一种近距离煤层组(群)两带高度计算方法与流程

本发明涉及矿业工程领域，尤其涉及一种近距离煤层组(群)两带高度计算方法。

背景技术：

煤炭是我国目前最重要的一次性能源，然而我国多构造板块多序次的地层结构导致煤田地质条件复杂多样，煤层组(群)位于含水层下的情况十分普遍，比如徐州大屯矿区姚桥煤矿的新东四采区主采的7、8号煤在露头区距离松散层最小煤岩柱仅18m左右；淮北矿业集团海孜煤矿西风井83采区主采8煤、10煤面临着将开采上限提高到-220m(岩柱高度仅有19余米)的技术难题。留设保护煤柱是实现近水体下安全开的主要技术途径，而导水裂缝带和垮落带(简称“两带”)高度是留设保护煤柱至关重要的参数。因此，合理预计近距离煤层组(群)重复采动条件下的“两带”破坏高度对于我国实现水体下高效、安全、绿色开采具有重要意义。

然而，国内外学者对于近距离煤层组(群)“两带”发育高度的研究并不透彻，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(2000年版)(以下简称《三下采煤规程》)中对于近距离煤层组(群)覆岩破坏高度预计的方法存在严重漏洞。《三下采煤规程》附录六“近水体采煤的安全煤岩柱设计方法”第一节第(四)部分的第(2)条是这样规定的：下层煤的垮落带接触到或完全进入上层煤范围内时，上层煤的导水裂缝带最大高度采用本层煤的开采厚度计算，下层煤的导水裂缝带最大高度，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缝带最大高度。上、下层煤的综合开采厚度可按以下公式计算。

式中，M₁——上层煤开采厚度；M₂——下层煤开采厚度；h_1-2——上、下层煤之间的法线距离；y₂——下层煤的垮高与采厚之比。

以上规定存在2个漏洞：

(1)综合采厚M_Z计算公式在某些条件下计算结果不合理

近距离煤层组(群)下组煤开采时，综合采厚M_Z的计算结果应大于等于即将开采煤层(以下统称为“目标煤层”)单层采厚，从而保证受重复采动覆岩的“两带”发育高度不小于目标煤层按照单一煤层开采计算的结果，以确保安全。而《三下采煤规程》中M_Z的计算公式由于“–h_1-2/y₂”的缘故，在h_1-2偏大的情况下，计算结果会出现M_Z比目标煤层单层采厚还小的情况，显然是不合理的。以开采2层煤为例，表1为我国某些矿区实际地质资料计算得到的M_Z结果。

表1综合采厚M_Z公式计算结果的合理性情况表

由表1可知，当上下两煤层间距h偏小时，M_Z计算结果是合理或近似合理的；而当煤层间距h偏大，尤其是h偏大并接近下煤层垮落带高度时，M_Z的计算结果是与采厚M₁相近的，此时，当M₁小于M₂较多时，M_Z的计算结果明显偏小，是不合理的。当M_Z计算结果偏小时，即便按照《三下采煤规程》中“取其中标高最高者为两层煤的导水裂缝带最大高度”原则，计算得到的目标煤层导水裂缝带高度也是偏小的，以案例二中数据的计算结果画出“两带”发育形态，见图1。

由图1可以看出，以综合采厚M_Z计算的“两带”高度比以采厚M₂单独计算结果还小的多，明显不合理，而实际“两带”发育程度可能会更高，这样会导致近距离煤层的“两带”计算高度偏小，造成开采安全性降低。

(2)《三下采煤规程》中并没有给出三层煤或更多层煤的“两带”计算方法

实践证明，三层或是更多层近距离煤层组(群)的开采也是十分普遍的，比如吉林某矿水体下近距离多煤层开采，需预计矿井4、5、6、7号煤层的“两带”高度以留设防水安全煤岩柱。当三层甚至更多层煤层开采留设安全煤岩柱时，现场技术人员无法按照《三下采煤规程》操作的，将面临无据可依的困境。当多层近距离煤层组(群)开采时，其“两带”高度预计原理与两层煤是相近的，但由于其复杂性，计算过程中极易出错导致计算结果偏小，从而造成安全隐患甚至事故，因此，对于三层甚至更多层近距离煤层组(群)的“两带”高度计算方法急需得到明确。

