所得结果相差不大, 取最大值计算防水煤柱的厚度为277.15m, 为华亭矿区水体下安全开采提供了理论依据, 也为同类地质采矿条件下的覆岩导水裂缝带计算和防水煤柱厚度计算提供了参考依据。
参考文献
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