CN108733964A - 短壁块段式采煤覆岩导水裂隙带发育高度预测方法 - Google Patents

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张云
万通
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Abstract

本发明公开了一种短壁块段式采煤覆岩导水裂隙带发育高度预测方法。通过现场调研及实验室实验，确定回采范围及煤岩层物理力学参数；然后借助3DEC数值模拟软件，得出主控因素与导水裂隙带发育高度之间的关系；最后采用MATLAB对导水裂隙带高度模拟结果进行非线性回归分析，最终建立预测短壁块段式采煤覆岩导水裂隙带发育高度的模型。本发明通过建立主控因素与导水裂隙带之间的关系，控制各主控因素对导水裂隙带发育高度的影响程度，进而实现开采过程中对水资源及生态环境的保护，其方法简单易操作，同时大大提高了回收率，避免了资源的浪费，对保水开采方法补充、生态环境保护及煤炭资源的合理回收具有重要的意义。

Description

短壁块段式采煤覆岩导水裂隙带发育高度预测方法
技术领域
本发明涉及一种预测短壁块段式采煤覆岩导水裂隙带发育高度的方法。
背景技术
短壁块段式采煤可以有效回收残留煤柱和不规则块段等煤炭资源，但其回收过程必然 会扰动上覆岩层形成导水裂隙带，造成水资源的流失及环境破坏。而目前预测上覆岩层导 水裂隙带发育高度主要采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》 中的经验公式，但这些经验公式是总结分析上世纪八十年代初有限的长壁开采过程中的工 程数据得到的，并且短壁块段式采煤的工作面布置与长壁开采存在较大的差异，因此通过 “三下”规程中的经验公式来预测短壁块段式采煤覆岩导水裂隙带的发育高度可能会产生 较大的误差。
基于采煤工艺特点和覆岩移动特征进行分析，总结出一种更适用于预测短壁块段式采 煤导水裂隙带高度的方法，对保水开采方法补充、生态环境保护及煤炭资源的合理回收具 有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术存在的缺陷，针对目前关于预测短壁 块段式采煤覆岩导水裂隙带发育高度方面的空白，提供了一种短壁块段式采煤覆岩导水裂 隙带发育高度预测方法，预测结果更加准确，方法更加简单。
本发明一种预测短壁块段式采煤导水裂隙带发育高度的方法，其步骤如下：
根据短壁块段式采煤工艺特点及覆岩移动特征，得出影响短壁块段式采煤导水裂隙带 发育高度的主控因素分别为为采高m、块段间保护煤柱宽度l以及块段长度L(因为在特 定的地质条件下，各煤岩层的埋深是一定的，所以可以忽略埋深产生的影响)。
步骤1.确定回采范围，并对回采范围内的煤层上覆岩层进行取样实验，采集煤岩体 物理力学参数：厚度、弹性模量、抗拉强度、抗压强度、泊松比、粘聚力和内摩擦角。
步骤2.借助3DEC数值模拟软件(三维离散元数值分析软件)，基于采集的煤岩体物理力学参数，模拟块段间保护煤柱宽度l及块段长度L不变、采高m变化条件下导水裂隙带高度h变化(采高m与导水裂隙带高度的对应关系)；模拟采高m及块段长度L不变、块段 间保护煤柱宽度l化条件下导水裂隙带高度h的变化(块段间保护煤柱宽度l与导水裂隙带 高度h的对应关系)；模拟采高m及块段间保护煤柱宽度l不变、块段长度L变化条件下导 水裂隙带高度h的变化(块段长度L与导水裂隙带高度h的对应关系)。
步骤3.根据步骤2模拟结果，基于非线性回归分析方法，采用MATLAB软件对各主控因素与导水高度的关系进行多元非线性回归分析，得到块段式采煤导水裂隙带高度的预测模型为：h＝am-bl+clnL-d；其中a、b、c、d为公式系数，ln为对数符号。
步骤4.将短壁块段式采煤工艺中的实际采高m、块段间保护煤柱宽度l以及块段长度 代入预测模型，计算出短壁块段式采煤覆岩导水裂隙带的发育高度h。
有益效果：本发明的短壁块段式采煤覆岩导水裂隙带发育高度预测方法，在进行实际 的应用时，具有更好的针对性与更强的准确性，特别是在预测短壁块段式采煤覆岩导水裂 隙带发育高度时，只需采集到采高m，块段间隔离保护煤柱宽度l以及块段长度L的具体数 据(工作面参数)，借助建立好的预测模型，就能较为准确的预测出块段式采煤导水裂隙 带的发育高度h。此方法为准确预测短壁块段式采煤覆岩导水裂隙带的发育高度提供参考， 为生态环境与水资源的保护提供保障，大大提高了煤炭资源的回收率。而且此预测方法简 单易行，操作成本低，准确性高，因此具有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明短壁块段式采煤覆岩导水裂隙带发育高度预测方法流程图
图2为本发明短壁块段式采煤数值计算模型
图3为本发明短壁块段式采煤工作面布置平面图
图4为本发明短壁块段式采煤采高—导水裂隙带发育高度曲线图
图5为本发明短壁块段式采煤保护煤柱宽度—导水裂隙带发育高度曲线图
图6为本发明短壁块段式采煤块段长度—导水裂隙带发育高度曲线图
附图标记说明
l—隔离保护煤柱宽度；W—采宽；
1—辅助运输巷；2—运输巷；3—联络巷；4—回收煤柱；5—采硐间保护煤柱；6—采硐；
7—支巷；8—块段间隔离保护煤柱。
具体实施方法
下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。
实施例：某矿应用实例。
确定该矿回采范围约为32400m2，拟采用2个块段进行回收，并对煤岩体进行取样，通过岩石力学实验，得到该矿回采范围内煤岩层的物理力学参数，具体见表1。
表1
以上述该矿回采范围内煤岩层的物理力学参数为基础，借助离散元数值模拟软件3DEC 建立数值计算模型，模型如图2所示。
基本模型长×高为270m×110m，开挖边界预留50m；模型两侧约束水平方向位移，底 部约束垂直方向位移；采用莫尔-库伦模型，模型上方施加0.56MPa的均布载荷。先模拟块段间保护煤柱宽度l及块段长度L不变、采高m变化条件下导水裂隙带高度h；再模拟采 高m及块段长度L不变、块段间保护煤柱宽度l化条件下导水裂隙带高度h；最后模拟采高m 及块段间保护煤柱宽度l不变、块段长度L变化条件下导水裂隙带高度h，具体模拟方案见 表2。
表2
(4)根据数值模拟结果，基于非线性回归分析方法，采用MATLAB软件对各主控因素与块段式采煤导水裂隙带高度的关系进行多元非线性回归分析，得到块段式采煤导水裂隙带高度的预测模型为：h＝2.8m-0.3l+32.6lnL-96.8；h为导水裂隙带的高度，m为采 高，l为块段间隔离保护煤柱宽度，L为块段长度。其相关数学统计学参数见表3，其中R 代表相关性系数，R2代表决定性系数。
表3
(5)将该矿实际工程现场中的采高m＝4m、块段间隔离保护煤柱l＝10m以及块段长度 L＝70m代入到公式中，计算出短壁块段式采煤覆岩导水裂隙带的发育高度h＝49.9m。

