樊振麗

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

隨著我國煤礦開采水平的不斷延伸、開采深度及強度的增大，許多礦井將面臨更加復雜的水文地質條件，特別是華北型煤田下組煤開采受灰?guī)r巖溶承壓含水層的威脅日益嚴重[1-3]。目前，對底板水害的評價方法主要有突水系數法、脆弱性指數法及五圖雙系數法等，其中，突水系數法以其簡單、實用的優(yōu)點被廣泛應用于煤層底板突水危險性評價以及礦井的生產實踐中。

眾所周知，突水系數法是以典型大水礦區(qū)底板突水資料為基礎，經統(tǒng)計分析于1964年焦作水文地質大會提出的，計算式為Ts=P(水壓)/M(底板隔水層厚度)。煤炭科技及現場工程人員經幾十年的實踐和研究，認為煤層底板突水是受含水層水壓、富水性及滲透性、底板隔水層厚度、礦山壓力、底板巖層組合以及地質構造等多種因素綜合作用的結果，且初始的突水系數計算公式評價結果在不同礦井出現了不適用等情況，因而國內相關科研機構及學者在實踐中不斷深入研究探討，使突水系數計算公式不斷得以改進，所考慮的引發(fā)底板突水的各項影響因素逐漸接近客觀實際[4-5]。2018年6月4日，國家煤礦安全監(jiān)察局印發(fā)的《煤礦防治水細則》將初始公式作為評價底板突水危險性的計算公式，即僅以含水層水壓和底板隔水層厚度作為計算要素獲取突水系數值。筆者認為初始突水系數計算式作為統(tǒng)計意義的經驗公式是底板突水綜合要素的量值反映，具有相對較好的適用性，但是，該公式畢竟在一些礦區(qū)出現了小于突水系數臨界值突水或者大于甚至遠大于突水系數臨界值未突水的情況，鑒于此，從學術角度探討礦山壓力(對應計算要素為底板破壞帶深度)、底板巖層組合(對應計算要素為等效隔水層厚度)、奧灰原始導升帶、含水層富水性、地質構造等作為突水系數計算要素，從而解決特定煤層水文地質條件下的底板突水評價問題是有意義的。

國內許多學者和科研機構在將底板突水主控因素作為突水系數計算要素方面做了大量工作[6-8]。目前，較完善的突水系數公式考慮了底板破壞深度、有效隔水層厚度、奧灰原始導升帶、奧灰頂部隔水層等計算要素，形成式(1)改進型突水系數計算式[9]。

(1)

式中，P為煤層底板隔水層承受的水壓力，MPa;Mi為底板隔水層中第i層巖層厚度，m；ξi為底板隔水層中第i層巖層等效隔水系數(無巖溶化灰?guī)r、泥灰?guī)r為1.3，泥巖、泥灰?guī)r、黏土、頁巖為1.0，砂質頁巖為0.8，褐煤為0.7，砂巖為0.4，砂、礫石、碎石、巖溶化灰?guī)r、垮落裂縫帶為0)；Cp為采礦對底板擾動的破壞深度，m；Hd為承壓水導升高度，m；M0為奧灰頂部充填隔水層厚度，m。

式(1)較全面地體現了底板突水主控因素，但是底板含水層的富水性和地質構造這兩大重要因素并未以計算要素的形式出現。含水層的富水性呈現不均一性，水壓僅是含水層屬性的表現因素之一，某區(qū)域水壓高并不代表其富水性好，若該區(qū)域不富水則不易發(fā)生底板突水或突水量不大。而承壓水體上的開采實踐證明，構造使得底板相對隔水層變薄，構造區(qū)域往往是發(fā)生底板突水的危險區(qū)。

煤礦現場鉆探反映出，若某區(qū)域灰?guī)r含水層富水性差，即使突水系數大也不容易突水；某區(qū)域突水系數再小，但是存在斷層、陷落柱等導水構造，突水危險性驟增。因此，本文探討一種研究思路將含水層富水性和地質構造因素轉化為突水系數計算要素，從而解決上述問題。

1 含水層富水性計算要素表征

1.1 含水層富水性與底板突水的關聯(lián)分析

根據肥城、焦作、淄博、峰峰、鄭州、西山、霍州、晉北等礦區(qū)突水資料的分析[8,10-12]，以突水點規(guī)模為依據，將突水點單位涌水量與突水量進行關聯(lián)分析，如表1所示。

表1 突水規(guī)模與含水層富水性(q)關聯(lián)性統(tǒng)計

注：①小型突水：Q≤60m3/h；②中等突水：60m3/h1800m3/h。

由表1統(tǒng)計可知，當含水層富水性指標q≤0.1L/(s·m)(傳統(tǒng)弱富水性)時，以發(fā)生小型突水為主，且突水次數占比較?。话l(fā)生大型及特大型底板突水時，含水層富水性指標q>5L/(s·m)，即在傳統(tǒng)的極強富水性含水層(段)時才發(fā)生大型及特大型突水；小型突水最易發(fā)生在0.11L/(s·m)時，且在1

