综采一次采全高顶板导水裂缝带发育高度的计算公式及适用性分析
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Calculation formula of water conducting zone height in roof for fully mechanized mining and its adaptability analysis
BAI Limin1, YIN Shangxian2, LI Wen3
y = 100x ， 1 = a + b 。
ax + b
y 100 100x
令 yˆ = 1 ， xˆ = 1 ， a′ = a ， b′ = b ， 则 ：
y源自文库
x
100
100
yˆ = a′ + b′x′ 。 利用一元线性回归求得经验公式，中硬覆岩导水
裂缝带高度： yˆ = 0.007 1+ 0.048 2x ，R2=0.743 8 则： a=0.71，b=4.82。
(1. Xishan Coal and Electric Power Group Corporation Ltd., Taiyuan 030052, China; 2. Safety Engineering college, North China Institute of Science and Technology, Beijing 101601, China;
· 38 ·
煤田地质与勘探
第 41 卷
图 3 钻孔揭穿三带示意图 Fig. 3 Schematic diagram of the three zones exposed by boreholes
2.2 数据的回归分析 由《三下规程》[6]中给出的经验公式：
H
=
100∑ M a∑M + b
(1)
令 y=H，x= ∑ M ，则：
表 1 顶板岩层
Table 1 Roof strata
顶板以上距离/m 7.58 12.04 20.95 24.3 48.82 56.62 58.85 65.56 67.77
地层岩性 石灰岩
砂质泥岩 砂质泥岩
粉砂岩 细粒砂岩 砂质泥岩
泥岩 中粒砂岩 砂质泥岩
1.2 井下仰孔注水测漏法探测方法 通过井下钻探并现场实施压水试验(图1)，确定
H li
=
100M 0.71M + 4.82
(2)
3 计算公式实用性分析
中硬覆岩条件下，《三下规程》规定的导水裂缝
带高度计算公式为：
H导
=
100∑ M 1.6∑ M + 3.6
± 5.6
(3)
根据式(2)、式(3)计算综采一次采全高导水裂缝
带高度，与实测高度进行对比，见表 3 和表 4。
根据表 3 和表 4 计算的结果可见，利用式(2)计
网络出版时间：2013-10-10 11:02 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1155.P.20131010.1102.008.html
第 41 卷 第 5 期 2013 年 10 月
煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY & EXPLORATION
继续钻进。到 32.7 m，钻进时循环液正常，卡钻现象 消失，图 2 显示，到 32.7 m 时压水流量明显减小， 为 0.75 m3/h，据此判断此处已穿过冒落带进入导水 裂缝带。
1 导水裂缝带现场实测
1.1 研究区工作面概况 山西西山煤田镇城底矿南一采区 28103 首采工
作面，主采下组煤 8 煤层，煤层稳定，厚度为 4.5 m， 煤层倾角 11°左右。8 煤覆岩厚度为 243~338 m，顶板 岩层(表 1)主要由泥岩和石灰岩组成，老顶、直接顶为 石灰岩，厚度 3.84 m、2.58 m，伪顶为泥岩，厚度为 0~0.2 m；采煤方法为综采一次采全高，顶板跨落法管 理顶板。
3. Water Engineering Migration Office, Shuozhou 036002, China)
Abstract: Setting the height of the water conducting zone in roof can provide the basis for prevention and control of roof water, mining and excavation layout, leaving the water prevention coal pillars, design of coal gas drainage. Taking No.8 seam in Zhenchengdi mine, Xishan as a study object, using water injection leakage measurenment method in overhead borehole, the height was 57.98 m, the falling zone height was 16.72 m and the fractured zone height was 41.26 m. Based on observation result from 8 mines in the