鉴于以上原因，本发明首先明确了近距离煤层组(群)概念和分类，然后提出新的综合采厚计算公式，最后提出近距离煤层组(群)“两带”高度的计算方法，从而修正并完善了近距离煤层组(群)“两带”高度计算方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种近距离煤层组(群)两带高度计算方法，能够方便、较准确的计算煤层组(群)的“两带”高度，以保证水体下安全采煤。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种近距离煤层组(群)“两带”高度计算方法，该方法包括：

(1)近距离煤层组(群)的概念与分类

本发明中的近距离煤层组(群)概念为：根据上下煤层间距h(上下煤层间的垂直距离)与下煤层采厚M和其垮落带高度H_k三者之间的定量关系，满足h≤H_k条件的一组倾角不大于55°(近水平、缓斜、中斜)的煤层。

根据h是否大于M又将近距离煤层组(群)划分为较近距离和极近距离：

a.较近距离：M<h≤H_k；b.极近距离：0≤h≤M。

近距离煤层组(群)最上一层煤称为顶煤层(用M₁表示)，顶煤层下方即将开采某一特定煤层为目标煤层(用M_i表示，i>1)，本发明近距离煤层组(群)的部分参数可见图2所示，而其分类判别可见图3。

(2)近距离煤层组(群)综合采厚M_Z计算方法

①较近距离

对于近距离煤层组(群)中的较近距离，目标煤层M_i的综合采厚M_zi(i>1)可按下式计算，

式中，M_Zi-1——第i-1层煤的综合采厚；y_i——第i层煤的垮采比。

通过公式变换可得：

因为综合采厚M_zi>M_i，所以可得：

根据大量实测垮采比数据，出于安全角度和公式计算方便，y_i值取7，并将综合采厚M_Zi值取大，可简化公式为：

②极近距离

对于近距离煤层组(群)中的极近距离目标煤层，由于煤层间距很小，需要考虑煤层开采后覆岩是否充分压实，即考虑时间因素。

当M_i(i>1)煤层开采并且其上方地层未充分压实时(未达到充分采动)，M_i煤层的综合采厚可以看作M_i煤层及上方煤层的采厚之和，即

M_Zi＝M₁+M₂+···+M_i＝ΣM_i

(5)

当M_i-1(i>1)煤层开采后相当长一段时间后第M_i煤层才进行开采，则M_i-1煤层及上方煤层开采后上覆岩层充分压实，且破碎顶板对于M_i煤层开采后“两带”高度发育是有一定的抑制作用的，综合采厚M_zi需要在公式(5)基础上进行折减，此时可以采用公式(4)来计算。

需要注意的是：第M_i煤层开采与第M_i-1煤层开采的时间间隔与煤层组(群)的煤层编号无关，考虑地层移动变形规律，时间间隔以半年区分，半年以内为地层未稳定状态，半年以上为地层稳定状态。

综上，近距离煤层组(群)综合采厚计算方法为：

较近距离：M_i＜h_i-1≤H_ki

极近距离：0≤h_i-1≤M_i

(3)近距离煤层组(群)“两带”高度计算方法

研究表明，煤层开采后，“两带”发育高度的影响因素主要有采厚、工作面斜长、倾角、采深、顶板类型、开采方法、采动时间等，但开采空间和采动时间是其主控因素。为最大限度的与《三下采煤规程》中的相关规定保持兼容性，本发明近距离煤层组(群)“两带”高度计算公式中参数采用采厚M和采动时间间隔(以半年为分界点)作为仅有变量。其计算原则如下：当目标煤层为顶分层时，按照单一煤层选用《三下采煤规程》中的相关公式单独计算；当目标煤层为采空区以下某一煤层时，根据近距离煤层组(群)的分类和采动时间间隔因素，先选取相应的综合采厚公式计算M_zi，再以综合采厚M_zi按单一煤层来计算“两带”高度。

