張玉軍，申晨輝，張志巍，李友偉

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；4.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

0 引 言

目前煤炭仍是我國的主體能源，在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下，對(duì)煤炭綠色開采提出了更高的要求。我國厚煤層可采儲(chǔ)量大，其安全、高效、綠色開采對(duì)我國煤炭能源的兜底保障作用具有重要意義。隨著煤炭科學(xué)技術(shù)和煤炭開采裝備的不斷進(jìn)步，針對(duì)厚及特厚煤層的大采高、快速推進(jìn)及綜放等高強(qiáng)度開采技術(shù)近年來飛速發(fā)展，加之深部礦井、西部特殊地質(zhì)和生態(tài)條件等使得煤礦水害發(fā)生機(jī)理日趨復(fù)雜，防控難度顯著增大，水害防控與水資源協(xié)同保護(hù)成為今后煤炭資源開發(fā)面臨的重大科學(xué)和技術(shù)難題。而煤礦開采引起的導(dǎo)水裂縫帶高度是水害防控和保水采煤的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于煤礦水害防控、地表建構(gòu)筑物防護(hù)、水資源保護(hù)都具有極其重要的意義。

國內(nèi)各礦區(qū)應(yīng)用不同的方法進(jìn)行了大量針對(duì)不同覆巖和開采條件的導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)，并分析了導(dǎo)水裂縫帶高度的發(fā)育特征，總結(jié)出了單層采厚在1～3 m，厚煤層分層開采的“兩帶”高度預(yù)計(jì)公式，寫入到《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中(以下簡稱《規(guī)范》)[1]。許延春等[2-3]利用華北礦區(qū)多個(gè)礦井中硬和軟弱覆巖綜放開采導(dǎo)水裂縫帶高度數(shù)據(jù)，回歸了綜放開采經(jīng)驗(yàn)公式。但由于厚煤層綜放開采或者一次采全高導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測(cè)成果相對(duì)較少，且不同地質(zhì)條件下高強(qiáng)度開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度存在較大的差異性，預(yù)計(jì)公式在實(shí)際應(yīng)用中還不具有普適性。郭文兵等[3]從厚煤層(大采高)、推進(jìn)速度快、工作面尺寸大等角度給出了高強(qiáng)度開采的定義；文獻(xiàn)[4-6]針對(duì)黃隴區(qū)域深埋特厚煤層綜放開采覆巖導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度開展了一系列的現(xiàn)場實(shí)測(cè)和理論研究，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出了白堊紀(jì)特厚煤層綜放開采導(dǎo)水裂縫帶高度與采高的關(guān)系；文獻(xiàn)[7-9]采用鉆孔沖洗液、分布式光纖和并行電法等手段實(shí)測(cè)了軟弱覆巖地層大采高工作面覆巖破壞高度，得出了上海廟、新疆礦區(qū)軟弱覆巖厚煤層綜放開采工作面的垮采比和裂采比；李江華等[10]采用鉆孔沖洗液消耗量和鉆孔電視觀測(cè)相結(jié)合的方法,測(cè)得了堅(jiān)硬和軟弱地層高強(qiáng)度開采條件下覆巖破壞裂隙發(fā)育特征,得出堅(jiān)硬頂板高強(qiáng)度開采綜合垮采比為9.39～9.62，裂采比大于17.80，約為軟弱覆巖的2倍。近年來，隨著陜北礦區(qū)淺埋特厚煤層的大規(guī)模開采，文獻(xiàn)[11]研究了榆神府礦區(qū)不同隔水巖組厚度與采高比條件下的采動(dòng)頂板垮落和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度。張玉軍[1]從水體下采煤視角，總結(jié)了采動(dòng)覆巖破壞規(guī)律和控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)劃分了淺埋薄基巖高強(qiáng)度開采導(dǎo)水裂縫帶異常發(fā)育特征模式。曹祖寶等[12]研究了4 種典型覆巖結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的影響特征；王振榮等[13]針對(duì)布爾臺(tái)煤礦多煤層重復(fù)采動(dòng)條件，實(shí)測(cè)了導(dǎo)水裂縫帶高度。

