近距离多煤层重复采动“两带”高度预计方法改进

0 引 言

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质构造运动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煤、8煤在露头区距离松散层最小煤岩柱仅18m左右；榆神矿区小保当煤矿在萨拉乌苏组孔隙潜水层下开采2-2、3-1、4-2、5-2等多组煤层。同时，我国新疆和内蒙古等部分矿区存在着巨厚甚至超巨厚煤层，如新疆准东煤田单层煤厚可达80 m，平均厚度43 m；内蒙古锡林郭勒盟白音华煤矿的一煤层单层平均厚度25.62 m。无论是煤层组开采还是厚煤层分层开采，都属于覆岩重复扰动范畴。如何在复杂埋藏地质条件下安全高效地采出水体下的煤炭资源，是我国诸多矿区亟需解决的现实问题。

留设保护煤柱是实现近水体下安全开采的主要技术途径，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。由于地质条件的复杂性和开采方法的多样性，“两带”发育规律是学者们研究的长久课题。我国单一煤层开采覆岩破坏“两带”发育规律研究基本成熟，并写进了《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[1](以下简称《三下采煤规范》)，但《三下采煤规范》中并没有明确给出近距离煤层组(群)开采的“两带”高度预计方法。近距离煤层组(群)开采的“两带”预计方法在原《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[2](以下简称《三下采煤规程》)中有所介绍，但《三下采煤规程》中近距离煤层组(群)开采后的“两带”发育高度预计方法存在明显的缺陷和不足：部分条件下计算结果不合理，且缺少3层及以上煤层“两带”预计方法。

采动裂缝在充分采动之后，部分裂缝由于受到重新分布的应力作用而闭合；破断岩石不具有短时间内胶结“愈合”的能力，下煤层开采的重复扰动会使得原有裂缝再次开裂。因此，近距离煤层组(群)重复开采后的导水裂缝带发育标高大于等于原导水裂缝带发育标高。采动条件下的“两带”高度更不是上下两层煤覆岩破坏高度的叠加，也不能利用安全系数进行简单的加成[3]，国内学者对此做了许多基础工作并取得了许多有益结论。许延春等[4]对大屯矿区7煤、8煤近距离厚煤层组下组煤(8煤)开采后的“两带”进行了实测研究，发现了受到7煤底板破坏等因素影响，8煤开采导水裂缝带高度比预测值高出52%；夏筱红等[5]研究了多煤层开采采动影响和岩层断裂机理，得出多煤层同采岩层移动参数和应力分布参数；孔杰等[6]认为采动裂隙会随着时间推移部分闭合，使得导水裂缝带高度降低。王文学等[7]研究了煤层开采15年后的覆岩裂隙闭合效应，研究发现开采后的覆岩岩块平均强度比开采前降低了约20%，处于“潜塑”状态，重复开采覆岩类型应按软弱类型考虑；文献[8-11]研究了现场实测的近距离煤层开采覆岩破坏分布规律；余学义等[12]现场实测了特厚煤层分层综放重复采动时覆岩破坏区分布规律。然而，以上近距离煤层组(群)“两带”发育高度的研究多为个例研究，对实测结果分析也仅仅停留在定性描述和简单的定量对比层面。

1 现有规范存在不足

《三下采煤规程》附录六中“近距离煤层垮落带和导水裂缝带高度的计算”一节描述如下：“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(Hli1)采用本层煤的开采高度计算，下层煤的导水裂缝带最大高度(Hli2)应采用上、下层煤的综合开采高度计算，最后取其标高最高者为两层煤的导水裂缝带最大高度。上、下层煤的综合开采高度MZ可按公式(1)计算。

 

(1)

式中：M1为上层煤开采高度；M2为下层煤开采高度；h1-2为上、下层煤之间的法线距离；y2为下层煤的垮高与采高之比。

以上规定存在2个不足处：

1)综合采高MZ计算公式在某些条件下计算结果不合理。计算的综合采高MZ应大于等于即将开采煤层的单层厚度，以确保安全。《三下采煤规程》中对式(1)，计算，不同M1、M2和h1-2厚度组合条件下，综合采高存在以下不合理情况：由于“-h1-2/y2”此项的缘故，在h1-2偏大的情况下，MZ计算结果比M2单层采高还小。以开采2层煤为例，表1为我国部分煤矿实际开采条件计算得到的MZ结果。

 

表1 综合采高MZ公式计算结果Table 1 Results of calculated formulas ofcomposite mining height

  