本发明近距离煤层组(群)“两带”高度预计公式直接选用《三下采煤规程》与《煤矿防治水手册》中现有的“两带”高度公式，《三下采煤规程》和《煤矿防治水手册》如有更新，则按照最新版本中最新公式和相关规定选用。公式选取特征为：倾角不大于55°的单一煤层，覆岩岩性为坚硬、中硬、软弱和极软，并以采厚3m为分界线，煤层采厚不大于3m(M≤3m)选取2000版《三下采煤规程》附录六中厚煤层分层开采“两带”高度预计公式，煤层采厚大于3m但不大于12m(3m<M≤12m)选取《煤矿防治水手册》中综放开采“两带”高度中国矿业大学(北京)公式和唐山煤科院公式。具体计算公式见下表2。

表2 55°及以下倾角单一煤层“两带”高度计算公式(单位：m)

注：M——有效采厚；计算公式中±号项为中误差；对于中厚及厚煤层极软弱覆岩“两带”高度预计公式无经验公式可依的情况，可采用软弱覆岩“两带”高度计算公式代替；《三下采煤规程》和《煤矿防治水手册》如有更新，以最新版本中相关规定为准。

近距离煤层组(群)“两带”高度具体计算过程如下：

顶煤层M₁直接按照表2中选取相应公式计算“两带”高度，公式如下。

(H_k/li)₁＝H_k/li(M₁) (7)

目标煤层M_i以求取的综合采厚M_zi按照表2中选取相应公式计算“两带”高度，公式如下。

(H_k/li)_i＝H_k/li(M_zi) (8)

目标煤层以综合采厚M_zi计算的“两带”高度都是以自身顶板为起点算起，而近距离煤层组(群)目标煤层的“两带”高度为顶煤层和所有已采目标煤层综合采厚计算“两带”高度中的标高最高者，目标煤层的“两带”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从顶煤层的顶板算起。

下面以两层煤为例，其“两带”高度标高可见图4。由图可以看出，近距离煤层组(群)开采M₂煤层的“两带”高度分别为(H_k)_2max和(H_li)_2max。

综上所述，本发明的近距离煤层组(群)“两带”高度计算方法的流程可见图5。

与现有开采方法相比，本发明提出的近距离煤层组(群)“两带”高度计算方法，对近距离煤层组(群)进行了明确分类，针对《三下采煤规程》中计算方法的不足，提出了不同条件下综合采厚的计算公式，以及两层煤以上的煤层组(群)的“两带”高度计算过程，对于更加准确的确定近距离煤层组“两带”高度具有重要的现实意义，为近距离煤层组“两带”高度计算方法的选取提供参考与依据。

附图说明

图1案例二“两带”发育形态图

图2近距离煤层组(群)参数图

图3近距离煤层组(群)分类判别图

图4近距离煤层组(群)“两带”高度取值标高图

图5近距离煤层组(群)“两带”高度计算方法流程图

具体实施方式

以下结合近距离煤层组(群)两层煤案例一、案例四与三层煤案例为具体实例对本发明做详细说明，但本发明并不仅限于以下举例。

本发明具体计算方法步骤如下：

(1)案例一计算

根据资料，某矿7煤煤层采厚4.49m，8煤煤层采厚5.7m，两煤层垂直间距为12.5m，煤层倾角为21.6°，覆岩岩性为中硬，实测7、8煤导水裂缝带高度为84.74m。

判断7、8煤煤层组的类型：

煤层间距h＝12.5m，8煤煤层的垮落带高度按表1中相应公式计算可得m>12.5m，即并且所以8煤属于近距离煤层组(群)中较近距离。

由于只有实测导水裂缝带高度，所以这里只计算导水裂缝带高度作比较。

计算顶煤层7煤的导水裂缝带高度：

顶煤层“两带”高度直接以采厚按单一煤层计算，选取表2中相应公式，计算可得：

计算目标煤层8煤的导水裂缝带高度：

先计算8煤煤层的综合采厚：

选取近距离煤层组(群)较近距离综合采厚公式计算可得：

若采用《三下采煤规程》中近距离煤层综合采厚公式M_z1-2＝M₂+(M₁–h_1-2/y)，计算可得：

目标煤层8煤以综合采厚M_z8煤按表2中相应公式计算的导水裂缝带高度为：

目标煤层8煤若采用《三下采煤规程》综合采厚计算的导水裂缝带高度为：

目标煤层8煤的导水裂缝带高度取标高最高者：

(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《三下采煤规程》目标煤层8煤的导水裂缝带高度取标高最高者：