雖然以上研究針對(duì)厚及特厚煤層各礦區(qū)進(jìn)行了導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)，但是獲得的數(shù)據(jù)還相對(duì)比較零散,大多是針對(duì)局部煤礦或礦區(qū)的測(cè)試與研究成果,缺乏全國范圍的高強(qiáng)度開采導(dǎo)水裂縫帶分布特征與規(guī)律的深入總結(jié)研究。為解決這一突出問題，以《建筑物及水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南》及筆者單位近年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及查閱文獻(xiàn)獲取的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了我國厚及特厚煤層高強(qiáng)度開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度區(qū)域分布規(guī)律和影響因素，并以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)回歸了導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)公式。

1 我國導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度總體分布特征分析

1.1 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度區(qū)域分布特征

系統(tǒng)收集整理了179組國內(nèi)近年來厚及特厚煤層綜放和一次采全高條件下導(dǎo)水裂縫帶高度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，堅(jiān)硬、中硬和軟弱覆巖類型數(shù)據(jù)分別為51組、100組和28組。數(shù)據(jù)主要來源于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南》以及查閱文獻(xiàn)獲取的數(shù)據(jù)等。通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、歸類，最終以我國14個(gè)大型煤炭基地為區(qū)域，分別列出了各大基地煤礦區(qū)不同覆巖類型條件下的導(dǎo)水裂縫帶高度和裂采比(導(dǎo)水裂縫帶高度與采厚的比值)的范圍以及平均值(圖1和表1)。

從區(qū)域上劃分，蒙東基地的鶴崗礦區(qū)覆巖類型以堅(jiān)硬為主，裂采比為15.43～22.93，平均18.51；蒙東基地(遼寧礦區(qū))中硬覆巖類型裂采比為9.46～11.23，平均10.23；蒙東基地(扎賚諾爾、敏東、大雁等礦區(qū))軟弱覆巖類型裂采比為5.6～11.67，平均9.25。神東基地覆巖類型以中硬為主，基巖厚度足夠大的情況下裂采比為9.03～22.06，平均15.52；對(duì)于局部埋深淺基巖薄的區(qū)域，裂采比集中在19～28，最大達(dá)到35。新疆基地覆巖類型以中硬偏軟弱為主，裂采比為11.38～13.59，平均為12.24。寧東基地堅(jiān)硬覆巖類型裂采比為23.05，中硬覆巖類型為12.46，軟弱覆巖類型為7.75。陜北基地覆巖類型以中硬為主，裂采比為10.47～19.41，平均14.98。黃隴基地堅(jiān)硬覆巖類型裂采比為13.33～23.33，平均為18.58，中硬覆巖類型為9.95～13.67，平均為11.76。晉北基地覆巖類型以軟弱為主，裂采比為5.91～7.82，平均6.87。晉東基地覆巖類型以堅(jiān)硬為主，裂采比為15.85～20.15，平均17.94。冀中基地中硬覆巖類型裂采比為11.08～16.1，平均13.97，軟弱覆巖類型裂采比為4.45～8.25，平均6.35。魯西基地中硬覆巖類型裂采比為7.52～14.77，平均10.61，軟弱覆巖類型裂采比為6.8～9.69，平均8.67。河南基地中硬覆巖類型裂采比平均17.58，軟弱覆巖類型裂采比平均8.29。兩淮基地堅(jiān)硬覆巖類型裂采比為15.74～20.8，平均17.67，中硬覆巖類型裂采比為8.85～14.66，平均為11.45，軟弱覆巖類型裂采比為6.83～10.1，平均8.08。

總體來看，目前現(xiàn)有的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本涵蓋了我國的主要產(chǎn)煤基地，能夠?yàn)槿珖鞔蟮V區(qū)的安全生產(chǎn)提供一定的依據(jù)。

1.2 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度與覆巖巖性的關(guān)系

依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，不同覆巖條件下厚及特厚煤層高強(qiáng)度開采的導(dǎo)水裂縫帶高度分布規(guī)律有較大差異，見表2和圖2。通過對(duì)比分析可知，實(shí)測(cè)平均裂采比隨著覆巖由堅(jiān)硬、中硬到軟弱依次降低，堅(jiān)硬覆巖條件下的平均裂采比值是中硬覆巖的1.52倍，是軟弱覆巖的2.29倍，而中硬覆巖平均裂采比值則是軟弱覆巖的1.5倍。