参数M1M2案例四M14.492.505.002.50M25.705.505.001.40h1-212.5024.08.003.0y25.005.005.004.00MZ=M2+(M1-h1-2/y2)7.693.28.403.15MZ与M2关系MZ>M2MZM2MZ>M2合理性合理不合理合理合理

由表1可知，当上下两煤层间距h1-2偏小时，MZ计算结果近似合理；而当h1-2偏大，尤其当h1-2接近下煤层垮落带高度时，计算的MZ与采高M1相近，此时，若M1远小于M2，MZ的计算结果明显偏小，不合理。当计算MZ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，预计的目标煤层导水裂缝带高度仍然偏小。取导水裂缝带高度与采高之比(裂采比)为10，以案例二中数据的计算结果描绘导水裂缝带发育形态，如图1所示。

教师讲解阶段是教学的第一阶段，主要是指对分割后知识点进行讲解，这一阶段的和谐课堂教学工作应在课堂开始后前15分钟进行，而且讲解工作必须做到细致、充分。仍以乘法口诀为例，将乘法口诀分割完毕后，选取1-3阶段的运算方法作为知识点，在讲解时，应该从1讲起，由于1的运算是最多的，可以将其与其他8个数字的运算方式列成一个竖列，通过多媒体设备展现出来，详解1和其他8个数字的计算。确定学生理解之后，在第二列写出2和其他数字的运算方式、结果，并进行详细讲解。在第四列以后不再标写数字、结果，只留空白，讲解阶段结束。

  

图1 案例二导水裂缝带发育高度Fig.1 Heights of the “Water Flowing Fracture Zone” in Case 2

由图1可知，按照综合采高MZ计算的“两带”高度小于按照采高M2单独计算结果，结果不合理，而实际“两带”发育高度可能会更高。近距离煤层“两带”预计高度偏小，可能造成突水事故。

2)《三下采煤规程》中没有给出3层及以上煤层的“两带”预计方法。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相似，但由于其复杂性，计算过程中易出错导致计算结果错误，从而造成安全隐患甚至事故。

针对以上不足，笔者就近距离多煤层开采“两带”高度预计方法和相关术语进行了界定，优化了折算采高MZS的计算公式，进而提出了近距离煤层组(群)开采“两带”高度预计改进方法。

2 近距离多煤层开采“两带”高度预计方法

2.1 近距离煤层组(群)概念与分类

近水体采煤中的近距离煤层组(群)特指相邻煤层间距h(上下煤层间的垂直距离)小于等于其下煤层垮落带高度Hk的两层或多层煤层。煤层有2层称为“组”，3层及以上称为“群”。急倾斜煤层和直立煤层开采方法和覆岩破坏形态与水平煤层完全不同，本文研究对象仅限煤层倾角55°以下的煤层。

②极近距离：0≤hi-1≤Mi，有

b.对上级和权威的态度.在我国，企业强调和维护上级管理者的权威，下级员工应无条件执行管理者的指令.而在西方，大多数企业的下级对上级有一定的建议权、质疑权.

为方便起见，近距离煤层组(群)中标高最高的开采煤层为首采层采高为M1，顶煤层下部各煤层采高记作Mi(i=2、3、4,…)，hi-1表示第i层与第i-1号煤层间距，命名方式如图2所示。

“我们在城市驿站建立临时党支部，目的就是将支部建在街上，让党建工作走出‘围墙’，走上‘街头’，更好地联系群众、服务群众，更好地彰显党建工作的初心使命。”分管城市基层党建工作的永济市组织部副部长钟士慷讲到建立城市驿站临时党支部的初衷时说。

在追击战斗中实施伏击战法，要注意隐蔽我伏击意图。在追击过程中，追击分队要继续进行追击，分散违法犯罪分子的注意力，让其感觉到有机会逃脱我控制的范围，为伏击分队创造良好的基础条件。犯罪分子逃离至我伏击地域时，伏击分队以勇猛的行动对敌实施攻击捕歼，达成战斗的突然性，迅速破坏其心理平衡，让犯罪分子感到“前有敌人，后有追兵”，只有放下武器伏法才是最好的出路，逃脱是不可能的，最终捕歼犯罪分子。

  

图2 近距离煤层组(群)命名方式及符号Fig.2 Name method for contiguous coal seams

2.2 折算采高MZS计算方法的改进

1)较近距离折算采高MZS计算方法如下。对于近距离煤层组(群)中的较近距离煤层组，目标煤层(第i层)的折算采高MZS,i(i>1)可按下式计算公式为

 

(2)

式中：MZS，i-1为第i-1层煤的折算采高；yi为第i层煤的垮采比。

通过公式变换可得式(3)

