任亞峰

(中煤華晉集團(tuán)晉城能源有限公司，山西 晉城 048200)

0 引言

我國(guó)煤礦水害事故時(shí)有發(fā)生，其中煤層底板承壓水突出是發(fā)生水害事故的原因之一。為了減少該類事故的發(fā)生，需要對(duì)底板突水的危險(xiǎn)性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，但是，由于底板突水機(jī)理的復(fù)雜性，突水影響因素的多樣性，使得底板突水的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)一直成為研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題[1-3]。煤層底板突水是一個(gè)受多種因素影響的復(fù)雜系統(tǒng)，在進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)時(shí)，要考慮多個(gè)因素的影響，如斷層構(gòu)造底板抗壓強(qiáng)度、有效隔水層厚度、奧灰含水層水壓、破壞深度、奧陶系灰?guī)r滲透系數(shù)等[4-7]。

長(zhǎng)期以來，眾多學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員對(duì)煤層底板突水預(yù)測(cè)等方面做了深入研究，主要評(píng)價(jià)方法有斯列薩列夫公式法、突水系數(shù)法和武強(qiáng)的脆弱性指數(shù)(五圖-雙系數(shù))法等，還有其他學(xué)者和科研工作者提出的各種支持性理論、模型等[8-11]。為此，主要采用突水系數(shù)法對(duì)里必井田承壓水帶壓開采進(jìn)行評(píng)估。

1 井田概況

里必井田位于山西省沁水縣東約7 km，屬于沁水煤田晉城礦區(qū)，主要開采煤層為3#和15#煤層，煤層埋深400～1 400 m，目前礦井正處于基建期。

1.1 井田地層及煤層概況

地層概況：井田地層由老至新為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組、峰峰組；石炭系中統(tǒng)本溪組，上統(tǒng)太原組；二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組和上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組；三疊系劉家溝組、和尚溝組；第四系更新統(tǒng)及全新統(tǒng)。

煤層概況：對(duì)里必井田內(nèi)的36個(gè)鉆孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，3#煤、15#煤煤層底板標(biāo)高統(tǒng)計(jì)結(jié)果生成等值線圖，3#煤、15#煤煤層底板標(biāo)高等值線分別如圖1、圖2所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，3#煤底板標(biāo)高范圍在-106.8～330.47 m之間，15#煤底板標(biāo)高范圍在-204.04～+250.94 m之間，底板標(biāo)高變化較大。從3#煤、15#煤底板標(biāo)高等值線圖中可看出，井田內(nèi)3#煤、15#煤底板標(biāo)高分布均呈現(xiàn)北東方向較低，南西方向較高的特點(diǎn)。

圖2 15#煤底板標(biāo)高等值線圖

1.2 井田主要含水層

含水層劃分：研究區(qū)內(nèi)的主要含水層自上而下可分為第四系沖洪積孔隙含水層，三疊系砂巖裂隙含水層，二疊系砂巖裂隙含水層，石炭系層間巖溶裂隙含水層，奧陶系巖溶裂隙含水層。其中奧陶系巖溶裂隙含水層的富水性中等，對(duì)3#和15#煤開采影響較大。

奧灰含水層：井田內(nèi)共有12個(gè)鉆孔揭露奧灰含水層，奧灰含水層頂板標(biāo)高統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，奧灰頂板標(biāo)高范圍在-87.75～+196.838 m；奧灰水壓等值線如圖3所示。整體趨勢(shì)也是呈現(xiàn)北東方向低，南西方向高的特點(diǎn)。井田內(nèi)5個(gè)鉆孔對(duì)奧灰含水層進(jìn)行了觀測(cè)，得到奧灰水位標(biāo)高分別為684.298 m、681.126 m、669.417 m、639.77m、630.35m。

圖3 奧灰水壓等值線圖

2 常規(guī)突水系數(shù)法評(píng)價(jià)

