本發(fā)明涉及礦業(yè)工程領(lǐng)域，尤其涉及一種近距離煤層組(群)兩帶高度計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

煤炭是我國目前最重要的一次性能源，然而我國多構(gòu)造板塊多序次的地層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致煤田地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，煤層組(群)位于含水層下的情況十分普遍，比如徐州大屯礦區(qū)姚橋煤礦的新東四采區(qū)主采的7、8號(hào)煤在露頭區(qū)距離松散層最小煤巖柱僅18m左右；淮北礦業(yè)集團(tuán)海孜煤礦西風(fēng)井83采區(qū)主采8煤、10煤面臨著將開采上限提高到-220m(巖柱高度僅有19余米)的技術(shù)難題。留設(shè)保護(hù)煤柱是實(shí)現(xiàn)近水體下安全開的主要技術(shù)途徑，而導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶(簡稱“兩帶”)高度是留設(shè)保護(hù)煤柱至關(guān)重要的參數(shù)。因此，合理預(yù)計(jì)近距離煤層組(群)重復(fù)采動(dòng)條件下的“兩帶”破壞高度對(duì)于我國實(shí)現(xiàn)水體下高效、安全、綠色開采具有重要意義。

然而，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于近距離煤層組(群)“兩帶”發(fā)育高度的研究并不透徹，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(2000年版)(以下簡稱《三下采煤規(guī)程》)中對(duì)于近距離煤層組(群)覆巖破壞高度預(yù)計(jì)的方法存在嚴(yán)重漏洞。《三下采煤規(guī)程》附錄六“近水體采煤的安全煤巖柱設(shè)計(jì)方法”第一節(jié)第(四)部分的第(2)條是這樣規(guī)定的：下層煤的垮落帶接觸到或完全進(jìn)入上層煤范圍內(nèi)時(shí)，上層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度采用本層煤的開采厚度計(jì)算，下層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度，則應(yīng)采用上、下層煤的綜合開采厚度計(jì)算，取其中標(biāo)高最高者為兩層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度。上、下層煤的綜合開采厚度可按以下公式計(jì)算。

式中，M₁——上層煤開采厚度；M₂——下層煤開采厚度；h_1-2——上、下層煤之間的法線距離；y₂——下層煤的垮高與采厚之比。

以上規(guī)定存在2個(gè)漏洞：

(1)綜合采厚M_Z計(jì)算公式在某些條件下計(jì)算結(jié)果不合理

近距離煤層組(群)下組煤開采時(shí)，綜合采厚M_Z的計(jì)算結(jié)果應(yīng)大于等于即將開采煤層(以下統(tǒng)稱為“目標(biāo)煤層”)單層采厚，從而保證受重復(fù)采動(dòng)覆巖的“兩帶”發(fā)育高度不小于目標(biāo)煤層按照單一煤層開采計(jì)算的結(jié)果，以確保安全。而《三下采煤規(guī)程》中M_Z的計(jì)算公式由于“–h_1-2/y₂”的緣故，在h_1-2偏大的情況下，計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)M_Z比目標(biāo)煤層單層采厚還小的情況，顯然是不合理的。以開采2層煤為例，表1為我國某些礦區(qū)實(shí)際地質(zhì)資料計(jì)算得到的M_Z結(jié)果。

表1綜合采厚M_Z公式計(jì)算結(jié)果的合理性情況表

由表1可知，當(dāng)上下兩煤層間距h偏小時(shí)，M_Z計(jì)算結(jié)果是合理或近似合理的；而當(dāng)煤層間距h偏大，尤其是h偏大并接近下煤層垮落帶高度時(shí)，M_Z的計(jì)算結(jié)果是與采厚M₁相近的，此時(shí)，當(dāng)M₁小于M₂較多時(shí)，M_Z的計(jì)算結(jié)果明顯偏小，是不合理的。當(dāng)M_Z計(jì)算結(jié)果偏小時(shí)，即便按照《三下采煤規(guī)程》中“取其中標(biāo)高最高者為兩層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度”原則，計(jì)算得到的目標(biāo)煤層導(dǎo)水裂縫帶高度也是偏小的，以案例二中數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果畫出“兩帶”發(fā)育形態(tài)，見圖1。

