利用经验公式计算“两带”高度——信湖煤矿八一采区811工作面以浅及814工作面以浅为例

Calculation of “Two Zones” Height by Empirical Formula—Shallow 811 Working Face and Shallow 814 Working Face in Bayi Mining Area of Xinhu Coal Mine

摘要: 2017年我国重新修订《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤章程》即“三下”规程通过对已观测成果进行总结归纳提出计算导水裂隙带、冒落带高度的经验公式，本文以信湖煤矿八一采区为例，通过采区煤层覆岩条件、煤层及煤层间距特征，合理选取经验公式，对采区“两带”高度进行计算，为煤岩柱留设提供依据。

Abstract: In 2017, China revised the articles of Association for the retention and coal pressure of coal pillars in buildings, water bodies, railways and main shafts and lanes. By summarizing the observed results, the empirical formula for calculating the height of water diversion fracture zone and caving zone is put forward. Taking Bayi mining area of Xinhu coal mine as an example, the empirical formula is reasonably selected through the coal seam overburden conditions, coal seams and interlayer conditions in the mining area. The height of “two zones” is calculated to provide a basis for the retention of coal and rock pillars.

1. 引言

自上世纪80年代，我国煤矿能源发展迅速，成为了世界上最大的能源开发国和消耗国，在我国的发电体系中，超过七成来自煤炭发电，因此煤炭资源在我国的地位是不可取代的 [1] [2] [3]。我国煤矿在近松散层开采覆岩倒水裂隙带上覆含水层有导致顶板水害事故发生的可能 [4] [5]。为保证煤矿开采的安全，矿区会留设大量煤岩柱，工作面顶板覆岩特征不同，采动等级不同，煤岩柱的类型也就不同，本次研究通过收集信湖煤矿八一采区及临近采区的钻孔资料的收集与整理，对八一采区811工作面以浅及814工作面以浅作为研究区开展了松散层特征、煤层及覆岩特征的研究，对“两带”高度通过“三下”规程经验公式进行了计算，为后续对煤岩柱的类型的判断、煤岩柱的高度设计，对后续煤岩柱的可行性评价研究提供了依据 [6] [7] [8] [9] [10]。

2. 国内外研究现状

1828年比利时的格诺特提出了“垂线理论”1968年，英国矿山局颁布了海下采煤条例，明确规定了对覆岩的组成、厚度、采厚的要求，由此条例进行开采。豪斯于1889年提出了“分带理论”，俄罗斯于1973年对于中粘土层的厚度、煤厚、采动条件等变化确定了安全采深的有关水体下的开采规定章程 [11] [12] [13]。1986年我国出版的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤章程》，后于2000年进行了重新修订，2017年又进行了新的修订该章程即为“三下”章程，其中对已观测的成果进行归纳总结分析，提出了计算“两带”的经验公式，即为“三下”经验公式对后续的研究提供了帮助 [14] 梁洪根据“三下”规程，通过UDEC数值模拟的方法，对洞口富水岩层下安全开采煤岩柱的尺寸进行了合理的缩小；王洋通过经验公式和相似材料模拟实验的方法，对皖北百善煤矿浅部压煤合理留设煤岩柱进行了研究 [15]。

覆岩破坏的影响因素较为复杂，随着煤矿不断的开采，地质条件将会越来越复杂，开采条件也会随之变化，如何保证煤矿安全也将成为重要研究课题和更高的挑战。通过前人的研究越来越多的方法投入到覆岩破坏的研究当中如：经验计算法、类比，利用软件进行数值模拟、相似材料模拟实测等 [16] [17] [18] [19] [20]。

3. 研究区概况

3.1. 地理概况

本文研究区为八一采区8煤层隐伏露头附近的区块，即811和814工作面以浅的区块，东西长约1400 m，南北长约3000 m，深度790~850 m，共有13个钻孔，见图1。

Figure 1. Schematic diagram of study area in Bayi mining area of Xinhu coal mine

图1. 信湖煤矿八一采区研究区示意图

3.2. 地质条件

3.2.1. 地层

信湖煤矿八一采区内地层为隐伏型，未见基岩裸露。根据采区内钻孔资料，地层包括二叠系下石盒子组、上石盒子组、石千峰组，新近系、第四系。论文研究的8煤层位于二叠系下石盒子组。