similar conditions, empirical formulas of water conducting zone height for fully mechanized mining face were obtained by statistical regression analysis. The contrastive analysis of the corresponding formula in "coal mine safety regulations" was carried out. The result show that the empirical formula has good applicability, formula in "coal mine safety regulations" has relatively large error when applied in prediction of the mining conditions for mining height of fully mechanized mining in median thick seam. Key words: water conducting zone; water injection leakage measuring method in overhead borehole; regression analysis;
图 1 井下仰孔注水测渗漏法示意图 Fig. 1 Schematic diagram of leakage measuring method by
using underground uphole water injection
图 2 试验孔钻进深度与压水流量关系 Fig. 2 Relationship between drilling depth of trial hole and
根据钻探和仰(俯)孔注水测漏法结果，确定该工 作面试验孔处 8 煤上覆岩层冒落带大约在孔深 10.2~32.7 m，即冒落带高度 16.72 m，裂隙带大约位 于孔深 32.7~88.2 m，即裂隙带高度 41.26 m(图 3)。 2 数据收集和分析 2.1 数据收集
根据上面观测成果，结合文献资料，列举了 综采一次采全高条件下中硬覆岩导水裂缝带高度 实测值(表 2)。
第5期
白利民等: 综采一次采全高顶板导水裂缝带发育高度的计算公式及适用性分析 · 37 ·
放顶煤、综采一次采全高及快速推进高产高效的采煤 新方法，上述公式不再完全适用，有必要研究新型采 煤方法条件下导水裂缝带的发育规律，修正或修改导 水裂缝带高度的预测公式。目前，由于观测数据有限， 还不能形成中厚煤层综采一次采全高统一的经验公 式。因此本文采用现场钻探压水试验取得的导水裂缝 带高度实测值结合国内一些一次采全高工作面导水 裂缝带高度实测值，利用回归分析方法，总结归纳了 一次采全高回采工作面的导水裂缝带高度经验公式， 并对其进行适用性分析，计算公式对我国一次采全高 工作面导水裂缝带高度的预计及煤矿防水煤(岩)柱 的合理留设具有指导意义和适用价值。
煤层的赋存状态和开采条件等，这些因素具有复杂、 难定量及非线性等特点。根据大量实际观测数据， 《煤矿安全规程》中给出一组导水裂缝带统计经验 公式，该公式是基于当时炮采与普通机采、推进速 度在40 m/月左右、采厚2~3 m(或者分层开采)的开采 条件[6]。随着技术进步，出现了中厚煤层综采、综采
收稿日期: 2012-11-15 基金项目:国家自然科学基金项目(51074075; 41072188)；十二五国家科技支撑计划课题(2012BAK04B04) 作者简介:白利民(1970—)，男，山西古交人，高级工程师，从事矿井地质技术及管理工作.
导水裂缝带高度。在28103工作面采空区施工导水 裂缝带探测孔，设计孔深100 m，实际钻探进尺 96.89 m，钻孔仰角48°。压水仰孔设计时充分考虑 了导水裂缝带发育的最大高度问题。采用钻孔双端 堵水器对钻孔进行逐段封隔注水，以各段漏失量变 化来判断两带高度。 1.3 压水试验结果
钻探开始后，当钻进到10.2 m(垂向高度)时，孔 内钻进液反水突然减小，继续钻进，出现明显卡钻 现象，可以判断，至孔深10.2 m已进入冒落带。到 16.2~20 m卡钻严重，孔内基本无反水，经处理可以
算综采一次采全高导水裂缝带高度与实测值的相对
误差为 1.11%~10.24%，绝对误差在−5.99~6.35 m，预
计的裂缝高度与实测值相一致，偏差较小，表明该公式
实际适用性好。实测裂采比接近为 9.69~12.88，平均
11.57，因此用该裂采比预测裂高也是可行的。
flow of pressured water
继续钻进，依据钻孔内水量水压变化记录，在 32.7~72.9 m 段压水时，水压、水量变化不大(图 2)： 水压总体表现为随钻进深度增加水压缓慢增加的特 征，基本保持在 0.6 MPa；而水量总体表现则相反， 随钻进深度增加水量逐渐减小，变化范围在 0.75~0.68 m3/h。至 88.2 m，水压不变，而水量骤然 减小至 0.21 m3/h，这说明钻孔围岩裂隙骤然减小， 因而可判断此时钻孔已穿过导水裂缝带。