1.3 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度、裂采比與開采厚度的關(guān)系

依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制了不同覆巖類型條件下導(dǎo)水裂縫帶高度以及裂采比分別與采厚的關(guān)系圖，如圖3和圖4所示。從圖3中可以看出，堅(jiān)硬、中硬和軟弱覆巖條件下的導(dǎo)水裂縫帶高度整體上均隨著采厚的增加而呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，尤其是采厚達(dá)到6 m時(shí)，增加的速率明顯加快，且堅(jiān)硬覆巖條件下增加的速率明顯要高于中硬和軟弱覆巖。由圖4可知，堅(jiān)硬覆巖的裂采比明顯高于中硬和軟弱覆巖，但裂采比均隨著采厚的增加而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，且減小速率隨著采厚達(dá)到一定厚度后有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

圖3 不同覆巖類型導(dǎo)水裂縫帶高度與采厚關(guān)系Fig.3 Relationship between coal seam thickness and water-conducting crack zone height

圖4 不同覆巖類型裂采比與采厚關(guān)系Fig.4 Relationship between fracture-mining ratio and mining thickness of different ovelying rock types

2 典型礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度分布特征分析

14個(gè)大型煤炭基地生產(chǎn)能力達(dá)到全國的95%以上，其中神東、陜北、黃隴、蒙東等礦區(qū)煤炭賦存主要以厚及特厚煤層為主。因此，重點(diǎn)分析以下3個(gè)典型礦區(qū)的覆巖破壞特征。

2.1 黃隴基地彬長礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶分布特征

黃隴煤炭基地包括彬長(含永隴)、黃陵、旬耀、蒲白、澄合、韓城、華亭礦區(qū)。其中彬長礦區(qū)是我國新興的西部煤炭生產(chǎn)基地，地處鄂爾多斯盆地南緣，主采煤層為侏羅系延安組含煤地層，厚度大，是我國大規(guī)模的綜放式開采礦區(qū)，覆巖類型為中硬。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中整理了彬長礦區(qū)7個(gè)煤礦25組數(shù)據(jù)，同時(shí)選取全國東部礦區(qū)同類覆巖(采厚大于5 m)24個(gè)煤礦33組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，得出該礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度具有以下3個(gè)方面特征：

1)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度、裂采比與采厚、工作面長度的關(guān)系，總體上具有一定的規(guī)律性，隨著煤層采厚的增加，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度隨之增加，但增加趨勢(shì)逐步減緩；隨著采厚的增加，裂采比則呈降低趨勢(shì)(圖5、圖6)。

圖5 彬長及東部礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶高度與采厚關(guān)系Fig.5 Relationship between height of water-flowing fracture zone and mining thickness in Binchang and eastern mining area of China

圖6 彬長礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶高度、裂采比與工作面長度關(guān)系Fig.6 Relationship between height of water-flowing fractured zone,fracture-mining ratio and working face length in Binchang Mining Area

2)中硬覆巖條件下，國內(nèi)東部礦區(qū)在采厚5.0～13.4 m，平均7.1 m的條件下實(shí)測(cè)平均裂采比12.4，而彬長礦區(qū)在采厚6.0～13.5 m，平均9.4 m的條件下實(shí)測(cè)平均裂采比為17.3，同類覆巖條件下采厚相同，導(dǎo)水裂縫帶高度和裂采比明顯高于東部礦區(qū)，其原因在于彬長礦區(qū)的開采強(qiáng)度(工作面尺寸、推進(jìn)速度)明顯高于東部礦區(qū)。

3)從圖6可以看到，工作面長度以170 m為分界點(diǎn)，成為影響彬長礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育的主要影響因素。工作面長度大于170 m時(shí)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度受工作面長度影響較大，其高度及裂采比隨著工作面長度增加，呈明顯增高增大趨勢(shì)，且增加速率加快。

2.2 蒙東基地導(dǎo)水裂縫帶高度分布特征

蒙東(東北)基地主要包括內(nèi)蒙古東部的呼倫貝爾市、伊敏、通遼、赤峰平莊、興安盟和錫林郭勒盟，同時(shí)也包括遼寧阜新、鐵法礦區(qū)，以及黑龍江雞西、鶴崗、雙鴨山等礦區(qū)。覆巖分為內(nèi)蒙古東部的軟弱-極軟弱類型和鶴崗礦區(qū)的中硬-堅(jiān)硬類型。

2.2.1 蒙東基地極軟弱覆巖礦區(qū)