由圖1可以看出，以綜合采厚M_Z計(jì)算的“兩帶”高度比以采厚M₂單獨(dú)計(jì)算結(jié)果還小的多，明顯不合理，而實(shí)際“兩帶”發(fā)育程度可能會(huì)更高，這樣會(huì)導(dǎo)致近距離煤層的“兩帶”計(jì)算高度偏小，造成開采安全性降低。

(2)《三下采煤規(guī)程》中并沒有給出三層煤或更多層煤的“兩帶”計(jì)算方法

實(shí)踐證明，三層或是更多層近距離煤層組(群)的開采也是十分普遍的，比如吉林某礦水體下近距離多煤層開采，需預(yù)計(jì)礦井4、5、6、7號(hào)煤層的“兩帶”高度以留設(shè)防水安全煤巖柱。當(dāng)三層甚至更多層煤層開采留設(shè)安全煤巖柱時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員無法按照《三下采煤規(guī)程》操作的，將面臨無據(jù)可依的困境。當(dāng)多層近距離煤層組(群)開采時(shí)，其“兩帶”高度預(yù)計(jì)原理與兩層煤是相近的，但由于其復(fù)雜性，計(jì)算過程中極易出錯(cuò)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏小，從而造成安全隱患甚至事故，因此，對(duì)于三層甚至更多層近距離煤層組(群)的“兩帶”高度計(jì)算方法急需得到明確。

鑒于以上原因，本發(fā)明首先明確了近距離煤層組(群)概念和分類，然后提出新的綜合采厚計(jì)算公式，最后提出近距離煤層組(群)“兩帶”高度的計(jì)算方法，從而修正并完善了近距離煤層組(群)“兩帶”高度計(jì)算方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是提供一種近距離煤層組(群)兩帶高度計(jì)算方法，能夠方便、較準(zhǔn)確的計(jì)算煤層組(群)的“兩帶”高度，以保證水體下安全采煤。

本發(fā)明的目的是通過以下方案實(shí)現(xiàn)的：

一種近距離煤層組(群)“兩帶”高度計(jì)算方法，該方法包括：

(1)近距離煤層組(群)的概念與分類

本發(fā)明中的近距離煤層組(群)概念為：根據(jù)上下煤層間距h(上下煤層間的垂直距離)與下煤層采厚M和其垮落帶高度H_k三者之間的定量關(guān)系，滿足h≤H_k條件的一組傾角不大于55°(近水平、緩斜、中斜)的煤層。

根據(jù)h是否大于M又將近距離煤層組(群)劃分為較近距離和極近距離：

a.較近距離：M<h≤H_k；b.極近距離：0≤h≤M。

近距離煤層組(群)最上一層煤稱為頂煤層(用M₁表示)，頂煤層下方即將開采某一特定煤層為目標(biāo)煤層(用M_i表示，i>1)，本發(fā)明近距離煤層組(群)的部分參數(shù)可見圖2所示，而其分類判別可見圖3。

(2)近距離煤層組(群)綜合采厚M_Z計(jì)算方法

①較近距離

對(duì)于近距離煤層組(群)中的較近距離，目標(biāo)煤層M_i的綜合采厚M_zi(i>1)可按下式計(jì)算，

式中，M_Zi-1——第i-1層煤的綜合采厚；y_i——第i層煤的垮采比。

通過公式變換可得：

因?yàn)榫C合采厚M_zi>M_i，所以可得：

根據(jù)大量實(shí)測(cè)垮采比數(shù)據(jù)，出于安全角度和公式計(jì)算方便，y_i值取7，并將綜合采厚M_Zi值取大，可簡化公式為：

②極近距離

對(duì)于近距離煤層組(群)中的極近距離目標(biāo)煤層，由于煤層間距很小，需要考慮煤層開采后覆巖是否充分壓實(shí)，即考慮時(shí)間因素。

當(dāng)M_i(i>1)煤層開采并且其上方地層未充分壓實(shí)時(shí)(未達(dá)到充分采動(dòng))，M_i煤層的綜合采厚可以看作M_i煤層及上方煤層的采厚之和，即

