CN103993878A - 一种导水断裂带高度预计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种导水断裂带高度预计方法，根据具体开采条件下采场上覆岩层结构特征，通过收集所要判别工作面的地面钻孔柱状资料，首先，采用关键层位置判别方法确定覆岩中各关键层层位；其次，通过分析各个关键层与煤层间距和煤层采高的比值判断关键层破断裂隙是否贯通；然后，判断导水断裂带的发育高度将终止于由下往上最先出现非贯通裂缝的那一层关键层底界面，如果判别过程中出现主关键层的破断裂隙也已经贯通，则判断导水断裂带的发育高度将至基岩顶界面。本发明用于煤矿的顶板突水灾害防治实践，具有很高的实用性，能适应不同采厚条件下的导水断裂带高度，同时可以对由于覆岩关键层结构变化引起的导水断裂带高度异常发育情况作出判别。

Description

一种导水断裂带高度预计方法

技术领域

本发明属于煤矿井下开采技术领域，尤其涉及一种导水断裂带高度预计方法。

背景技术

随着国家西部大开发和能源战略的不断实施，煤炭的战略地位尤为重要，但是随着东部老矿区煤炭资源的逐步枯竭，煤炭开采区域重心逐步向西北矿区及内蒙古转移。这些矿区煤层赋存条件与开采条件与东部矿区有很大差异，有其自身特点。以神华矿区为例，煤层赋存条件简单，具有煤层厚度大，一般为4m-7m、埋深浅、薄基岩、厚风积沙等特点，另外矿区水资源匮乏，生态环境脆弱。回采时一般采用大采高一次采全厚或厚煤层综采放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板，开采强度大，推进速度快。由于采高大，基岩薄，采用全部垮落法管理顶板，导致导水断裂带沟通松散含水层甚至贯通至地表，进而松散含水层水和地表水沿导水裂隙流入回采工作面，引起工作面水害事故。另外由于松散含水层和地表水的流失，造成了生态系统退化，生物多样性丧失，甚至荒漠化等严重问题。

导水断裂带发育高度的预计和确定是治理矿井突水问题以及研究保水采煤的前提和基础。导水断裂带发育高度到达煤层上覆含水层时，含水层中的水通过采动裂隙流至工作面，可能会引发矿井突水以及水流失等严重问题。因此，研究并预计导水断裂带发育高度指导治理矿井突水问题以及研究保水采煤就尤为重要。

目前，许多学者对我国煤矿开采覆岩破坏和导水裂缝带高度做了大量的实测统计和理论研究，在此基础上统计得到计算顶板导水裂缝带高度的经验公式，并编入我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，在一定程度上满足了我国煤矿水体下采煤设计的要求，但经验公式的结果仅与煤层采厚参数有关，煤层上覆岩层岩性结构的影响在经验公式中并没有得到直接体现，而是通过按照覆岩硬度的不同分类采用不同的经验公式来计算覆岩导水断裂带高度，在特定开采条件下，会导致预计的导水断裂带高度与实际偏差很大，甚至会导致一些突水事故的发生，给矿井安全生产以及水害治理带来极大威胁和隐患。此外，统计样本中煤层分层开采厚度一般小于3.0m，当煤层分层采厚大于3.0m时，《规程》中的经验统计公式是不适用的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导水断裂带高度预计方法，旨在结合各矿井具体煤层赋存条件及煤层上覆岩层岩性结构特征，统筹考虑煤层厚度、埋深以及煤层上覆岩层各关键层位置，据此确立导水断裂带发育高度的预计方法，指导解决矿井突水问题以及保水采煤的研究，保障矿井安全生产及井下人员安全。

本发明是这样实现的，一种导水断裂带高度预计方法，包括以下步骤：

S1、收集所要判别工作面的钻孔柱状资料；

S2、根据收集到的资料，采用关键层判别软件进行具体钻孔柱状条件下覆岩关键层位置的判别；

S3、分别计算各关键层层位距开采煤层的间距，将间距数值与临界高度比较后判别关键层破断裂隙是否贯通；

S4、根据关键层破断裂隙是否贯通的判别结果确定顶板导水断裂带高度。

优选地，在步骤S1中，所述钻孔柱状资料为矿井普查、详查或精查过程中所钻取的地面钻孔柱状图。

优选地，在步骤S2中，所述关键层判别软件为KSPB，国家计算机软件著作权编号为2008SR34419。

优选地，在步骤S3中，所述判断方法包括以下具体过程：设煤层采高倍数为M，如关键层位置距开采煤层上边界高度大于临界高度(7～10)M，则该层关键层破断裂隙是不贯通；如该层关键层位置距开采煤层高度小于(7～10)M，则该层关键层破断裂隙是贯通。

