許延春，李江華，姚依林，武文立，曹海長(zhǎng)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083;2.山西汾西礦業(yè) (集團(tuán))有限責(zé)任公司河?xùn)|煤礦，山西介休 032000)

河?xùn)|煤礦一采區(qū)底板突水危險(xiǎn)性研究

許延春1，李江華1，姚依林1，武文立2，曹海長(zhǎng)2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083;2.山西汾西礦業(yè) (集團(tuán))有限責(zé)任公司河?xùn)|煤礦，山西介休 032000)

為提高復(fù)雜水文地質(zhì)條件下煤炭資源利用率和保證承壓水上帶壓開采的安全，采用電剖面法探測(cè)了河?xùn)|煤礦31005工作面10號(hào)煤層采后底板破壞深度，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果計(jì)算了一采區(qū)不同地點(diǎn)底板突水系數(shù)，并利用計(jì)算機(jī)軟件劃分出一采區(qū)底板突水危險(xiǎn)區(qū)域。研究結(jié)果表明:河?xùn)|煤礦一采區(qū)鉆孔崔K－5附近斷層構(gòu)造帶突水危險(xiǎn)性較大，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并采取相關(guān)安全防水措施。研究結(jié)果可為河?xùn)|煤礦今后底板防治水方案的制定提供重要依據(jù)，為落實(shí)礦井高效、安全生產(chǎn)提供借鑒。

底板突水;電剖面法;破壞深度;突水系數(shù)

針對(duì)以上問(wèn)題，本文采用礦井直流電法中的礦井對(duì)稱四極電剖面法，通過(guò)觀測(cè)31005工作面10號(hào)煤層采動(dòng)過(guò)程中底板巖層視電阻率的變化，計(jì)算出底板破壞深度，并根據(jù)采動(dòng)造成的破壞深度劃分出一采區(qū)底板突水危險(xiǎn)區(qū)域，此研究可為河?xùn)|礦今后奧灰水防治工作提供重要依據(jù)，對(duì)承壓水上煤炭資源開采產(chǎn)生積極的影響。

1 采區(qū)及工作面概況

河?xùn)|煤礦一采區(qū)地面位于崔家溝溝谷東北部，地表大部分被第四系黃土層覆蓋，溝坡處有部分上、下石盒子組地層出露。31005工作面位于一采區(qū)的采區(qū)軌道巷東北部，切眼東北為礦井隔離煤柱與兩渡鎮(zhèn)八一煤礦相鄰，31005運(yùn)輸巷東南為集屯風(fēng)井保安煤柱，31005材料巷西北為正在掘進(jìn)的31006工作面，31005工作面平面及測(cè)站位置示意圖見圖1。工作面只開采10號(hào)煤，10號(hào)煤層屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，工作面標(biāo)高576～621m，地面標(biāo)高850～1000m，煤層平均厚度3.6m，煤層傾角為1～4.7°，平均2.8°，含夾矸2～3層，大部含2層夾矸。煤層頂板泥巖為主，局部為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，底板泥巖為主。由于采區(qū)所在位置——井田東北部煤層處于奧灰水水位以下，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，10號(hào)煤層突水系數(shù)最大0.12MPa/m，在地質(zhì)薄弱地帶富水性較弱的峰峰組與富水性強(qiáng)的馬家溝組形成水力聯(lián)系，對(duì)礦井生產(chǎn)威脅較大。并且采區(qū)內(nèi)有落差不等的數(shù)條斷層，其帶壓開采的安全性值得特別關(guān)注。

2 工作面底板破壞深度觀測(cè)

2.1 觀測(cè)方案

本次觀測(cè)鉆孔設(shè)在相鄰的31006工作面材料巷中，施工方便，觀測(cè)條件好，效果好。

圖1 31005工作面平面及測(cè)站位置示意

根據(jù)統(tǒng)計(jì)公式:h=0.0085H+0.1665α+0.1079L－4.3579和經(jīng)驗(yàn)公式:h=1.86+0.11L計(jì)算得到在無(wú)斷層影響下31005工作面10號(hào)煤層采后底板破壞深度分別為:17.95m和21.66m。公式中，H為開采深度，339m;α為煤層傾角，0°;L為工作面長(zhǎng)度，180m。因此，正常情況下預(yù)計(jì)底板破壞深度范圍為17～22m。