M_Zi＝M₁+M₂+···+M_i＝ΣM_i

(5)

當(dāng)M_i-1(i>1)煤層開采后相當(dāng)長一段時(shí)間后第M_i煤層才進(jìn)行開采，則M_i-1煤層及上方煤層開采后上覆巖層充分壓實(shí)，且破碎頂板對(duì)于M_i煤層開采后“兩帶”高度發(fā)育是有一定的抑制作用的，綜合采厚M_zi需要在公式(5)基礎(chǔ)上進(jìn)行折減，此時(shí)可以采用公式(4)來計(jì)算。

需要注意的是：第M_i煤層開采與第M_i-1煤層開采的時(shí)間間隔與煤層組(群)的煤層編號(hào)無關(guān)，考慮地層移動(dòng)變形規(guī)律，時(shí)間間隔以半年區(qū)分，半年以內(nèi)為地層未穩(wěn)定狀態(tài)，半年以上為地層穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上，近距離煤層組(群)綜合采厚計(jì)算方法為：

較近距離：M_i＜h_i-1≤H_ki

極近距離：0≤h_i-1≤M_i

(3)近距離煤層組(群)“兩帶”高度計(jì)算方法

研究表明，煤層開采后，“兩帶”發(fā)育高度的影響因素主要有采厚、工作面斜長、傾角、采深、頂板類型、開采方法、采動(dòng)時(shí)間等，但開采空間和采動(dòng)時(shí)間是其主控因素。為最大限度的與《三下采煤規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定保持兼容性，本發(fā)明近距離煤層組(群)“兩帶”高度計(jì)算公式中參數(shù)采用采厚M和采動(dòng)時(shí)間間隔(以半年為分界點(diǎn))作為僅有變量。其計(jì)算原則如下：當(dāng)目標(biāo)煤層為頂分層時(shí)，按照單一煤層選用《三下采煤規(guī)程》中的相關(guān)公式單獨(dú)計(jì)算；當(dāng)目標(biāo)煤層為采空區(qū)以下某一煤層時(shí)，根據(jù)近距離煤層組(群)的分類和采動(dòng)時(shí)間間隔因素，先選取相應(yīng)的綜合采厚公式計(jì)算M_zi，再以綜合采厚M_zi按單一煤層來計(jì)算“兩帶”高度。

本發(fā)明近距離煤層組(群)“兩帶”高度預(yù)計(jì)公式直接選用《三下采煤規(guī)程》與《煤礦防治水手冊(cè)》中現(xiàn)有的“兩帶”高度公式，《三下采煤規(guī)程》和《煤礦防治水手冊(cè)》如有更新，則按照最新版本中最新公式和相關(guān)規(guī)定選用。公式選取特征為：傾角不大于55°的單一煤層，覆巖巖性為堅(jiān)硬、中硬、軟弱和極軟，并以采厚3m為分界線，煤層采厚不大于3m(M≤3m)選取2000版《三下采煤規(guī)程》附錄六中厚煤層分層開采“兩帶”高度預(yù)計(jì)公式，煤層采厚大于3m但不大于12m(3m<M≤12m)選取《煤礦防治水手冊(cè)》中綜放開采“兩帶”高度中國礦業(yè)大學(xué)(北京)公式和唐山煤科院公式。具體計(jì)算公式見下表2。

表2 55°及以下傾角單一煤層“兩帶”高度計(jì)算公式(單位：m)