“生长素的生理作用”是人教版必修3第三章第二节的内容，是在学习了“生长素的发现”的基础上，进一步阐述生长素的生理作用以及在生产实践中应用。本节内容与生产、生活联系非常紧密，在教学过程中教师可采用问题情境的方法，即把教学内容“问题化”，问题提出“情境化”，情境创设“生活化”，尽量联系生产、生活，创设贴近生活的情境，让学生在真实的情境中学习、获取生物学知识，并用已学的生物学知识解决真实的生活问题，让学生从中感受到生物学科的实用价值，激发学生的学习兴趣和学习动机，不断提升学生的科学素养。

(3)

因为折算采高MZS，i>Mi，即，可得式(4)为

(4)

根据大量实测数据反算验证，并出于安全角度和计算方便，取yi值为7，并将折算采高MZS，i值取大，另外，式(4)左右两边相等，可简化公式为

i=2,3,4,…

(5)

2)极近距离折算采高MZS计算方法如下。初采扰动后的煤层顶板性质变化，直接影响下组煤开采的“两带”发育，实践也证明，分层开采中下分层开采后的“两带”高度明显低于正常值[12]，因此，近距离煤层组(群)中的极近距离煤层组中的目标煤层开采“两带”发育高度，需要考虑煤层开采后覆岩是否充分压实，即考虑时间因素。

80.74±10.42 m

 

(6)

当第i-1煤层开采后相当长一段时间后，第i煤层才进行开采，破碎、软化顶板抑制第i煤层开采后“两带”的发育，实测资料证明，第i煤层“两带”发育高度基本等于按照其本煤层采高Mi所计算结果。此时，以安全起见，增加控制项hi-1/7，第i煤层开采折算采高MZS,i可按下式计算为

MZS,i=Mi+hi-1/7

(7)

综上所述，近距离煤层组(群)折算采高计算方法为：①较近距离：Mi<hi-1≤Hk，i

 

根据h是否大于下煤层厚度Mx，又将近距离煤层组(群)划分为较近距离煤层组和极近距离煤层组：①较近距离：Mx<h≤Hk；②极近距离：0≤h≤Mx，近距离煤层群中，可能同时存在较近距离煤层组和极近距离煤层组。极近距离煤层组下组煤折算厚度MZS计算需要考虑开采时间间隔，开采时间间隔以是否达到充分采动时间为准，本文建议以半年计。

 

2.3 近距离多煤层开采“两带”高度计算方法

“两带”高度预计公式直接选用《三下采煤规范》和其配套的《建筑物、构筑物、水体及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》[14](以下简称《三下采煤指南》)中现有的“两带”高度公式。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，并以采高3 m为分界线，煤层采高不大于3 m(M≤3 m)选取《三下采煤规范》附录4中附表4-1和附表4-2厚煤层分层开采“两带”高度预计公式，煤层采高大于3 m但不大于12 m(3 m<M≤12 m)选取《三下采煤指南》第2.1.1节中表2-2和表2-4综放开采“两带”高度公式。具体计算公式见表2。

 

表2 55°及以下倾角单一煤层“两带”高度计算公式

 

Table 2 Calculated formulas for heights of the “Two Zones” induced by single coal seam mining within 55° angle

  

覆岩岩性适用于M≤3 m煤层适用于3 m

注：采高M为有效采高；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；按照本文计算方法，3 m以下煤层“式一”中并无“∑”符号，直输MZS，i即可。

为最大限度地与《三下采煤规范》中的相关规定保持兼容性，近距离煤层组(群)“两带”高度计算公式中参数采用采高M和采动时间间隔作为变量。近距离多煤层开采的“两带”高度计算方法如下：第1步，判定煤层组类型，方法见本文第2.1节；第2步，计算折算采高MZS,i，方法见本文第2.2节；第3步，确定“两带”高度，方法如下：

首先，计算当前开采煤层“两带”发育高度：首采层按照单一煤层选用《三下采煤指南》中的相关公式单独计算；对于目标煤层开采“两带”高度，首先判定煤层组类型，其次根据式(5)或式(7)计算折算采高MZS，i，最后确定目标煤层开采“两带”高度。

首采层直接按照表2中选取相应公式计算“两带”高度，公式为

(Hk/li)1=Hk/li(M1)

(8)

目标煤层开采计算折算采高MZS，i，选取表2中相应公式计算折算采高MZS，i的“两带”高度，公式为

(Hk/li)i=Hk/li(MZS，i)

(9)