(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

与实测导水裂缝带高度进行比较，见下表3。

表3 7、8煤层组计算导水裂缝带高度与实测对比表

由上表可以看出按本发明方法计算导水裂缝带的结果与实测值较接近，与实际结果较吻合，并且计算值大于实测值，取值较大相对更安全。

(2)案例四计算

根据资料，某矿71煤层(M₇₁)采厚2.5m，72煤层(M₇₂)采厚1.4m，两煤层垂直间距为3m，煤层倾角为15°，覆岩岩性为中硬，实测煤层垮落带高度12.6m，导水裂缝带高度为41.2m。

判断71、72煤层组的类型：

煤层间距h＝3m，M₇₂＝1.4m，72煤层的垮落带高度H_k72按表1中相应公式计算可得H_k72＝(5.47+2.2)m>3m，即H_k72>h，并且h>M₇₂，所以72煤层属于近距离煤层组(群)中较近距离。

71、72煤层的“两带高度”计算可参照上(1)中案例一导水裂缝带高度的计算过程，其计算结果，并与实测结果的对比见下表4。

表4 71、72煤层组计算“两带”高度与实测对比表

由上表可以看出，按本发明“两带”高度计算方法与《三下采煤规程》中计算方法的结果都与实测值相接近，说明两种计算方法都可行。

对于72煤层的综合采厚的计算：

选取近距离煤层组(群)较近距离综合采厚公式计算可得：

若采用《三下采煤规程》中近距离煤层综合采厚公式M_z1-2＝M₂+(M₁–h_1-2/y)，计算可得：

可见，当煤层间距h较小时，本发明中综合采厚公式计算值与《三下采煤规程》综合采厚公式计算值很接近，因此两种方法的“两带”高度计算结果也接近。

通过案例一与案例四的计算结果比较，当煤层间距h较小时，本发明综合采厚计算方法中与《三下采煤规程》中计算方法都相对合理，随着煤层间距的变大，本发明方法更合理。

(3)近距离煤层组(群)三层煤“两带”高度计算

根据资料，某矿4#煤层(M_4#)采厚3.3m，5#煤层(M_5#)采厚4.7m，6#煤层(M_6#)采厚4.1m，4#、5#煤层间距(h_4-5)为6m，5#、6#煤层间距(h_5-6)为3m，覆岩岩性为中硬，煤层倾角8°。由于无实测“两带”数据，下面只描述用本发明计算方法对三层煤“两带”高度的计算过程，如下。

判断4#、5#、6#煤层组的类型：

M_4#＝3.3m，M_5#＝4.7m，M_6#＝4.1m，h_4-5＝6m，h_5-6＝3m，由于煤层间距明显小于下煤层的垮落带高度，4#、5#、6#煤层属于近距离煤层组(群)，并且h_4-5>M_5#，h_5-6<M_6#，所以5#煤层属于近距离煤层组(群)较近距离煤层，6#属于近距离煤层组(群)极近距离煤层。

计算顶煤层4#煤层的“两带”高度：

顶煤层“两带”高度直接以采厚按单一煤层计算，选取表2中相应公式，计算可得：

计算目标煤层5#煤层的“两带”高度：

先计算5#煤层的综合采厚，选取较近距离综合采厚公式计算得：

选取表2中相应公式，以综合采厚M_z5#计算5#煤层的“两带”高度为：

5#煤层的“两带”高度取4#、5#煤层“两带”高度标高最高者，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

所以当5#煤层开采后，近距离煤层组(群)的垮落带高度为(23.23+4.71)m，导水裂缝带高度为(74.75+11.49)m。

计算目标煤层6#煤层的“两带”高度：

先计算6#煤层的综合采厚，选取极近距离、采动时间间隔半年外的综合采厚公式计算得：

选取表2中相应公式，以综合采厚M_z6#计算6#煤层的“两带”高度为：

6#煤层的“两带”高度取4#、5#、6#煤层“两带”高度标高最高者，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

所以当6#煤层开采后，近距离煤层组(群)的垮落带高度为(27.91+4.71)m，导水裂缝带高度为(96.01+11.49)m。

同理，近距离煤层组(群)三层煤以上“两带”高度都可按照上述三层煤过程继续计算，本发明填补了我国近距离煤层组(群)多层煤“两带”高度计算方法的空白。