注：M——有效采厚；計(jì)算公式中±號(hào)項(xiàng)為中誤差；對(duì)于中厚及厚煤層極軟弱覆巖“兩帶”高度預(yù)計(jì)公式無經(jīng)驗(yàn)公式可依的情況，可采用軟弱覆巖“兩帶”高度計(jì)算公式代替；《三下采煤規(guī)程》和《煤礦防治水手冊(cè)》如有更新，以最新版本中相關(guān)規(guī)定為準(zhǔn)。

近距離煤層組(群)“兩帶”高度具體計(jì)算過程如下：

頂煤層M₁直接按照表2中選取相應(yīng)公式計(jì)算“兩帶”高度，公式如下。

(H_k/li)₁＝H_k/li(M₁) (7)

目標(biāo)煤層M_i以求取的綜合采厚M_zi按照表2中選取相應(yīng)公式計(jì)算“兩帶”高度，公式如下。

(H_k/li)_i＝H_k/li(M_zi) (8)

目標(biāo)煤層以綜合采厚M_zi計(jì)算的“兩帶”高度都是以自身頂板為起點(diǎn)算起，而近距離煤層組(群)目標(biāo)煤層的“兩帶”高度為頂煤層和所有已采目標(biāo)煤層綜合采厚計(jì)算“兩帶”高度中的標(biāo)高最高者，目標(biāo)煤層的“兩帶”高度公式如下。

(H_k/li)_imax＝max[(H_k/li)₁,(H_k/li)₂-M₁-h₁,···,(H_k/li)_i-Σ(M_i-1+h_i-1)] (9)

注：(H_k/li)_imax從頂煤層的頂板算起。

下面以兩層煤為例，其“兩帶”高度標(biāo)高可見圖4。由圖可以看出，近距離煤層組(群)開采M₂煤層的“兩帶”高度分別為(H_k)_2max和(H_li)_2max。

綜上所述，本發(fā)明的近距離煤層組(群)“兩帶”高度計(jì)算方法的流程可見圖5。

與現(xiàn)有開采方法相比，本發(fā)明提出的近距離煤層組(群)“兩帶”高度計(jì)算方法，對(duì)近距離煤層組(群)進(jìn)行了明確分類，針對(duì)《三下采煤規(guī)程》中計(jì)算方法的不足，提出了不同條件下綜合采厚的計(jì)算公式，以及兩層煤以上的煤層組(群)的“兩帶”高度計(jì)算過程，對(duì)于更加準(zhǔn)確的確定近距離煤層組“兩帶”高度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，為近距離煤層組“兩帶”高度計(jì)算方法的選取提供參考與依據(jù)。

附圖說明

圖1案例二“兩帶”發(fā)育形態(tài)圖

圖2近距離煤層組(群)參數(shù)圖

圖3近距離煤層組(群)分類判別圖

圖4近距離煤層組(群)“兩帶”高度取值標(biāo)高圖

圖5近距離煤層組(群)“兩帶”高度計(jì)算方法流程圖

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合近距離煤層組(群)兩層煤案例一、案例四與三層煤案例為具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不僅限于以下舉例。

本發(fā)明具體計(jì)算方法步驟如下：

(1)案例一計(jì)算

根據(jù)資料，某礦7煤煤層采厚4.49m，8煤煤層采厚5.7m，兩煤層垂直間距為12.5m，煤層傾角為21.6°，覆巖巖性為中硬，實(shí)測(cè)7、8煤導(dǎo)水裂縫帶高度為84.74m。

判斷7、8煤煤層組的類型：

煤層間距h＝12.5m，8煤煤層的垮落帶高度按表1中相應(yīng)公式計(jì)算可得m>12.5m，即并且所以8煤屬于近距離煤層組(群)中較近距離。

由于只有實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度，所以這里只計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶高度作比較。