扎賚諾爾礦區(qū)頂板巖石單向抗壓強(qiáng)度多小于20 MPa，且固結(jié)性差，屬于極軟弱類覆巖。對(duì)于該類覆巖條件，由于采動(dòng)裂縫被壓實(shí)和閉合的時(shí)間很短，且軟弱覆巖對(duì)導(dǎo)水裂縫具有很好的抑制作用，因此很難實(shí)測(cè)獲得其最大高度，因此收集到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)主要是基于現(xiàn)場開采實(shí)踐并根據(jù)采動(dòng)影響范圍內(nèi)含水層的水位變化而確定的，如該礦區(qū)的鐵北煤礦在采厚3.2 m時(shí)推斷導(dǎo)水裂縫帶高度約29 m，裂采比約為9.1；靈東礦在采厚不超過11.60 m時(shí)，第三含水層距煤層超過62 m的情況下，導(dǎo)水裂縫帶沒有直接波及含水層，推斷裂采比小于5.6；靈東煤礦采厚按照2.5～16.0 m、導(dǎo)水裂縫帶高度與采厚的比值約為5～10進(jìn)行預(yù)計(jì)，礦井涌水量無明顯增加，實(shí)現(xiàn)了首采工作面含水層下的安全回采[14-15]。由此，提出采用趨勢(shì)分析方法來預(yù)計(jì)極軟弱覆巖條件下的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，圖7為繪制的趨勢(shì)圖，由圖7可知，該類覆巖條件下裂采比明顯小于國內(nèi)軟弱覆巖條件下的裂采比，最小裂采比僅為5，采厚達(dá)到16 m時(shí)僅為全國軟弱覆巖平均裂采比的68%。

圖7 極軟弱覆巖條件下的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度及趨勢(shì)Fig.7 Development height and trend of water-flowing fracture zone under extremely weak overburden

2.2.2 蒙東基地鶴崗礦區(qū)堅(jiān)硬覆巖

鶴崗礦區(qū)煤層覆巖平均抗壓強(qiáng)度為58.3～89.8 MPa，屬于中硬-堅(jiān)硬覆巖類型，整個(gè)礦區(qū)開采具有斷層發(fā)育、開采煤層多、累計(jì)開采厚度大、地層受反復(fù)擾動(dòng)等特征。收集整理了該礦區(qū)8個(gè)煤礦不同條件下的導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，見表1和圖8。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，在采厚為3.5～12.0 m，裂采比絕大多數(shù)介于16～23，但是受斷層影響相同采厚條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度差異較大。無斷層存在的條件下平均裂采比為15.26，斷層存在條件下平均裂采比為17.69，斷層構(gòu)造條件下綜放開采覆巖破壞高度增大了16%。

圖8 鶴崗礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶高度及裂采比分布Fig.8 Height and ratio distribution of water-flowing fracture zone in Hegang Mining Area

2.3 神東基地淺埋礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶分布特征

神東基地位于陜西以北榆林地區(qū)、內(nèi)蒙古東部東勝地區(qū)，以神府煤田、東勝煤田為主。該礦區(qū)具有“埋深淺、基巖薄、土層厚”高強(qiáng)度開采的特點(diǎn)，因而大部分礦井僅存在 “兩帶”，無彎曲下沉帶，甚至常發(fā)生切冒、抽冒、臺(tái)階下沉等非均衡性覆巖破壞形式。受以上條件因素的影響，實(shí)測(cè)獲得的導(dǎo)水裂縫帶高度差異性極大(圖9、圖10)，在采厚3.00～9.06 m，中硬覆巖條件下導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)值整體離散性較大，不具有規(guī)律性。在采厚3～6 m時(shí)，裂采比集中在19～28，最大達(dá)到35，明顯高于全國尤其是東部礦區(qū)中硬覆巖條件的裂采比。但是部分礦井由于厚土層的存在，尤其是厚層紅土層對(duì)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育具有明顯抑制作用，實(shí)測(cè)裂采比7.16～7.78，較類似軟弱覆巖條件下開采裂采比仍降低了15%～53%。因此,該礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶高度特征有以下3個(gè)方面:

圖9 神東礦區(qū)實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度、裂采比與采厚關(guān)系Fig.9 Relationship between measured water-flowing fractured zone height,fracture-mining ratio and mining thickness in Shendong Mining Area

圖10 神東礦區(qū)實(shí)測(cè)裂采比柱狀Fig.10 Column chart of measured fracture-mining ratio in Shendong Mining Area