3.2.2. 地质构造

1) 褶皱

研究区内共有3处褶皱，分别为孙大庄背斜、董新楼向斜、王大庄背斜。

2) 断层

研究区内共有7条大断层44条小断层，均为正断层，小断层落差均小于10 m，对煤层开采影响小。大断层F1断层为采区东部边界断层，走向NS，倾向E，倾角50˚~70˚，区内落差500~1200 m，落差由南向北逐渐增大，延展长度3200 m，对煤层开采影响大；Df19正断层，位于采区东南边界，走向NNE，倾向SEE，倾角50˚~70˚，区内落差60~280 m，延展长度1700 m，并向区外发展，对煤层影响较大其余大断层落差均小于100 m，主要走向为北北东和北东东方向，倾向为南东东和北北西方向，影响煤层赋存形态，图2。

Figure 2. Fault map of the study area

图2. 研究区断层玫瑰花图

4. 研究区松散层及覆岩基本特征

4.1. 松散层埋藏特征

通过Surfer图来看，研究区内基岩面埋深起伏较小，由西北方向东南方向埋深有逐渐减小趋势，孔2018-4基岩面埋深较大，松散层较厚，研究区北侧811工作面以浅，基岩面埋深较小，松散层较薄，图3。

Figure 3. Contour map of loose layer thickness

图3. 松散层厚度等值线图

4.2. 8煤层覆岩特征

据研究区及附近钻孔，8煤层上覆基岩柱的厚度靠近松散层的工作面811及北侧钻孔表现出覆岩厚度较小，远离松散层的工作面812、工作面814覆岩厚度较大，上、下石盒子组地层部分缺失，东部的深部岩柱厚度较大，多数钻孔仅显示上石盒子组地层缺失，研究区覆岩厚度77.91~368.5 m，平均厚度252.84。从基岩面至8₁煤层顶板的基岩柱岩性构成，可知，研究区砂岩厚度26.15~166.85 m，平均厚度92.38 m，泥岩厚度35.35~268.97 m，平均厚度145.52 m砂泥比0.31~2.19平均0.83，岩性以泥岩与砂岩为主，见表1，图4、图5。

Table 1. Statistical table of lithologic composition of from bedrock face to 81 coal seam

表1. 基岩面至8₁煤层范围内基岩岩性构成情况统计表

Figure 4. Contour map of the distance from the roof of coal seam 8₁ to the bedrock surface

图4. 8₁煤层顶板至基岩面距离等值线图

Figure 5. Contour map of overburden sand mud ratio of 8 coal seam

图5. 8煤层覆岩砂泥比等值线图

4.3. 8煤特征

4.3.1. 8₁煤特征

根据工作面811及以浅、工作面814及以浅上钻孔资料，8₁煤厚度0.85~3.88 m，平均厚度2.55 m，煤层黑色，条痕黑褐色，条带状结构，沫状，玻璃光泽，内生裂隙发育，结构较简单。面积可采率91%。煤层顶底板多以泥岩为主，次为细砂岩和粉砂岩，表2，图6。

Table 2. Statistical table of thickness of 8coal seam by working face and nearby borehole

表2. 工作面及附近钻孔揭露8煤层厚度统计表

Figure 6. Contour map of 8₁ coal seam thickness

图6. 8₁煤层厚度等值线图

4.3.2. 8₂煤层特征

根据工作面811及814以浅上钻孔资料，8₂煤层厚度1.41~2.84 m，平均厚度2.32 m。煤层黑色，条痕黑褐色，条带状结构，沫状~碎块状，局部片状，玻璃光泽，内生裂隙发育，煤层顶底板多以泥岩、炭质泥岩为主，次为细砂岩和粉砂岩。表2，图7。8₂煤层厚度相对稳定，煤层厚度同8₂底板标高无直接联系。

Figure 7. Contour map of 8₂ coal seam thickness

图7. 8₂煤层厚度等值线图

4.3.3. 8₁、8₂煤层间距

研究区内8₁、8₂煤层间距3.17~3.86 m，平局间距1.86 m，基本全为泥岩，孔2013-1、2014-11存在岩浆岩，原因为发生岩浆入侵，研究区内工作面812、814处煤间距较大、工作面811以浅部分较小，从南向北有逐渐增大趋势，孔2013-14达到最大值，研究区内孔2018-4并未揭露8₂煤层，故无煤间距数据，见表3，图8。