由此可見底板突水的發(fā)生與否和突水點規(guī)模與巖溶含水層富水性息息相關。若隔水層厚度一定，底板巖層完整的條件下，開采區(qū)段底部含水層富水性越強，發(fā)生突水的可能性越大，且突水規(guī)模越大。當使用初始突水系數公式計算值較大時，富水性參數q≤0.1L/(s·m)時，底板突水可能性小；另外，統(tǒng)計顯示當q≤0.05L/(s·m)時，即使初始公式突水系數值大，底板仍有極大可能不突水。

1.2 含水層富水性影響系數

由巖溶發(fā)育特征和富水性對底板突水關聯(lián)分析結果可知，使用突水系數法評價底板突水危險性時，須考慮含水層富水性特征。當含水層富水性弱(q≤0.05L/(s·m))時，底板基本無突水事故，含水層向采掘空間充水水源和強度不足，這種情況下應弱化突水系數；當含水層富水性參數為0.055L/(s·m)時多發(fā)生大型和特大型突水，易發(fā)生災難性后果，應注意防范底板水害，并提供安全預防級別，預測時應增大富水性的影響程度。據此提出含水層富水性影響系數(Kω)，以反映底板含水層富水性對底板突水危險性評價的貢獻，Kω賦值見表2。

表2 不同富水性級別含水層富水性影響系數(Kω)取值

注：Kω賦值依據突水系數折減效果及現場突水案例符合程度綜合確定，隨底板突水樣本的增加，應適時修正。

2 地質構造計算要素表征

構造因素是底板突水的關鍵因素和最重要的控制因素[13]。初始突水系數計算公式應用時，存在突水系數安全區(qū)在構造的影響下突水的情況。針對這種情況，提出構造規(guī)模指數(Sc)和構造底板完整性系數(Kc)的概念。

定義標準統(tǒng)計單元格內(1000m×1000m)，斷層、陷落柱和褶皺軸部及其影響區(qū)面積占整個單元格的比值為構造規(guī)模指數(Structure Scale Index)。

構造規(guī)模指數的表達式：

Sc=Sf+Sk+Sfa

(2)

式中，Sc為構造規(guī)模指數；Sf為斷層規(guī)模指數；Sk為巖溶陷落柱規(guī)模指數；Sfa為皺褶軸影響指數。

斷層規(guī)模指數表達式：

(3)

式中，S為統(tǒng)計單元格面積，m2；Lfi為第i條斷層落在單元格內走向長度，m；Hi為第i條斷層落差，m；n1為統(tǒng)計單元格中的斷層數。

巖溶陷落柱規(guī)模指數表達式：

(4)

式中，Ssi為第i個巖溶陷落柱橫截面面積，m2；hi為第i個陷落柱垂高，m；n2為統(tǒng)計單元格中的巖溶陷落柱個數。

褶皺軸影響指數表達式：

(5)

式中，Lfai為第i個褶皺軸落在單元格中走向長度，m；Di為第i個褶皺翼核垂高，m；n3為統(tǒng)計單元格中的褶皺軸個數。

將式(3)～(5)代入式(2)中，可得：

(6)

利用式(6)計算出井田全部構造規(guī)模指數后，將各個統(tǒng)計單元格構造規(guī)模指數進行歸一化處理，評價井田受構造影響程度。

歸一化公式為：

(7)

歸一化的構造規(guī)模指數反映了不同區(qū)塊對底板突水的構造控制程度，利用突水系數法進行突水危險性評價時，主要體現在構造對底板隔水層完整性影響系數參數中。底板隔水層完整性系數(Kc)反映了構造對底板突水相對隔水層完整性的影響程度，Kc值越大，底板越破碎，抵抗水壓的能力越差，越易發(fā)生底板突水。不同構造規(guī)模指數下底板完整性系數見表3。

表3 構造規(guī)模指數與底板完整性系數取值

3 富水構造型突水系數全要素計算式

將含水層富水性和地質構造作為突水系數法的計算要素，在公式(1)的基礎上提出富水構造型突水系數計算公式：

(8)

該公式不僅考慮了含水層水壓、相對隔水層厚度、底板采動破壞帶、承壓水導升帶和奧灰含水層頂部隔水層，還將巖溶含水層富水性和構造影響這兩個重要因素納入底板突水評價中，形成全計算要素的突水系數計算式。

4 初始突水系數與富水構造型突水系數評價結果對比

4.1 評價區(qū)概況

河東煤田離柳礦區(qū)某礦剛進入下組煤開采，主采太原組9號煤，煤層平均采厚4m，采用長壁后退式綜采一次采全高采法，全部垮落法管理頂板，9號煤層開采主要受底板奧灰水害威脅。

煤層底板隔水層承受的奧陶系灰?guī)r含水層水壓變化范圍為0.52～3.42MPa，水壓等值線如圖1所示；奧陶系峰峰組富水性極不均勻，淺埋區(qū)強于深埋區(qū)，富水性大部區(qū)域屬中等級別，即0.1