Vol. 41 No.5 Oct. 2013
文章编号: 1001-1986(2013)05-0036-04
综采一次采全高顶板导水裂缝带发育高度的 计算公式及适用性分析
白利民 1，尹尚先 2，李 文 3
(1. 山西焦煤集团西山煤电(集团)公司，山西 太原 030052；2. 华北科技学院安全工程学院， 北京 101601；3. 山西省朔州市水工程移民办公室，山西 朔州 036002)
摘要: 确定煤层顶板导水裂缝带高度可为顶板防治水、采掘工程布置、防水煤柱留设以及瓦斯抽 采设计提供依据。采用井下仰孔注水测渗漏法，实测山西西山煤田镇城底矿 8 煤导水裂缝带高度 为 57.98 m，其中冒落带高度 16.72 m，裂隙带高度 41.26 m。依据实测结果并收集了 8 个矿综采一 次采全高中硬覆岩下导水裂缝带高度数据，利用数理统计回归分析的方法，得出了适用于综采一 次采全高中硬覆岩下导水裂缝带高度计算的经验公式，并与《煤矿安全规程》中相应经验公式进 行对比分析，结果表明，该公式适用性好，而《煤矿安全规程》中有关公式应用于中厚煤层综采 一次采全高开采条件预测，其误差较大。 关 键 词：导水裂缝带；井下仰孔注水测渗漏法；回归分析；经验公式 中图分类号：TD741；P641.4 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.05.008
empirical formula
导水裂缝带发育高度是煤矿顶板防治水、采掘 工程布置、防水煤(岩)柱留设以及瓦斯抽采等设计 依据的主要技术参数之一，国内外众多学者对“两 带”高度进行了深入研究[1-11]，结果表明，工作面顶 板导水裂缝带发育受多种因素的影响，如采厚、采 空区的面积、顶板岩层的结构类型、顶板管理方式、
BAI Limin1, YIN Shangxian2, LI Wen3
y = 100x ， 1 = a + b 。
ax + b
y 100 100x
令 yˆ = 1 ， xˆ = 1 ， a′ = a ， b′ = b ， 则 ：
y源自文库
x
100
100
yˆ = a′ + b′x′ 。 利用一元线性回归求得经验公式，中硬覆岩导水
裂缝带高度： yˆ = 0.007 1+ 0.048 2x ，R2=0.743 8 则： a=0.71，b=4.82。
(1. Xishan Coal and Electric Power Group Corporation Ltd., Taiyuan 030052, China; 2. Safety Engineering college, North China Institute of Science and Technology, Beijing 101601, China;
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煤田地质与勘探
第 41 卷
图 3 钻孔揭穿三带示意图 Fig. 3 Schematic diagram of the three zones exposed by boreholes
2.2 数据的回归分析 由《三下规程》[6]中给出的经验公式：
H
=
100∑ M a∑M + b
(1)
令 y=H，x= ∑ M ，则：
表 1 顶板岩层
Table 1 Roof strata
顶板以上距离/m 7.58 12.04 20.95 24.3 48.82 56.62 58.85 65.56 67.77
地层岩性 石灰岩
砂质泥岩 砂质泥岩
粉砂岩 细粒砂岩 砂质泥岩
泥岩 中粒砂岩 砂质泥岩
1.2 井下仰孔注水测漏法探测方法 通过井下钻探并现场实施压水试验(图1)，确定
H li
=
100M 0.71M + 4.82
(2)
3 计算公式实用性分析
中硬覆岩条件下，《三下规程》规定的导水裂缝
带高度计算公式为：
H导
=
100∑ M 1.6∑ M + 3.6
± 5.6
(3)
根据式(2)、式(3)计算综采一次采全高导水裂缝
带高度，与实测高度进行对比，见表 3 和表 4。
根据表 3 和表 4 计算的结果可见，利用式(2)计
网络出版时间：2013-10-10 11:02 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1155.P.20131010.1102.008.html
第 41 卷 第 5 期 2013 年 10 月
煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY & EXPLORATION
继续钻进。到 32.7 m，钻进时循环液正常，卡钻现象 消失，图 2 显示，到 32.7 m 时压水流量明显减小， 为 0.75 m3/h，据此判断此处已穿过冒落带进入导水 裂缝带。
1 导水裂缝带现场实测
1.1 研究区工作面概况 山西西山煤田镇城底矿南一采区 28103 首采工
作面，主采下组煤 8 煤层，煤层稳定，厚度为 4.5 m， 煤层倾角 11°左右。8 煤覆岩厚度为 243~338 m，顶板 岩层(表 1)主要由泥岩和石灰岩组成，老顶、直接顶为 石灰岩，厚度 3.84 m、2.58 m，伪顶为泥岩，厚度为 0~0.2 m；采煤方法为综采一次采全高，顶板跨落法管 理顶板。