Claims (1)

1.一种预测短壁块段式采煤导水裂隙带发育高度的方法，其步骤如下：
步骤1.确定回采范围，并对回采范围内的煤层上覆岩层进行取样实验，采集煤岩体物理力学参数：厚度、弹性模量、抗拉强度、抗压强度、泊松比、粘聚力和内摩擦角；
步骤2.借助3DEC数值模拟软件，基于采集的煤岩体物理力学参数，模拟块段间保护煤柱宽度l及块段长度L不变、采高m变化条件下导水裂隙带高度h变化，确定采高m与导水裂隙带高度的对应关系；模拟采高m及块段长度L不变、块段间保护煤柱宽度l化条件下导水裂隙带高度h的变化，确定块段间保护煤柱宽度l与导水裂隙带高度h的对应关系；模拟采高m及块段间保护煤柱宽度l不变、块段长度L变化条件下导水裂隙带高度h的变化，确定块段长度L与导水裂隙带高度h的对应关系；
步骤3.根据步骤2模拟结果，基于非线性回归分析方法，采用MATLAB软件进行多元非线性回归分析，得到块段式采煤导水裂隙带高度的预测模型：
h＝am-bl+clnL-d
其中a、b、c、d为公式系数，ln为对数符号；
步骤4.将短壁块段式采煤工艺中的实际采高m、块段间保护煤柱宽度l以及块段长度L代入预测模型，计算出短壁块段式采煤覆岩导水裂隙带的发育高度h。
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