賀志宏

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 介休032000)

我國煤炭資源豐富，是能源組成的重要部分，然而我國也是世界上煤礦水害最嚴(yán)重的國家之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)有60%的煤礦不同程度地受到底板巖溶承壓水的威脅，僅華北地區(qū)受其危害的礦井就有230多個(gè)，造成40%左右的煤炭不能正常開采。采煤工作面或巷道底板隔水層之下巖溶承壓水突水事故占我國煤礦總突水事故的30%以上。

中國煤田經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的開采，底板水害日趨嚴(yán)重，如何將這些煤炭從承壓水威脅中解放出來，實(shí)現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)，一直是中國煤礦水害防治技術(shù)研究的重要課題。

煤層底板突水影響因素很多，但主要是含水層的富水性、水壓力以及隔水巖層等。含水層的富水性是發(fā)生底板突水的內(nèi)在因素，它決定著突水水量的大小及突水量的動態(tài)特征，水壓力的存在是驅(qū)動含水層水流入礦坑的動力，而底板破壞所形成的破裂是地下水得以流動的通路和咽喉，只有當(dāng)三者同時(shí)存在并達(dá)到某種特殊組合時(shí)，才能發(fā)生底板突水。長期以來，研究礦壓、水壓及隔水巖層阻水能力之間的相互關(guān)系成為研究采煤工作面底板是否突水的核心問題。突水系數(shù)概念的提出是這一研究成果的典型代表。但從突水系數(shù)研究的過程可以看出，突水系數(shù)的計(jì)算公式還存在一定的問題。

1 突水系數(shù)在煤層帶壓開采中的演變

對煤層底板水害的研究歷史可直接反映于突水系數(shù)理論的發(fā)展變化過程，關(guān)于突水系數(shù)值的計(jì)算方法經(jīng)歷了多次變化和修正。

60年代，最早提出的突水系數(shù)就是作用于底板隔水層的水壓與底板隔水層厚度之比值。其表達(dá)式可簡單地寫為:

式中:Ts為突水系數(shù)(MPa/m);P為作用于隔水層底板的水壓力(MPa);M為底板隔水巖層厚度(m)。

這一公式顯然過于簡單，未能考慮采礦等諸多因素的影響。在此基礎(chǔ)上，通過對全國部分礦區(qū)突水實(shí)際資料的分析和底板隔水層壓水試驗(yàn)，對計(jì)算公式進(jìn)行了修正:

式中:CP為采礦造成的導(dǎo)水裂隙帶厚度(m)。

其它參數(shù)同上。

后來，又提出了下三帶理論，將煤層底板劃分為礦壓破壞帶、完整隔水帶及原始導(dǎo)高帶。

對突水系數(shù)公式進(jìn)一步進(jìn)行修正:

式中:MⅠ為礦壓破壞帶厚度(m);MⅡ?yàn)橛行Ц羲畬雍穸?m);MⅢ為原始導(dǎo)升帶厚度(m)。

其它參數(shù)同上。

式(3)較式(1)相比，充分考慮了礦壓及水壓對底板隔水層的破壞和影響，應(yīng)該說更加符合實(shí)際情況，但該公式中仍未考慮底板隔水層是由不同性質(zhì)的巖層復(fù)合而成，且不同巖石有著完全不同的力學(xué)性質(zhì)和抗水壓能力。因此，不能單純以巖層的實(shí)際厚度來計(jì)算突水系數(shù)，而應(yīng)根據(jù)巖石本身的力學(xué)強(qiáng)度和隔水性能對實(shí)際厚度進(jìn)行計(jì)算，得出一個(gè)假定巖體強(qiáng)度和隔水性能均一的等效隔水層厚度(Me)。為此，就提出了等效隔水層厚度的計(jì)算公式:

式中:M為底板隔水層的實(shí)際量測厚度(m);Me為底板隔水層的等效厚度(m);ξ為底板隔水層的強(qiáng)度比值系數(shù);Mi為底板隔水層中某一性質(zhì)巖石的厚度百分底板隔水層中i層巖石的強(qiáng)度比值系數(shù)。

不難看出，確定有效隔水層厚度的關(guān)鍵在于如何確定不同性質(zhì)巖層的強(qiáng)度比值系數(shù)，對于這一問題目前還缺乏系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究，王夢玉教授曾根據(jù)邯鄲地區(qū)的現(xiàn)場壓水試驗(yàn)資料獲得了下表1所列的強(qiáng)度比值系數(shù)。

在獲得了等效隔水層厚度后，并考慮礦壓和原始水壓的因素所得到新的突水系數(shù)的計(jì)算公式如下:

式(5)對底板隔水層的分帶性、分層性及其巖性特征都有所考慮，應(yīng)該說比前述的幾種突水系數(shù)計(jì)算方法有了很大的改進(jìn)。

但從突水系數(shù)計(jì)算公式的演變過程來看，不難看出，其主要研究工作都集中于對底板隔水層本身結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)上，而對作用在煤層底板隔水層上的水壓力的研究沒有涉及。在計(jì)算中我們利用的水壓值為煤層隔水層底板含水層水壓力，而實(shí)際的水壓值應(yīng)為含水層水流在導(dǎo)升帶中劈裂導(dǎo)升后的水壓值，即為殘余水壓(如圖1)。

圖1 底板隔水層不同位置水壓力分布示意圖

由此可見，考慮多種因素的底板隔水層突水系數(shù)的計(jì)算公式應(yīng)為:

式中:PC為為原始水壓導(dǎo)升帶上駐點(diǎn)的殘余水頭壓力;P0為煤層底板含水層原始水壓(MPa);η為含水層水流在隔水層導(dǎo)升帶中遞升過程中的水頭損耗率;K為隔水層滲透系數(shù)(m/d)。