然后，计算近距离多煤层开采“两带”发育最终高度。以折算采高MZS，i计算的“两带”高度是以目标煤层底板为起点算起，而近距离煤层组(群)目标煤层开采的最终“两带”高度为所有已采煤层计算“两带”高度中的标高最高者，即有

(Hk/li)imax=max[(Hk/li)1，(Hk/li)2-M1-h1,…,(Hk/li)i-∑(Mi-1+hi-1)]

(10)

近距离煤层组(群)“两带”高度计算方法的流程如图3所示。

降解培养结束后，用石油醚萃取发酵液中残余的石油烃，在波长225 nm下采用紫外分光光度法测定石油烃含量。将水相稀释5倍后在波长600 nm下采用可见光分光光度法测菌株生长情况。

  

图3 近距离煤层组(群)“两带”高度计算流程Fig.3 Flow chart of calculated method for heights of“Two Zone” induced by contiguous coal seams mining

3 工程验证及算例

3.1 案例一计算

2)计算折算采高MZS。根据式(5)计算5煤的折算采高MZS5为

由于评价等级划分是有序的，第k个评价等级ck“好于”第k+1个评价等级ck+1，所以最大测度识别准则不适用，应采用置信度识别准则。

1)判定煤层组类型。煤层间距h7-8=12.5 m，M8=5.7 m，8煤煤层的垮落带高度Hk8按表2中式一计算Hk8=30.72 m>12.5 m，即Hk8>h，并且h>M8，所以7煤、8煤属于近距离煤层组中较近距离煤层组。

2)计算折算采高MZS。根据式(5)计算8煤折算采高为

 

将M7=4.49 m，M8=5.7 m和h7-8=12.5 m代入《三下采煤规程》中近距离煤层综合采高公式MZ=M2+(M1-h1-2/y)，计算可得

 

3)确定“两带”高度。仅计算并比较导水裂缝带高度，其中，7煤“两带”高度按单一煤层计算，将M7=4.49 m代入表2中相应公式，计算可得

语言携带着文化，也是思维的表征。中英两种语言在历史、文化和社会形态各方面迥异，形成了各具特色的语言表达形式，体现在选词造句和谋篇布局方面。

Hli7=62.95±10.42 m

同理，将折算采高MZS8=8.78 m代入表2中相应公式计算的导水裂缝带高度为

Hli8=108.14±10.42 m

按本文方法，最终导水裂缝带高度取最大值为

Hli8max=maxHli7,Hli8-M7-h=

91.15±10.42 m

写作是构成语文结构的要素之一，语文写作在初中语文教学中占有大量比重，是初中语文学习的重中之重。在进行语文写作教学时，教师可以根据写作中心思想所表达的意思设计情景教学，这不仅可以激发学生练习写作的兴趣，还能培养学生独立思考、联系生活的写作能力。学生在学习写作时，通过使用合理的语言描绘方式与修辞手法进行写作，既可以增强学生写作手法的运用，还可以提高学生写作能力。

而将综合采高代入表2中相应公式计算的导水裂缝带高度计为

 

那么，采用《三下采煤规程》中方法计算的导水裂缝带高度为

专业机构的良好构建和运转离不开专业的人才，引进、培养科技成果转移领域的专业化、复合型人才，细化专业分工，要求在职人员具有相应岗位的专业背景，并能掌握该专业最新技术发展趋势和发展方向。可聘任在读博士生兼职，让他们尽早接触市场，了解市场需求，工作出色者可留任。另外，平时要加强相关专业知识培训，如知识产权管理、市场营销、法律等。

Hli8′max=maxHli7,Hli8-M7-h=

当第i-1煤层开采后上方地层未充分压实时(未达到充分采动)，折算采高可按照式(5)计算，即有

实际的绝热加速量热仪实验中,受限于样品热电偶动态特性及炉体加热系统响应时间,在样品绝热反应阶段,样品和炉体之间存在一定温度差,使式(2)不能完全满足,导致动力学求解误差。为了量化这一温度差对动力学求解的影响,本文通过绝热反应过程的建模仿真对其进行分析。

 

表3 7煤、8煤层组计算导水裂缝带高度与实测对比Table 3 Estimated and measured results of “fracture zone” heights of No.7 & No.8 seams mining

  

参数按本文方法计算结果7煤8煤标高取值按《三下采煤指南》计算结果7煤8煤标高取值实测值裂高/m62.95±10.42108.14±10.4291.15±10.4262.95±10.4297.73±10.4280.74±10.4284.74