3. Water Engineering Migration Office, Shuozhou 036002, China)
Abstract: Setting the height of the water conducting zone in roof can provide the basis for prevention and control of roof water, mining and excavation layout, leaving the water prevention coal pillars, design of coal gas drainage. Taking No.8 seam in Zhenchengdi mine, Xishan as a study object, using water injection leakage measurenment method in overhead borehole, the height was 57.98 m, the falling zone height was 16.72 m and the fractured zone height was 41.26 m. Based on observation result from 8 mines in the similar conditions, empirical formulas of water conducting zone height for fully mechanized mining face were obtained by statistical regression analysis. The contrastive analysis of the corresponding formula in "coal mine safety regulations" was carried out. The result show that the empirical formula has good applicability, formula in "coal mine safety regulations" has relatively large error when applied in prediction of the mining conditions for mining height of fully mechanized mining in median thick seam. Key words: water conducting zone; water injection leakage measuring method in overhead borehole; regression analysis;
图 1 井下仰孔注水测渗漏法示意图 Fig. 1 Schematic diagram of leakage measuring method by
using underground uphole water injection
图 2 试验孔钻进深度与压水流量关系 Fig. 2 Relationship between drilling depth of trial hole and
根据钻探和仰(俯)孔注水测漏法结果，确定该工 作面试验孔处 8 煤上覆岩层冒落带大约在孔深 10.2~32.7 m，即冒落带高度 16.72 m，裂隙带大约位 于孔深 32.7~88.2 m，即裂隙带高度 41.26 m(图 3)。 2 数据收集和分析 2.1 数据收集
根据上面观测成果，结合文献资料，列举了 综采一次采全高条件下中硬覆岩导水裂缝带高度 实测值(表 2)。
第5期
白利民等: 综采一次采全高顶板导水裂缝带发育高度的计算公式及适用性分析 · 37 ·
放顶煤、综采一次采全高及快速推进高产高效的采煤 新方法，上述公式不再完全适用，有必要研究新型采 煤方法条件下导水裂缝带的发育规律，修正或修改导 水裂缝带高度的预测公式。目前，由于观测数据有限， 还不能形成中厚煤层综采一次采全高统一的经验公 式。因此本文采用现场钻探压水试验取得的导水裂缝 带高度实测值结合国内一些一次采全高工作面导水 裂缝带高度实测值，利用回归分析方法，总结归纳了 一次采全高回采工作面的导水裂缝带高度经验公式， 并对其进行适用性分析，计算公式对我国一次采全高 工作面导水裂缝带高度的预计及煤矿防水煤(岩)柱 的合理留设具有指导意义和适用价值。
煤层的赋存状态和开采条件等，这些因素具有复杂、 难定量及非线性等特点。根据大量实际观测数据， 《煤矿安全规程》中给出一组导水裂缝带统计经验 公式，该公式是基于当时炮采与普通机采、推进速 度在40 m/月左右、采厚2~3 m(或者分层开采)的开采 条件[6]。随着技术进步，出现了中厚煤层综采、综采
收稿日期: 2012-11-15 基金项目:国家自然科学基金项目(51074075; 41072188)；十二五国家科技支撑计划课题(2012BAK04B04) 作者简介:白利民(1970—)，男，山西古交人，高级工程师，从事矿井地质技术及管理工作.