优选地，所述煤层采高倍数选择的原则为：当煤层采高较小时，宜取较大倍数的采高；当煤层采高较大时，宜取较小倍数的采高。

优选地，在步骤S4中，所述顶板导水断裂带高度的确定方法包括以下具体过程：

在关键层破断裂隙贯通的情况下，判断主关键层控制的上覆基岩破断裂隙也贯通，则导水裂隙发育至基岩顶部以上，导水断裂带高度等于或大于基岩厚度；

在关键层破断裂隙非贯通的情况下，顶板导水断裂带高度受控于距煤层高度大于临界高度的第一层关键层的位置，导水断裂带高度等于该层关键层距煤层高度。

本发明克服现有技术的不足，提供一种导水断裂带高度预计方法，根据具体开采条件下采场上覆岩层结构特征，通过收集所要判别工作面的地面钻孔柱状资料，首先，采用关键层位置判别方法确定覆岩中各关键层层位；其次，通过分析各个关键层与煤层间距和煤层采高的比值判断关键层破断裂隙是否贯通；然后，判断导水断裂带的发育高度将终止于由下往上最先出现非贯通裂缝的那一层关键层底界面，如果判别过程中出现主关键层的破断裂隙也已经贯通，则判断导水断裂带的发育高度将至基岩顶界面。本发明不但考虑了煤层采厚对导水断裂带发育高度的影响，而且还考虑了覆岩各类岩性岩层对导水断裂带发育高度的影响，其可靠性得到了工程实测的验证；此外，本发明还能够适应不同采厚条件下的导水断裂带高度，同时可以对由于覆岩关键层结构变化引起的导水断裂带高度异常发育情况作出判别，结果可靠，实用性强。

附图说明

图1是本发明实施例中导水断裂带高度预计方法的步骤流程图；

图2是本发明导水断裂带高度预计方法；其中，M：煤层采高；Hd：导水裂隙带高度；Hj：基岩厚度；Hg：(7～10)M高度以上的第一层关键层距煤层高度；

图3是本发明实际应用过程中对祁东煤矿7130工作面D5钻孔柱状关键层位置判别结果；

图4是本发明实际应用过程中对祁东煤矿7121工作面D9钻孔柱状关键层位置判别。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种导水断裂带高度预计方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：

S1、收集所要判别工作面的钻孔柱状资料；

在步骤S1中，所收集的钻孔柱状资料与我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称《规程》)中使用经验公式预计方法需要收集的地质开采资料基本相同，资料主要为工作面周边在矿井普查、详查或精查过程中所钻取的地面钻孔柱状图。《规程》中对覆岩岩性做了粗略的统计分析，模糊了覆岩中能对岩层运动起到主控影响的关键层作用，本发明避免了这些不利因素。

S2、根据收集到的资料，采用关键层判别软件进行具体钻孔柱状条件下覆岩关键层位置的判别；

在步骤S2中，所述关键层判别软件为KSPB，国家计算机软件著作权编号为2008SR34419。在利用关键层判别软件KSPB对覆岩关键层位置进行判别的时候，需要根据地面钻孔全柱状输入一系列参数，如：岩层的厚度，弹性模量，抗拉强度，容重，岩层破断角和松散层载荷传递系数。其中，岩性参数与岩层厚度可以通过矿区地面钻孔柱状图获得；容重、抗拉强度、弹性模量可以通过制作标准岩样进行岩石物理力学参数测试获得。

S3、分别计算各关键层层位距开采煤层的间距，将间距数值与临界高度比较后判别关键层破断裂隙是否贯通；

在步骤S3中，设煤层采高倍数为M，如关键层位置距开采煤层间距大于临界高度(7～10)M，则该层关键层破断裂隙是不贯通的；如该层关键层位置距开采煤层高度小于(7～10)M，则该层关键层破断裂隙是贯通的，且它控制的上覆基岩破断裂隙也是贯通的。此处采高倍数选择的原则为：当煤层采高较小时，宜取较大倍数的采高；当煤层采高较大时，宜取较小倍数的采高。