本次設(shè)計(jì)觀測(cè)方案為:參考理論計(jì)算底板破壞的結(jié)果，在31006工作面材料巷內(nèi)，P8測(cè)點(diǎn)向采空區(qū)26m處，施工無(wú)斷層時(shí)的底板破壞觀測(cè)鉆孔，鉆場(chǎng)尺寸為3m×3m×5m(高×寬×深)，鉆孔號(hào)為SD，鉆孔傾角－19°，方位角為垂直于31006工作面材料巷，長(zhǎng)度80m，孔徑為φ89mm。鉆孔內(nèi)埋設(shè)電極電纜，電纜有40個(gè)電極，電極間距為2m，采用WDJD－3直流電法儀，觀測(cè)開采前以及開采過(guò)程中底板巖層視電阻率變化。鉆孔SD設(shè)計(jì)平面示意見圖2，施工剖面示意見圖3。鉆孔施工完畢后采用φ30mm塑料水管作為伴管將電纜電極送入鉆孔指定位置，并利用該水管返漿封孔。

圖2 鉆孔SD設(shè)計(jì)平面

圖3 鉆孔SD施工剖面

2.2 觀測(cè)結(jié)果分析

底板破壞深度觀測(cè)方法為礦井對(duì)稱四極電剖面法，該法根據(jù)工作面回采前后底板巖層視電阻率的變化判斷底板巖層的破壞情況 (若巖層破壞后裂隙內(nèi)未充水，電極測(cè)量得到的視電阻率將明顯變大;若巖層破壞后裂隙內(nèi)被水充滿，得到的視電阻率將急劇減小)，確定采動(dòng)礦壓引起的底板破壞深度。為了針對(duì)性地解決直流電法數(shù)據(jù)多解性問(wèn)題，本次觀測(cè)采用改變供電極距的辦法，分別采取單倍距 (AB/2=3m)、雙倍距 (AB/2=6m)和三倍距(AB/2=9m)在同一時(shí)期內(nèi)重復(fù)觀測(cè)底板巖層的視電阻率，以獲取底板破壞深度的惟一解［3］。

為確保礦井的安全生產(chǎn)和測(cè)量正常進(jìn)行，電極電纜安裝入鉆孔內(nèi)部之后采用注漿封孔。為了使封孔造成的影響能更加真實(shí)地反映出來(lái)，給予了水泥充足的凝固時(shí)間。視電阻率背景值測(cè)量在鉆孔注漿封孔2d以后，測(cè)得的背景值基本能反映出底板巖層加固后的真實(shí)視電阻率。為了能夠取得足夠的數(shù)據(jù)分析底板巖層在工作面回采過(guò)程中的破壞規(guī)律，電極電纜安裝完成之后采動(dòng)過(guò)程中總共進(jìn)行了5次數(shù)據(jù)觀測(cè) (工作面采前距鉆孔300m，3m;采后距鉆孔1.8m，9m，14.8m)。

根據(jù)各次測(cè)量的數(shù)據(jù)，分別得到工作面推進(jìn)過(guò)程中鉆孔單倍距、雙倍距和三倍距3種情況下的視電阻率變化曲線，如圖4、圖5和圖6(采前11表示回采前單倍距第1次觀測(cè))。

在確定評(píng)估指標(biāo)后，采用專家打分法對(duì)評(píng)估指標(biāo)之間的重要程度進(jìn)行比較量化。一般的，將比較結(jié)果分為5個(gè)等級(jí)：相同、稍強(qiáng)、較強(qiáng)、很強(qiáng)和絕對(duì)強(qiáng)，并且用1～9來(lái)表示。通過(guò)專家打分對(duì)評(píng)估指標(biāo)的重要性進(jìn)行判定，構(gòu)造一級(jí)評(píng)估指標(biāo)的判斷矩陣，如表2。

圖4 鉆孔SD單倍距測(cè)量數(shù)據(jù)

圖5 鉆孔SD雙倍距測(cè)量數(shù)據(jù)

圖6 鉆孔SD三倍距測(cè)量數(shù)據(jù)

單倍距數(shù)據(jù)分析:由圖4可知，鉆孔中部12～19號(hào)測(cè)點(diǎn)巖體視電阻率數(shù)值較背景值明顯增大，表明此區(qū)域巖層在工作面回采過(guò)程中受支撐壓力作用而破壞，其最大破壞深度位置可能出現(xiàn)在單倍距19號(hào)測(cè)點(diǎn)位置。

雙倍距數(shù)據(jù)分析:雙倍距和三倍距測(cè)量范圍都較大，能更大范圍地揭露巖層視電阻率的變化情況。由圖5可知，視電阻率在9～20號(hào)測(cè)點(diǎn)之間有明顯的變大現(xiàn)象，此時(shí)得出底板最大破壞深度位置可能位于雙倍距20號(hào)測(cè)點(diǎn)位置。