其它參數(shù)同上。

公式(7)與以上其它計(jì)算公式相比，突水系數(shù)計(jì)算公式有了更進(jìn)一步的改進(jìn)，更能客觀、全面地反映煤層開采實(shí)際條件。它不僅考慮了煤層底板的分帶以及底板巖性組合，而且還考慮了煤層底板的殘余水壓問題，使公式更反映條件真實(shí)性，更具有實(shí)用性。對重新定義受水威脅煤炭資源的概念以及深部煤炭安全開采預(yù)測預(yù)報(bào)具有重要意義。

2 突水系數(shù)在煤層帶壓開采應(yīng)用中存在主要缺陷

多年來，由于突水系數(shù)計(jì)算簡單，易于分析，被大家一直廣泛應(yīng)用于礦井煤層帶壓開采的安全分區(qū)評價(jià)中，對煤礦安全開采起到了至關(guān)重要的指導(dǎo)作用。但從突水系數(shù)計(jì)算公式演變過程可以看出，突水系數(shù)的應(yīng)用還存在諸多問題。

在2009年12月1日《煤礦防治水規(guī)定》頒布實(shí)施之前，大家廣泛應(yīng)用的突水系數(shù)計(jì)算公式一般為公式(3)，而且很長一段時(shí)間被業(yè)內(nèi)認(rèn)可。該公式計(jì)算中考慮了煤層底板采動破壞深度及底板隔水層的原始導(dǎo)升高度，與原始公式(1)相比有較大的改進(jìn)。但根據(jù)突水系數(shù)安全分區(qū)臨界值為一統(tǒng)計(jì)值，只與最初原始公式計(jì)算結(jié)果具有一定的對應(yīng)關(guān)系，而與公式(3)無對應(yīng)關(guān)系。鑒于以上情況，在《煤礦防治水規(guī)定》中將突水系數(shù)計(jì)算公式修改為公式(1)。

而從突水系數(shù)計(jì)算公式演變過程來看，利用公式(1)計(jì)算突水系數(shù)計(jì)算及應(yīng)用存在諸多缺陷:

(1)計(jì)算公式中未考慮煤層底板隔水層實(shí)際存在的采動擾動破壞深度及原始倒升高度，增大了隔水層厚度，與生產(chǎn)實(shí)際不符，缺乏一定的真實(shí)性;

(2)計(jì)算公式中只考慮了煤層底板隔水層的厚度，而對隔水層自身的特性(如強(qiáng)度、滲透性、阻水性等)未加考慮，不論隔水層的強(qiáng)度大小如何、滲透性及阻水性強(qiáng)弱，只要煤層底板隔水層厚度相等，底板受水壓力一樣，則突水系數(shù)值也就一樣，缺乏一定的科學(xué)性;

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，煤層底板隔水層存在原始導(dǎo)升高度時(shí)，含水層水流在隔水層導(dǎo)升過程中存在一定的壓力損耗(如圖2)，而實(shí)際作用在煤層底板隔水層上的水壓力為含水層水導(dǎo)升后的殘余水壓力Pc，而不是P0。

圖2 隔水層中殘余水頭隨導(dǎo)升高度變化曲線圖(滲透系數(shù)K=0.067 8m/d)

(4)由于突水系數(shù)計(jì)算未考慮隔水層自身特性，不論隔水層強(qiáng)度及阻水性如何，而煤層開采安全性是一樣的，因此，利用公式(1)計(jì)算結(jié)果評價(jià)煤層帶壓開采安全性對實(shí)際生產(chǎn)存在一定的誤導(dǎo)和安全隱患。

3 突水系數(shù)計(jì)算公式選擇、參數(shù)獲取及存在問題

從突水系數(shù)計(jì)算公式演變過程中可以看出，計(jì)算公式(7)較為完善，并越來越嚴(yán)密，更加切合實(shí)際，對礦井安全生產(chǎn)更具有指導(dǎo)意義。

3.1 公式(7)中各參數(shù)的獲取

(1)殘余水壓Pc可利用原始導(dǎo)升高度隔水層的滲透系數(shù)計(jì)算獲得。

(2)底板隔水層厚度應(yīng)根據(jù)鉆孔資料利用強(qiáng)度比值系數(shù)對地層進(jìn)行有效折算后使用。強(qiáng)度比值系數(shù)可根據(jù)表1進(jìn)行選取。

(3)底板破壞深度一是可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式計(jì)算，二是根據(jù)區(qū)域或條件相似礦井在井下利用注水試驗(yàn)等方法實(shí)測獲取。建議采用礦區(qū)帶壓開采礦井現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，以便更有效指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)。

(4)原始導(dǎo)升高度可根據(jù)底板隔水層探查鉆孔資料和物探資料進(jìn)行實(shí)測分析求取。

3.2 不足及存在問題

(1)公式(7)計(jì)算及參數(shù)獲取稍顯繁雜。

(2)計(jì)算結(jié)果無與之對應(yīng)帶壓開采安全分區(qū)臨界值。這也是目前公式無法推廣使用的關(guān)鍵問題所在。臨界值需要根據(jù)近幾年全國礦井突水資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析獲得。

4 結(jié)語

(1)目前《煤礦防治水規(guī)定》突水系數(shù)計(jì)算存在諸多不足，且對煤礦安全開采評價(jià)存在一定安全隱患。

(2)新的突水系數(shù)計(jì)算方法更加嚴(yán)密精確、科學(xué)合理，更加切合實(shí)際，對煤炭開采水害防治具有重要意義。

(3)突水系數(shù)對礦井帶壓開采評價(jià)具有重要的指導(dǎo)作用。雖然計(jì)算公式在不斷更新，但其還存在一定的不足及問題，今后需進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。

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