圖1 9號煤層底板隔水層所受奧灰含水層水壓等值線

煤層底板下伏太原組、本溪組和奧陶系峰峰組地層，煤層底板距奧灰峰峰組含水層57.3～67.5m，如圖2所示。下組煤至奧陶系峰峰組頂界地層以泥巖類地層為主，較軟弱，易受采動影響而破壞形成采動破壞帶、層間離層裂隙，但是，在不受構造影響的情況下，該段隔水層隔水性能良好，是抵抗底板突水的重要地質屏障。

圖2 9號煤層至奧灰含水層間隔水層厚度等值線

4.2 初始突水系數計算式評價

4.3 富水構造型突水系數計算式評價

利用富水構造型突水系數法進行評價，需逐步分析各計算要素的取值，除了水壓通過地勘資料獲得外，其他計算要素要根據采區(qū)或鉆孔信息進行獲取。

(1)含水層富水性系數Kω：井田范圍奧陶系峰峰組含水層富水性處于0.05

(2)底板完整性系數Kc：井田構造簡單，僅在井田西南部9號拐點區(qū)域發(fā)育有4條斷層，東部9號煤層大巷掘進時發(fā)現了4個陷落柱，根據井田構造發(fā)育情況，劃分評價網格，計算構造規(guī)模指數、底板完整性系數[14]。

(3)等效隔水層厚度ΣMi·ξi：根據各鉆孔煤層至奧灰含水層不同巖性地層的分層厚度、等效隔水系數，計算獲取各鉆孔的等效隔水層厚度。9號煤層距離峰峰組頂界等效隔水層分布如圖4所示。

圖4 9號煤層至奧灰等效隔水層厚度等值線

由圖2和圖4可知，9號煤層有效隔水層厚度較實際煤層底板至奧灰頂界面之間的相對隔水層厚度均有折減，但折減幅度不大，說明下組煤底板至奧灰含水層泥巖類地層比重大，底板巖層具有良好的隔水性能。

(4)底板破壞帶深度Cp：根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》，考慮采深、傾角和工作面斜長因素，底板采動破壞帶深度計算公式：

Cp=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

(9)

式中，H為開采深度，m；α為煤層傾角，(°)。

斷層帶附近的采動導水破壞帶深度比正常巖層中增大約0.5～1.0倍。

9號煤層平均埋深約373m；煤層傾角平均5°；工作面斜長200m。代入式(9)計算可得9號煤層底板破壞深度約21.23m。

(5)奧灰承壓水導升帶高度hd：承壓水導升帶的存在與奧灰含水層之上地層的原生裂隙關系密切，若該層原生裂隙越發(fā)育，則承壓水導升帶越高，反之則相反。該礦奧灰含水層之上為本溪組泥巖、鋁土巖類隔水層，原生裂隙不發(fā)育，承壓水越過隔水層而導升的可能性小，因此，這里取承壓水導升帶高度為0。

(6)奧灰含水層頂部充填隔水層厚度M0：根據鉆探資料，鉆孔進入奧灰含水層后，多數鉆孔即出現大小不一的涌水量，可見本礦奧灰頂部風化帶充填不好，無充填隔水層存在，故M0取值為0。

將以上取值代入公式(8)計算各鉆孔的富水構造型突水系數，通過插值運算，繪制煤層底板突水危險性分區(qū)圖(圖5)。

圖5 富水構造型突水系數等值線

由圖5可知，富水構造型突水系數法評價結果突出了富水性、構造的影響，與初始突水系數法評價結果相比，該評價結果預警意義顯著。正常塊段突水危險區(qū)有3個，其中Ⅰ區(qū)受水壓和斷層影響明顯，突水系數突破了0.1MPa/m的臨界值；Ⅱ區(qū)主要受斷層影響，突水系數明顯增大；Ⅲ區(qū)受陷落柱影響顯著。礦井采掘工程表明，若依據原始突水系數評價結果，下組煤開拓大巷屬安全區(qū)，但實際上出現巷道底板突水現象，而富水構造型突水系數法可以對該情形進行預測，是該方法的優(yōu)勢所在。

5 結束語

(1)煤層底板突水是多重地質、采礦因素綜合影響的結果。初始突水系數計算式采用水壓和隔水層厚度2個計算要素反映眾多影響因素對底板突水的作用結果，在水壓低、采動影響適中等歷史背景條件下具有其合理性和實用性，但是其并非普適于各個礦井。隨著深部開采、地質復雜礦井、富水性不均底板等礦井的增多，進行多計算要素形式的探討研究是有實踐意義的。

(2)探索性地將底板含水層的富水性和地質構造對底板突水的作用，以量化的計算要素形式納入突水系數的計算，提出含水層富水性系數和底板完整性系數及其計算方法。

(3)富水構造型突水系數法所反映的含水層富水性和構造區(qū)威脅，均是基于已探明的水文地質條件和構造分布而形成的評價結果，因此，礦井應進一步查明未采區(qū)水文地質條件，采用先進探測技術對含水層富水性、地質構造進行探查，查明其富水性和導水性特征，進而進一步修正突水系數法的評價結果。