為充分利用鉆孔資料，對(duì)未揭露奧灰含水層的鉆孔，其15#煤至奧灰的距離采用已揭露鉆孔中15#煤至奧灰含水層的平均厚度34.55 m的方式來處理。在奧灰水壓值處理時(shí)，偏安全考慮，對(duì)未揭露奧灰含水層的鉆孔中奧灰水位標(biāo)高擬采用684.298 m。由此進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，最后，利用常規(guī)突水系數(shù)法公式分別計(jì)算出各鉆孔相應(yīng)的突水系數(shù)。

2.1 3#煤突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

計(jì)算結(jié)果：利用突水系數(shù)法公式計(jì)算結(jié)果表明，3#煤底板隔水層厚度在108.04～131.79 m，奧灰含水層中作用在奧灰頂板的水壓為4.679～9.229 MPa，3#煤的突水系數(shù)T值為0.041 0～0.070 MPa/m。3#煤底板隔水層厚度和突水系數(shù)等值線如圖4所示。

a-底板隔水層厚度；b-突水系數(shù)圖4 3#煤底板隔水層厚度和突水系數(shù)等值線圖

評(píng)價(jià)分析：依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，就全國(guó)實(shí)際資料看，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段不大于0.1 MPa/m。對(duì)于3#煤，在遠(yuǎn)離構(gòu)造發(fā)育的區(qū)域可視為正常塊段，當(dāng)其突水系數(shù)大于或等于0.1 MPa/m時(shí)突水可能性較大，而3#煤的突水系數(shù)T值為0.041 0～0.070 MPa/m，正常塊段內(nèi)突水的可能性較??；但在斷層周圍或陷落柱附近等底板受構(gòu)造破壞塊段開采時(shí)，仍然存在底板突水的可能性。此外，礦區(qū)東北部為深部采區(qū)，突水系數(shù)普遍大于0.06 MPa/m，存在一定的底板突水威脅，尤其是在斷層、陷落柱附近開采時(shí)，更具有底板突水的可能性。

2.2 15#煤突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

計(jì)算結(jié)果：利用突水系數(shù)法公式計(jì)算結(jié)果表明，15#煤至奧灰含水層的距離即15#煤底板隔水層厚度在14.55～44.28 m，奧灰含水層中作用在奧灰頂板的水壓為4.679～9.229 MPa，15#煤的突水系數(shù)T值為0.134 4～0.504 9 MPa/m。15#煤底板隔水層厚度和突水系數(shù)等值線分別如圖5所示。

評(píng)價(jià)分析：依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，就全國(guó)實(shí)際資料看，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段不大于0.1 MPa/m。15#煤突水系數(shù)T值為0.13～0.50 MPa/m，全部大于0.1 MPa/m，具有較大的底板突水威脅，依照《煤礦防治水規(guī)定》，該煤層全區(qū)域都具有突水的可能性。為保證安全開采，必須采取相應(yīng)的防治水措施。

3 等效厚度突水系數(shù)法評(píng)價(jià)

3.1 巖石等效厚度

計(jì)算方法：由于煤層底板隔水層是由不同性質(zhì)的巖層復(fù)合而成，不同巖石有著完全差異的力學(xué)性質(zhì)和抗水壓能力，因此不能以單純的巖層實(shí)際厚度來計(jì)算突水系數(shù)，而應(yīng)根據(jù)巖層本身的抗壓強(qiáng)度和隔水能力對(duì)實(shí)際厚度進(jìn)行計(jì)算，得出一個(gè)假定巖體強(qiáng)度和隔水能力均一的等效巖體隔水厚度(M′)。等效巖層厚度法計(jì)算的突水系數(shù)考慮了不同性質(zhì)巖層的巖石強(qiáng)度和阻水能力，計(jì)算更接近生產(chǎn)實(shí)際，結(jié)果更可靠。則新的突水系數(shù)計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：P—煤層底板隔水層承受的水壓，MPa；M′—煤層底板隔水層等效厚度，m。