計(jì)算頂煤層7煤的導(dǎo)水裂縫帶高度：

頂煤層“兩帶”高度直接以采厚按單一煤層計(jì)算，選取表2中相應(yīng)公式，計(jì)算可得：

計(jì)算目標(biāo)煤層8煤的導(dǎo)水裂縫帶高度：

先計(jì)算8煤煤層的綜合采厚：

選取近距離煤層組(群)較近距離綜合采厚公式計(jì)算可得：

若采用《三下采煤規(guī)程》中近距離煤層綜合采厚公式M_z1-2＝M₂+(M₁–h_1-2/y)，計(jì)算可得：

目標(biāo)煤層8煤以綜合采厚M_z8煤按表2中相應(yīng)公式計(jì)算的導(dǎo)水裂縫帶高度為：

目標(biāo)煤層8煤若采用《三下采煤規(guī)程》綜合采厚計(jì)算的導(dǎo)水裂縫帶高度為：

目標(biāo)煤層8煤的導(dǎo)水裂縫帶高度取標(biāo)高最高者：

(H_li)_8煤max＝max[H_li7煤,H_li8煤-M_7煤-h]

＝max[(55.79+11.49),(95.82+11.49)-4.49-12.5]

＝(78.83+11.49)m

若采用《三下采煤規(guī)程》目標(biāo)煤層8煤的導(dǎo)水裂縫帶高度取標(biāo)高最高者：

(H_li)_8煤max＝max[H_li7煤,H_li8煤-M_7煤-h]

＝max[(55.79+11.49),(86.6+11.49)-4.49-12.5]

＝(69.61+11.49)m

與實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度進(jìn)行比較，見下表3。

表3 7、8煤層組計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶高度與實(shí)測(cè)對(duì)比表

由上表可以看出按本發(fā)明方法計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶的結(jié)果與實(shí)測(cè)值較接近，與實(shí)際結(jié)果較吻合，并且計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值，取值較大相對(duì)更安全。

(2)案例四計(jì)算

根據(jù)資料，某礦71煤層(M₇₁)采厚2.5m，72煤層(M₇₂)采厚1.4m，兩煤層垂直間距為3m，煤層傾角為15°，覆巖巖性為中硬，實(shí)測(cè)煤層垮落帶高度12.6m，導(dǎo)水裂縫帶高度為41.2m。

判斷71、72煤層組的類型：

煤層間距h＝3m，M₇₂＝1.4m，72煤層的垮落帶高度H_k72按表1中相應(yīng)公式計(jì)算可得H_k72＝(5.47+2.2)m>3m，即H_k72>h，并且h>M₇₂，所以72煤層屬于近距離煤層組(群)中較近距離。

71、72煤層的“兩帶高度”計(jì)算可參照上(1)中案例一導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算過程，其計(jì)算結(jié)果，并與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比見下表4。

表4 71、72煤層組計(jì)算“兩帶”高度與實(shí)測(cè)對(duì)比表

由上表可以看出，按本發(fā)明“兩帶”高度計(jì)算方法與《三下采煤規(guī)程》中計(jì)算方法的結(jié)果都與實(shí)測(cè)值相接近，說明兩種計(jì)算方法都可行。

對(duì)于72煤層的綜合采厚的計(jì)算：

選取近距離煤層組(群)較近距離綜合采厚公式計(jì)算可得：

若采用《三下采煤規(guī)程》中近距離煤層綜合采厚公式M_z1-2＝M₂+(M₁–h_1-2/y)，計(jì)算可得：

可見，當(dāng)煤層間距h較小時(shí)，本發(fā)明中綜合采厚公式計(jì)算值與《三下采煤規(guī)程》綜合采厚公式計(jì)算值很接近，因此兩種方法的“兩帶”高度計(jì)算結(jié)果也接近。

通過案例一與案例四的計(jì)算結(jié)果比較，當(dāng)煤層間距h較小時(shí)，本發(fā)明綜合采厚計(jì)算方法中與《三下采煤規(guī)程》中計(jì)算方法都相對(duì)合理，隨著煤層間距的變大，本發(fā)明方法更合理。