1)基巖厚度足夠大，“兩帶”發(fā)育完整、充分,其中的導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶高度、分布形態(tài)和破壞程度均發(fā)育正常，但是由于采深較小，受基巖風(fēng)化帶和土層的影響導(dǎo)水裂縫帶高度將隨著采深的減小而降低[16-17]。

2)基巖厚度足夠小且開采高度較大時(shí)，覆巖(土)層被垂直裂縫完全貫穿，導(dǎo)水裂縫帶甚至直接發(fā)育至地表，此時(shí)實(shí)測(cè)獲得的裂采比通常較大，接近甚至超過堅(jiān)硬覆巖條件下實(shí)測(cè)獲得的裂采比。

3)基巖厚度較小時(shí),但存在較厚的隔水性較好的土層，導(dǎo)水裂縫帶高度將受到黏性土層的抑制，“兩帶”高度會(huì)大幅度降低，接近軟弱覆巖條件實(shí)測(cè)獲得的裂采比。

2.4 導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)值區(qū)域差異性原因分析

從上述各個(gè)典型礦區(qū)及全國導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)育趨勢(shì)來看，總體具有一定的規(guī)律性，但也同時(shí)發(fā)現(xiàn)不僅在同一礦區(qū)即使同一礦井實(shí)測(cè)值有時(shí)差別較大，分析其原因主要有以下5個(gè)方面：

1)地層及覆巖結(jié)構(gòu)的差異性影響。同一礦區(qū)甚至是同一礦井覆巖結(jié)構(gòu)存在著差異，比如神東礦區(qū)實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度受地層結(jié)構(gòu)、埋深等因素影響顯著。

2)導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)方法確定標(biāo)準(zhǔn)存在差異性。目前，導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)的主要方法有地面鉆孔沖洗液漏失量、井下仰上鉆孔注水試驗(yàn)、鉆孔電視、物探、微震以及現(xiàn)場水位觀測(cè)等。各方法確定裂縫帶頂點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不同，導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果存在較大的差異。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，以上收集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中采用傳統(tǒng)的鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)方法占到了65%以上，該方法鉆孔從地面施工，自上而下從完整巖層逐步過渡到采動(dòng)影響的破碎巖層尋找沖洗液漏失量的突變值，依據(jù)裂隙的導(dǎo)水性確定裂縫頂點(diǎn)，容易把握，取得的數(shù)據(jù)可靠且真實(shí)。

3)實(shí)測(cè)位置的差異性。對(duì)于地面鉆孔觀測(cè)方法而言，鉆孔位置設(shè)計(jì)決定了導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)值是否為最大值。

4)實(shí)測(cè)時(shí)間的差異性。實(shí)測(cè)時(shí)間視地層與工作面推進(jìn)情況而定，一般滯后于工作面對(duì)應(yīng)位置回采后1～2個(gè)月可獲得導(dǎo)水裂縫帶最大高度。

5)綜放開采放煤厚度的不均勻性影響。對(duì)于綜放開采，放煤高度是否均勻決定了采厚的波動(dòng)，從而會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)水裂縫帶高度的變化，甚至?xí)霈F(xiàn)臺(tái)階狀分布規(guī)律。

3 厚及特厚煤層高強(qiáng)度開采導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式及分析

3.1 經(jīng)驗(yàn)公式擬合

根據(jù)收集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)導(dǎo)水裂縫帶高度與采厚的關(guān)系分別按照線性和分式函數(shù)形式進(jìn)行擬合，并求得公式的中誤差。其中分式函數(shù)擬合過程如下：將原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按照式(1)做相對(duì)應(yīng)的變換，規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式形式為

(1)

(2)

(3)

得到3種覆巖條件導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)公式，見表3。由表3可知，無論是線性擬合還是分式函數(shù)擬合，導(dǎo)水裂縫帶高度均符合線性和分式函數(shù)增長規(guī)律，尤其是堅(jiān)硬覆巖擬合決定系數(shù)R2達(dá)到0.90～0.94，其次為中硬和軟弱覆巖，R2也分別達(dá)到了0.81～0.84。

表3 厚及特厚煤層高強(qiáng)度開采導(dǎo)水裂縫帶預(yù)計(jì)公式Table 3 Prediction formula of water-flowing fractured zone in high strength mining of thick and extra thick coal seam