三倍距數(shù)據(jù)分析:由圖6可知，由整個(gè)采動(dòng)過(guò)程中視電阻率數(shù)據(jù)變化分析可得7～21號(hào)測(cè)點(diǎn)之間巖層視電阻率較原始背景值有明顯的增大現(xiàn)象，底板破壞深度的極大值位置可能出現(xiàn)在三倍距21號(hào)測(cè)點(diǎn)位置。

單倍距、雙倍距、三倍距的數(shù)據(jù)顯示，在測(cè)點(diǎn)21號(hào)以后數(shù)值都進(jìn)入較穩(wěn)定階段，說(shuō)明此階段受到擾動(dòng)但沒(méi)有形成大的破壞。采前工作面距離鉆孔水平軸線3m時(shí)，視電阻率達(dá)到了峰值，表明此時(shí)底板已受到超前壓力的影響后并由壓縮區(qū)進(jìn)入膨脹區(qū)，破壞達(dá)到最大。采后1.8m時(shí)數(shù)值稍有變小，但不是很明顯，認(rèn)為此時(shí)鉆孔仍然在膨脹區(qū)。采后9m，14.8m的數(shù)據(jù)有明顯的變小，并接近背景數(shù)據(jù)，說(shuō)明此時(shí)鉆孔已進(jìn)入采空區(qū)壓縮區(qū)域［4］。

根據(jù)不同極距探測(cè)的范圍的不同，畫出單倍距、雙倍距、三倍距的測(cè)點(diǎn)的示意圖，并根據(jù)破壞異常點(diǎn)畫出馬鞍形破壞區(qū)域可包羅的范圍示意圖(見圖7)。本次觀測(cè)所得的巖體視電阻率數(shù)據(jù)在垂向方向上相對(duì)鉆孔的空間位置可能出現(xiàn)2種情況，觀測(cè)數(shù)據(jù)為鉆孔法線方向上方巖層視電阻率或下方巖層視電阻率。

若觀測(cè)數(shù)據(jù)為下方巖體視電阻率時(shí):由單倍距、雙倍距、三倍距數(shù)據(jù)分析可得B1，B2，B3曲線，其分別為3種電極距下測(cè)得的底板導(dǎo)水破壞帶，由數(shù)據(jù)分析得到單倍距數(shù)值增大區(qū)間范圍較小，雙倍距和三倍距范圍增大，這與馬鞍形的破壞形態(tài)是相矛盾的，故認(rèn)為這種情況是錯(cuò)誤的。

若觀測(cè)數(shù)據(jù)為上方巖體視電阻率時(shí):由單倍距、雙倍距、三倍距數(shù)據(jù)分析可得A1，A2，A3曲線，其分別為3種電極距下測(cè)得的底板導(dǎo)水破壞帶，測(cè)得的數(shù)據(jù)顯示一倍距、二倍距、三倍距的破壞區(qū)域范圍是擴(kuò)大的，符合馬鞍形破壞形態(tài)特征及電測(cè)法原理。

圖7 地質(zhì)點(diǎn)空間分布及各極距探測(cè)底板導(dǎo)水破壞帶結(jié)果

綜合上述分析可得底板破壞深度的極大值位置位于A321測(cè)點(diǎn)位置，當(dāng)?shù)装迤茐纳疃劝l(fā)展到極大值時(shí)，破壞深度為17.26m，此時(shí)工作面到鉆孔的距離為3m。

3 一采區(qū)底板突水危險(xiǎn)性分析

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》按不考慮底板破壞深度的突水系數(shù)計(jì)算公式:

式中，Ts為突水系數(shù);P為含水層水壓，MPa;M為隔水層厚度，m。

根據(jù)河?xùn)|礦實(shí)際情況，考慮到礦壓對(duì)底板的破壞因素，采用經(jīng)過(guò)修改后的突水系數(shù)的表達(dá)式:

式中，Ts1為修改后的突水系數(shù);M為隔水底板厚度，m;Cp為底板破壞深度，m。

根據(jù)不同鉆孔柱狀計(jì)算的一采區(qū)開采10號(hào)煤時(shí)不同地點(diǎn)的突水系數(shù)如表1。

表1 一采區(qū)開采10號(hào)煤突水系數(shù)