(3)近距離煤層組(群)三層煤“兩帶”高度計(jì)算

根據(jù)資料，某礦4#煤層(M_4#)采厚3.3m，5#煤層(M_5#)采厚4.7m，6#煤層(M_6#)采厚4.1m，4#、5#煤層間距(h_4-5)為6m，5#、6#煤層間距(h_5-6)為3m，覆巖巖性為中硬，煤層傾角8°。由于無實(shí)測(cè)“兩帶”數(shù)據(jù)，下面只描述用本發(fā)明計(jì)算方法對(duì)三層煤“兩帶”高度的計(jì)算過程，如下。

判斷4#、5#、6#煤層組的類型：

M_4#＝3.3m，M_5#＝4.7m，M_6#＝4.1m，h_4-5＝6m，h_5-6＝3m，由于煤層間距明顯小于下煤層的垮落帶高度，4#、5#、6#煤層屬于近距離煤層組(群)，并且h_4-5>M_5#，h_5-6<M_6#，所以5#煤層屬于近距離煤層組(群)較近距離煤層，6#屬于近距離煤層組(群)極近距離煤層。

計(jì)算頂煤層4#煤層的“兩帶”高度：

頂煤層“兩帶”高度直接以采厚按單一煤層計(jì)算，選取表2中相應(yīng)公式，計(jì)算可得：

計(jì)算目標(biāo)煤層5#煤層的“兩帶”高度：

先計(jì)算5#煤層的綜合采厚，選取較近距離綜合采厚公式計(jì)算得：

選取表2中相應(yīng)公式，以綜合采厚M_z5#計(jì)算5#煤層的“兩帶”高度為：

5#煤層的“兩帶”高度取4#、5#煤層“兩帶”高度標(biāo)高最高者，如下：

(H_k)_5#max＝max[H_k4#,H_k5#-M_4#-h_4-5]

＝max[(15.91+4.71),(32.53+4.71)-3.3-6]

＝(23.23+4.71)m

(H_li)_5#max＝max[H_li4#,H_li5#-M_4#-h_4-5]

＝max[(42.65+11.49),(84.05+11.49)-3.3-6]

＝(74.75+11.49)m

所以當(dāng)5#煤層開采后，近距離煤層組(群)的垮落帶高度為(23.23+4.71)m，導(dǎo)水裂縫帶高度為(74.75+11.49)m。

計(jì)算目標(biāo)煤層6#煤層的“兩帶”高度：

先計(jì)算6#煤層的綜合采厚，選取極近距離、采動(dòng)時(shí)間間隔半年外的綜合采厚公式計(jì)算得：

選取表2中相應(yīng)公式，以綜合采厚M_z6#計(jì)算6#煤層的“兩帶”高度為：

6#煤層的“兩帶”高度取4#、5#、6#煤層“兩帶”高度標(biāo)高最高者，如下：

(H_k)_6#max＝max[H_k4#,H_k5#-M_4#-h_4-5,H_k6#-M_4#-h_4-5-M_5#-h_5-6]

＝max[(15.91+4.71),(32.53+4.71)-3.3-6,(44.91+4.71)-3.3-6-4.7-3]

＝(27.91+4.71)m

(H_li)_6#max＝max[H_li4#,H_li5#-M_4#-h_4-5,H_li6#-M_4#-h_4-5-M_5#-h_5-6]

＝max[(42.65+11.49),(84.05+11.49)-3.3-6,(113.01+11.49)-3.3-6-4.7-3]

＝(96.01+11.49)m

所以當(dāng)6#煤層開采后，近距離煤層組(群)的垮落帶高度為(27.91+4.71)m，導(dǎo)水裂縫帶高度為(96.01+11.49)m。

同理，近距離煤層組(群)三層煤以上“兩帶”高度都可按照上述三層煤過程繼續(xù)計(jì)算，本發(fā)明填補(bǔ)了我國近距離煤層組(群)多層煤“兩帶”高度計(jì)算方法的空白。