3.2 結(jié)果對(duì)比分析

現(xiàn)將回歸得到的線性和分式函數(shù)預(yù)計(jì)公式、以及《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南》(簡稱《指南》)中的經(jīng)驗(yàn)公式一[18]計(jì)算結(jié)果與不同采厚和覆巖條件下的實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，見表4。

表4 不同覆巖導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算結(jié)果(部分)Table 4 Calculation results of different overburden water-flowing fractured zone (part)

續(xù)表

由表5和圖11—圖13可知，堅(jiān)硬覆巖條件下用回歸的線性公式計(jì)算得到的導(dǎo)水裂縫帶高度與實(shí)測(cè)值差值率絕對(duì)值平均8.5%；按照分式函數(shù)關(guān)系回歸的計(jì)算公式計(jì)算得到的導(dǎo)水裂縫帶高度與實(shí)測(cè)值差值率絕對(duì)值平均差值率5.54%。中硬覆巖條件下分別為12.20%、6.62%和5.73%。軟弱覆巖條件下分別為26.99%、11.94%和9.93%。綜上分析，回歸得出的厚及特厚煤層高強(qiáng)度開采導(dǎo)水裂縫帶公式明顯優(yōu)于《規(guī)范》中的經(jīng)驗(yàn)公式，具有良好的適用性，且分式函數(shù)公式優(yōu)于線性函數(shù)公式。

圖11 堅(jiān)硬覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.11 Comparison between predicted calculation results and measured values of height of water-flowing fractured zone in hard overburden

表5 計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶高度與實(shí)測(cè)值絕對(duì)差值率Table 5 Absolute difference rate between calculated fracture zone height and measured value

圖12 中硬覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.12 Comparison between predicted calculation results and measured values of height of water-flowing fractured zone in medium hard overburden

圖13 軟弱覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.13 Comparison between predicted formula and measured value of water-flowing fractured zone height of weak overburden

4 結(jié) 論

1)基于179組國內(nèi)厚及特厚煤層綜放或者大采高綜采條件下導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從我國14大煤炭基地區(qū)域角度分析了不同覆巖類型條件下的導(dǎo)水裂縫帶高度和裂采比的范圍和分布特征，初步繪制了中國煤礦導(dǎo)水裂縫帶高度分布圖，對(duì)我國的主要產(chǎn)煤基地高強(qiáng)度開采條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度區(qū)域分布規(guī)律有了新的認(rèn)識(shí)。

2)覆巖類型和采厚是影響導(dǎo)水裂縫帶高度的重要因素。實(shí)測(cè)平均裂采比隨著巖性由軟弱、中硬到堅(jiān)硬依次遞增，堅(jiān)硬覆巖的平均裂高分別是中硬覆巖和軟弱覆巖的1.52倍和2.29倍，中硬覆巖平均裂高是軟弱覆巖的1.5倍；相同覆巖類型的導(dǎo)水裂縫帶高度都隨著采厚的增加而增加，裂采比則隨著采厚的增加而降低，且減小速率隨著采厚達(dá)到一定厚度有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

3)從礦區(qū)地層及覆巖結(jié)構(gòu)的賦存特征、導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)方法確定標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)測(cè)時(shí)間和位置等方面，分析了實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度存在較大差異性的原因。黃隴基地永隴-彬長礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶高度和裂采比，明顯高于同類覆巖和采厚條件下的東部礦區(qū)，其原因在于彬長礦區(qū)的開采強(qiáng)度(工作面尺寸、推進(jìn)速度)明顯高于東部礦區(qū)；蒙東基地扎賚諾爾礦區(qū)覆巖條件下裂采比明顯小于國內(nèi)軟弱覆巖條件下的裂采比，最小裂采比僅為5；神東基地實(shí)測(cè)獲得的導(dǎo)水裂縫帶高度差異性極大，實(shí)測(cè)結(jié)果與工作面的埋深、基巖厚度以及上覆黏性土層的采動(dòng)隔水性能密切相關(guān)。

4)基于統(tǒng)計(jì)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按照線性和分式函數(shù)2種形式回歸得到了厚及特厚煤層高強(qiáng)度開采導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)公式，預(yù)計(jì)結(jié)果明顯優(yōu)于《規(guī)范》中的經(jīng)驗(yàn)公式，具有良好的適用性，且分式函數(shù)公式優(yōu)于線性函數(shù)公式，可為全國不同覆巖類型條件下厚及特厚煤層高強(qiáng)度開采導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)提供依據(jù)。