由表3，按照两种方法计算得到的导水裂缝带高度结果与实测值都接近，本文提出计算方法有较高的准确性；但《三下采煤指南》中的方法计算结果小于实测值，容易造成安全隐患，本文提出方法计算结果略大于实测值，结果更为合理。

3.2 近距离三层煤开采“两带”高度预计实例

某矿4号煤层采高M4=3.3 m，5号煤层采高M5=4.7 m，6号煤层采高M6=4.1 m，4号、5号煤层间距h4-5=6 m，5号、6号煤层间距h5-6=3 m，覆岩岩性为中硬，煤层倾角8°。开采间隔半年以上。

1)判定煤层组类型。由已知条件，由于煤层间距明显小于下煤层的垮落带高度，4煤、5煤、6煤属于近距离煤层群。且h4-5>M5，h5-6<M6，所以4煤、5煤属于较近距离煤层组，5煤、6煤层属于极近距离煤层组。

计算结果与实测导水裂缝带高度进行比较，见表3。

案例一：实例为姚桥煤矿8503工作面，其上覆7煤采高M7=4.49 m，8煤采高M8=5.7 m，两煤层垂直间距h7-8=12.5 m，煤层倾角为21.6°，覆岩岩性为中硬，实测7煤、8煤导水裂缝带高度为84.74 m。两层煤开采间隔半年以上。

 

6煤开采后的折算采高MZS6计算结果为

 

3)确定“两带”高度。首采层4煤的“两带”高度直接以采高按单一煤层计算，将M4=3.3 m代入表2中相应公式，计算可得

利用PDM系统管理服装产品开发数据，提高信息流动效能。借助分析产品开发数据，可以帮助管理人员改善产品结构，优化产品开发流程。3.3.1 改善产品结构

Hk4=15.91±4.71 m；Hli4=48.11±10.42 m

将折算采高MZS5=7.40 m代入表2中相应公式，计算5号煤层的“两带”高度为

Hk5=32.53±4.71 m；Hli5=94.85±10.42 m

5号煤层开采后的最终“两带”高度取4号、5号煤层“两带”高度标高最高者，如下

Hk5max=maxHk4,Hk5-M4-h4-5=23.23±4.71 m

Hli5max=maxHli4,Hli5-M4-h4-5=85.55±10.42 m

即，当5号煤层开采后，垮落带高度为(23.23±4.71)m，导水裂缝带高度为(85.55±10.42)m。

将折算采高MZS6=11.01 m代入表2中相应公式，计算6号煤层的“两带”高度为

Hk6=44.91±4.71 m

Hli6=127.54±10.42 m

6号煤层开采后的最终“两带”高度取4号、5号、6号煤层“两带”高度标高最高者，如下

(Hk6)max=max[Hk4,Hk5-M4-h4-5,Hk6-M4-h4-5-M5-h5-6]=27.91±4.71 m

(Hli6)max=max[Hli4,Hli5-M4-h4-5,Hli6-M4-h4-5-M5-h5-6]=110.54±10.42 m

即，当6号煤层开采后，垮落带高度为(27.91±4.71)m，导水裂缝带高度为(110.54±10.42)m。

4 结 论

1)针对水体下采煤，根据煤层采高M、垮落带高度Hk和煤层间距h，将煤层组划分为较近距离煤层组(M<h≤Hk)和极近距离煤层组(0≤h≤M)，极近距离煤层组折算采高计算需要考虑开采时间间隔。

2)优化了近距离煤层组(群)折算采高MZS的计算方法，较近距离和开采时间间隔半年以内的极近距离煤层组(群)采用计算折算采高；而采动间隔半年以上的极近距离煤层组(群)，采用计算折算采高。

图4a为各个月平均风速和离散程度情况,整体风速都不大,但仍存在一定季节变化。上半年的峰值出现在3月份,一般亚热带季风气候的特点就是10月到次年2月,偏北风占绝对优势,3月偏北风和偏南风频率互相消长,也是春季大风出现频率较高的月份。下半年的峰值在台风影响时段7—10月。从各个月各自风速值的方差来看,和平均风速存在较好的对应关系,平均风速较大月份风速波动幅度也较大,出现较大阵风的概率也会相应增加。

3)提出了“判别煤层组类型-计算折算采高-确定‘两带’高度”三步法的近距离煤层组(群)开采“两带”高度预计方法。近距离煤层组(群)开采覆岩“两带”高度为所有已采煤层计算“两带”高度中的标高最高者，即：

Hk/lii,max=max[Hk/li1，Hk/li2-M1-h1,…,Hk/lii-∑(Mi-1+hi-1)]

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