Table 3. Statistics of spacing between coal seams 81 and 82

表3. 8₁、8₂煤层间距统计表

Figure 8. Contour line of spacing between coal seams 8₁ and 8₂ in the study area

图8. 研究区8₁、8₂煤层间距等值线

5. 经验公式计算

5.1. 经验公式选择

依照照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》 [14] 要求，留设防水安全煤(岩)柱的原则是保证开采生产的导水裂隙带不波及水体，研究区内煤层倾角<25˚，小于要求53˚，“四含”覆盖煤层露头，松散层底部粘土小于煤层厚度，煤层覆岩风化与未风化掩体岩性强度为中硬，故参照《三下》规程选取经验公式应为防(隔)煤岩柱两带计算公式：

$H_m=\frac{100{\displaystyle \sum M}}{4.7{\displaystyle \sum M+19}}\pm 2.2$ (1)

$H_l=\frac{100{\displaystyle \sum M}}{1.6{\displaystyle \sum M+3.6}}\pm 5.6$ (2)

式中：H_m——为垮落高度(m)；H_l——为导水裂隙带高度(m)； ${\displaystyle \sum M}$ ——煤层均厚(m)。为了安全起见，实际计算时，±2.2、±5.6分别取+2.2、+5.6。

近距离煤层垮落带和导水裂隙带高度计算：下层煤的垮落带接触到或完全进入上层煤范围内时，上层煤的导水裂隙带最大高度采用本煤层开采厚度计算，下层煤的导水裂隙带最大高度则应采用上、下层煤的综合开采厚度计算，取其中标高最高者为两层煤的导水裂隙带最大高度。

$M_z=M_2+\left(M_1-\frac{H_{1-2}}{Y}\right)$ (3)

式中，M_z——上下煤层的综合开采厚度(m)；M₁——上煤层开采厚度(m)；M₂——下煤层的综合开采厚度(m)； $H_{1-2}$ ——上下煤层之间的法线距离(m)；Y——下煤层的垮采比。

5.2. 经验公式计算

研究区钻孔资料中8₁煤厚度0.85~3.88 m，平均厚度2.55 m，8₂煤层厚度1.43~3.2 m，平均厚度2.62 m，计算垮落带、导水裂隙带高度时应选取煤层开采厚度为M_z，表4。

Table 4. 8 statistics of combined thickness of coal seams

表4. 8煤层厚度统计

计算选取8₁煤最大厚度3.88 m，82煤最大厚度2.84 m计算得：

1) 垮落带

8₁煤层： $H_m=\frac{100{\displaystyle \sum M}}{4.7{\displaystyle \sum M+19}}+2.2=\frac{100\times 3.88}{4.7\times 3.88+19}+2.2=12.62(\; m\; )$

8₂煤层： $H_m=\frac{100{\displaystyle \sum M}}{4.7{\displaystyle \sum M+19}}+2.2=\frac{100\times 2.84}{4.7\times 2.84+19}+2.2=10.98(\; m\; )$

2) 裂隙带

8₁煤层： $H_l=\frac{100{\displaystyle \sum M}}{1.6{\displaystyle \sum M+3.6}}+5.6=\frac{100\times 3.88}{1.6\times 3.88+3.6}+5.6=45.16(\; m\; )$

煤层间距选择最大值3.86m，8₂开采方式为放顶煤，故煤层厚度选择M_Z

8₂煤层： $M_z=M_2+\left(M_1-\frac{H_{1-2}}{Y}\right)=2.84+\left(3.88-\frac{3.86}{10.98÷2.84}\right)=5.73(\; m\; )$

$H_l=\frac{100{\displaystyle \sum M}}{1.6{\displaystyle \sum M+3.6}}+5.6=\frac{100\times 5.73}{1.6\times 5.73+3.6}+5.6=50.48(\; m\; )$

导水裂隙带高度取值为50.48 m。

6. 结论

根据“三下”规程，松散层下含水层厚度小于煤层累计采厚，煤层倾角小于25˚，小于要求53˚，覆岩风化与为风华带岩层属中硬，采动等级为I级，选取了经验公式。通过经验公式计算出“两带”高度，8₂煤开采方式为放煤顶，故煤层厚度选取合并煤层厚度，8₁煤层垮落带12.61 m，8₂煤层垮落带10.98 m，8₁煤层导水裂隙带45.16 m，放顶煤开采时8₂煤层导水裂隙带合并开采高度50.48 m。通过经验公式计算出的“两带”高度对后续保护层选取及煤岩柱类型、留设、设计高度等研究有着重要意义。