导水裂缝带高度。在28103工作面采空区施工导水 裂缝带探测孔，设计孔深100 m，实际钻探进尺 96.89 m，钻孔仰角48°。压水仰孔设计时充分考虑 了导水裂缝带发育的最大高度问题。采用钻孔双端 堵水器对钻孔进行逐段封隔注水，以各段漏失量变 化来判断两带高度。 1.3 压水试验结果
钻探开始后，当钻进到10.2 m(垂向高度)时，孔 内钻进液反水突然减小，继续钻进，出现明显卡钻 现象，可以判断，至孔深10.2 m已进入冒落带。到 16.2~20 m卡钻严重，孔内基本无反水，经处理可以
算综采一次采全高导水裂缝带高度与实测值的相对
误差为 1.11%~10.24%，绝对误差在−5.99~6.35 m，预
计的裂缝高度与实测值相一致，偏差较小，表明该公式
实际适用性好。实测裂采比接近为 9.69~12.88，平均
11.57，因此用该裂采比预测裂高也是可行的。
flow of pressured water
继续钻进，依据钻孔内水量水压变化记录，在 32.7~72.9 m 段压水时，水压、水量变化不大(图 2)： 水压总体表现为随钻进深度增加水压缓慢增加的特 征，基本保持在 0.6 MPa；而水量总体表现则相反， 随钻进深度增加水量逐渐减小，变化范围在 0.75~0.68 m3/h。至 88.2 m，水压不变，而水量骤然 减小至 0.21 m3/h，这说明钻孔围岩裂隙骤然减小， 因而可判断此时钻孔已穿过导水裂缝带。
Vol. 41 No.5 Oct. 2013
文章编号: 1001-1986(2013)05-0036-04
综采一次采全高顶板导水裂缝带发育高度的 计算公式及适用性分析
白利民 1，尹尚先 2，李 文 3
(1. 山西焦煤集团西山煤电(集团)公司，山西 太原 030052；2. 华北科技学院安全工程学院， 北京 101601；3. 山西省朔州市水工程移民办公室，山西 朔州 036002)
摘要: 确定煤层顶板导水裂缝带高度可为顶板防治水、采掘工程布置、防水煤柱留设以及瓦斯抽 采设计提供依据。采用井下仰孔注水测渗漏法，实测山西西山煤田镇城底矿 8 煤导水裂缝带高度 为 57.98 m，其中冒落带高度 16.72 m，裂隙带高度 41.26 m。依据实测结果并收集了 8 个矿综采一 次采全高中硬覆岩下导水裂缝带高度数据，利用数理统计回归分析的方法，得出了适用于综采一 次采全高中硬覆岩下导水裂缝带高度计算的经验公式，并与《煤矿安全规程》中相应经验公式进 行对比分析，结果表明，该公式适用性好，而《煤矿安全规程》中有关公式应用于中厚煤层综采 一次采全高开采条件预测，其误差较大。 关 键 词：导水裂缝带；井下仰孔注水测渗漏法；回归分析；经验公式 中图分类号：TD741；P641.4 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.05.008
empirical formula
导水裂缝带发育高度是煤矿顶板防治水、采掘 工程布置、防水煤(岩)柱留设以及瓦斯抽采等设计 依据的主要技术参数之一，国内外众多学者对“两 带”高度进行了深入研究[1-11]，结果表明，工作面顶 板导水裂缝带发育受多种因素的影响，如采厚、采 空区的面积、顶板岩层的结构类型、顶板管理方式、