S4、根据关键层破断裂隙是否贯通的判别结果确定顶板导水断裂带高度。

在步骤S4中，确定顶板导水断裂带高度。如果主关键层位置距开采煤层高度小于(7～10)M，则覆岩主关键层破断裂隙是贯通的，主关键层控制的上覆基岩破断裂隙也是贯通的，导水裂隙发育至基岩顶部以上，如基岩厚度为Hj，则导水断裂带高度Hd等于或大于Hj；当主关键层位置距开采煤层高度大于(7～10)M时，则顶板导水断裂带高度受控于距煤层高度大于(7～10)M的第一层关键层的位置，如该层关键层距煤层高度为Hg，则导水断裂带高度Hd等于Hg。

本发明在祁东煤矿实际应用过程中，如图3所示，煤层采高M＝2.85m，按10M计算得到的关键层破断裂隙贯通临界高度为28.5m。主关键层位置距煤层高度为31.88m>28.5m，因此，顶板导水裂隙带高度Hd应按照距煤层高度大于28.5m的第一层关键层的位置来计算，显然，该层关键层即为主关键层，由此计算得到Hd＝31.88m。

或者，如图4所示，煤层采高M＝2.3m，按10M计算得到的关键层破断裂隙贯通临界高度为23.0m，主关键层位置距煤层高度为7.49m<23.0m，因此，顶板导水裂隙带高度Hd应按照基岩厚度来计算，由此计算得到Hd＝89.16m。

在本发明实施例中，不但考虑了煤层采厚对导水断裂带发育高度的影响，而且还考虑了覆岩各类岩性岩层对导水断裂带发育高度的影响，其可靠性得到了工程实测的验证；此外，本发明还能够适应不同采厚条件下的导水断裂带高度，同时可以对由于覆岩关键层结构变化引起的导水断裂带高度异常发育情况作出判别，结果可靠，实用性强。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明不但考虑了煤层采厚对导水断裂带发育高度的影响，而且还考虑了覆岩关键层对导水断裂带发育高度的影响，其可靠性得到了工程实测的验证。

(2)本发明还能够适应不同采厚条件下的导水断裂带高度，同时可以对由于覆岩关键层结构变化引起的导水断裂带高度异常发育情况作出判别。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种导水断裂带高度预计方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、收集所要判别工作面的钻孔柱状资料；

S2、根据收集到的资料，采用关键层判别软件进行具体钻孔柱状条件下覆岩关键层位置的判别；

S3、分别计算各关键层层位距开采煤层的间距，将间距数值与临界高度比较后判别关键层破断裂隙是否贯通；

S4、根据关键层破断裂隙是否贯通的判别结果确定顶板导水断裂带高度。

2.如权利要求1所述的导水断裂带高度预计方法，其特征在于，在步骤S1中，所述钻孔柱状资料为矿井普查、详查或精查过程中所钻取的地面钻孔柱状图。

3.如权利要求1所述的导水断裂带高度预计方法，其特征在于，在步骤S2中，所述关键层判别软件为KSPB，国家计算机软件著作权编号为2008SR34419。

4.如权利要求1所述的导水断裂带高度预计方法，其特征在于，在步骤S3中，所述判断方法包括以下具体过程：设煤层采高倍数为M，如关键层位置距开采煤层上边界高度大于临界高度(7～10)M，则该层关键层破断裂隙是不贯通；如该层关键层位置距开采煤层高度小于(7～10)M，则该层关键层破断裂隙是贯通。

5.如权利要求4所述的导水断裂带高度预计方法，其特征在于，所述煤层采高倍数选择的原则为：当煤层采高较小时，宜取较大倍数的采高；当煤层采高较大时，宜取较小倍数的采高。

6.如权利要求1所述的导水断裂带高度预计方法，其特征在于，在步骤S4中，所述顶板导水断裂带高度的确定方法包括以下具体过程：

在关键层破断裂隙贯通的情况下，判断主关键层控制的上覆基岩破断裂隙也贯通，则导水裂隙发育至基岩顶部以上，导水断裂带高度等于或大于基岩厚度；

在关键层破断裂隙非贯通的情况下，顶板导水断裂带高度受控于距煤层高度大于临界高度的第一层关键层的位置，导水断裂带高度等于该层关键层距煤层高度。