用突水系數(shù)評(píng)價(jià)底板穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于確定臨界突水系數(shù)Ts(Ts1)，可定義為每米隔水層厚度所能承受的最大水壓。若T＜Ts(Ts1)，說(shuō)明底板穩(wěn)定，突水可能性小;反之則說(shuō)明突水可能性大。若按不考慮采動(dòng)影響的突水系數(shù)，一采區(qū)突水系數(shù)為0.014～0.024MPa/m，小于0.06MPa/m的臨界值，因此一采區(qū)工作面發(fā)生突水的可能性低。

當(dāng)考慮采動(dòng)破壞影響時(shí)由計(jì)算所得的突水系數(shù)(Ts1)合成突水性等值線圖如圖8。

圖8 一采區(qū)開采10煤底板突水性等值線

若同樣根據(jù)底板突水系數(shù)大于0.06MPa/m時(shí)不安全的評(píng)價(jià)原則，如圖8所示，圖中細(xì)等值線表示區(qū)域底板突水性系數(shù)小于0.06MPa/m，沒(méi)有突水性危險(xiǎn)，但不能排除地質(zhì)薄弱地段的開采的突水危險(xiǎn);圖中加粗等值線區(qū)域 (鉆孔崔K－5附近)突水性系數(shù)大于0.06MPa/m，有突水危險(xiǎn)。此外由于一采區(qū)斷層發(fā)育，斷層可能導(dǎo)通奧陶系主含水層，將使底板突水性危險(xiǎn)增大，開采過(guò)程中應(yīng)該注意加強(qiáng)底板防治水工作。

4 總結(jié)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電剖面法，采用改變電極距的方法實(shí)測(cè)得出破壞惟一解，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析計(jì)算得到破壞深度的極大值約為17.26m，因此認(rèn)為電測(cè)法實(shí)用、適應(yīng)性強(qiáng)，是一種值得推廣應(yīng)用的底板破壞深度觀測(cè)方法［5］。

由計(jì)算的突水系數(shù)及等值線圖可以看出一采區(qū)大部分地區(qū)底板突水性系數(shù)小于0.06MPa/m，沒(méi)有突水性危險(xiǎn)，但不能排除地質(zhì)薄弱地段和斷層構(gòu)造帶的突水危險(xiǎn);在鉆孔崔K－5附近局部區(qū)域，考慮采動(dòng)破壞時(shí)的突水性系數(shù)大于0.06MPa/m，有突水危險(xiǎn)。此外由于一采區(qū)斷層發(fā)育，斷層可能導(dǎo)通奧陶系主含水層，將加大底板突水危險(xiǎn)性。因此，在開采該區(qū)域時(shí)，應(yīng)注意加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，做好帶壓開采的安全防水措施。

［1］桂和榮，龔乃勤，孫本魁.“深部開采底板突水控制論”研究基本思路及方案［J］.淮南工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1999(4).

［2］李白英.預(yù)防礦井底板突水的“下三帶”理論及其發(fā)展與應(yīng)用［J］.山東礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1999(4).

［3］李海梅，關(guān)英斌.綜采工作面底板破壞深度的研究 ［J］.礦山壓力與頂板管理，2002，19(4).

［4］謝海應(yīng).直流電法儀在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.山西焦煤科技，2008(8).

［5］王家臣，許延春，徐高明，等.礦井電剖面法探測(cè)工作面底板破壞深度的應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38(1).

Analysis of Floor Water-burst Danger in 1st Mining Region of Hedong Colliery

XU Yan-chun1，LI Jiang-hua1，YAO Yi-lin1，WU Wen-li2，CAO Hai-chang2
(1.Resources＆ Safety Engineering School，China University of Mining ＆ Technology(Beijing)，Beijing 100083，China;2.Hedong Colliery，Shanxi Fenxi Mining(Group)Co.，Ltd，Jiexiu 032000，China)

In order to improve coal resource utilization ratio and ensure mining safety over pressure water under complex hydrogeology condition，applying electrical profiling method to surveying floor failure depth after mining 10th coalseam of 31005 face in Hedong Colliery.Floor water-burst coefficients of different places were calculated with survey data and water-burst danger area was found by software.Result showed that water-burst danger in fault tectonic zone near K-5 borehole was large and corresponding water prevention should be adapted.The result could provide important reference for later floor water-burst prevention.

floor water-burst;electrical profiling method;failure depth;water-burst coefficient

TD745

A

1006-6225(2012)03-0089-04

2012－03－14

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 (973)項(xiàng)目 (2007CB209402)

許延春 (1963－)，男，河北樂(lè)亭人，博士生導(dǎo)師，研究員，從事近水體安全采煤研究。

［責(zé)任編輯陳佩佩］