可看出，確定不同性質(zhì)巖層的強(qiáng)度比值系數(shù)是確定有效隔水層厚度的關(guān)鍵所在，但對(duì)于這一問題目前還缺乏系統(tǒng)的理論和科學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究，煤炭科學(xué)總院西安研究院王夢(mèng)玉教授研究奧陶水壓巖層資料[12]，總結(jié)了以下巖層強(qiáng)度等效系數(shù)，見表1。

a-底板隔水層厚度；b-突水系數(shù)圖5 15#煤底板隔水層厚度和突水系數(shù)等值線圖

表1 巖石強(qiáng)度等效系數(shù)表

計(jì)算結(jié)果：將隔水層中的各種巖性巖層厚度換算成相應(yīng)的等效厚度，進(jìn)而累加生成隔水層等效厚度，然后再利用突水系數(shù)法，使用公式(1)計(jì)算出3#煤和15#煤等效厚度突水系數(shù)。15#煤至奧灰之間的等效厚度是采用已經(jīng)揭露的奧灰鉆孔資料中等效厚度的平均值21.115 m作為未揭露奧灰鉆孔的等效厚度。

3.2 3#煤突水危險(xiǎn)性

計(jì)算結(jié)果：通過巖層等效厚度計(jì)算，可得3#煤至奧灰含水層之間的等效厚度為68.51～92.61 m，利用突水系數(shù)法公式計(jì)算出的3#煤突水系數(shù)T′為0.055 4～0.101 3 MPa/m。繪制3#煤的等效厚度及突水系數(shù)T′的等值線圖，如圖6所示。

a-底板等效厚度；b-突水系數(shù)T′圖6 3#煤的等效厚度及突水系數(shù)T′的等值線圖

評(píng)價(jià)分析：通過等效隔水層厚度計(jì)算3#煤突水系數(shù)，其采區(qū)內(nèi)的絕大部分區(qū)域的突水系數(shù)均大于0.06 MPa/m，在構(gòu)造發(fā)育地段，存在一定的底板突水威脅。在井田東北部區(qū)域內(nèi)，突水系數(shù)已接近0.1 MPa/m，加之?dāng)鄬?、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的影響，會(huì)存在較大的突水威脅。因此在實(shí)際開采過程中，應(yīng)預(yù)先采取合適的防治水措施，加大重視力度，保證煤礦的安全開采。

3.3 15#煤突水危險(xiǎn)性

計(jì)算結(jié)果：通過巖層等效厚度計(jì)算，可得出15#煤至奧灰含水層之間的等效厚度為10.1～30.95 m，利用突水系數(shù)法公式計(jì)算出的15#煤突水系數(shù)T′為0.203～0.727 MPa/m。繪制15#煤的等效厚度及突水系數(shù)T′的等值線圖，如圖7所示。

a-底板等效厚度；b-突水系數(shù)T′圖7 15#煤的等效厚度及突水系數(shù)T′的等值線圖

評(píng)價(jià)分析：根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，15#煤層開采突水系數(shù)T′值仍然全部大于臨界突水系數(shù)0.1 MPa/m，最大值甚至達(dá)到0.727 MPa/m，正常情況下，奧灰突水威脅性較大，必須采取相應(yīng)的防治水措施，以實(shí)現(xiàn)安全開采。

4 結(jié)論

(1)在正常塊段內(nèi)，奧灰水對(duì)于3#煤的開采影響不大，但是在局部構(gòu)造及陷落柱發(fā)育地段以及采區(qū)東北部區(qū)域仍然存在一定的突水可能性，在這些區(qū)段開采時(shí)應(yīng)加大重視力度，必要時(shí)采取相應(yīng)的防治措施。

(2)對(duì)于15#煤，根據(jù)突水系數(shù)法評(píng)定大部分區(qū)域具有較大突水危險(xiǎn)性，隨著煤層的開采深度增大，加之煤礦開采過程中的底板破壞帶的發(fā)育，奧灰水對(duì)15#煤開采具有較大的威脅，因此煤層開采前必須采取相應(yīng)的防治水措施，以保證煤礦的安全開采。

(3)等效巖層厚度法計(jì)算的突水系數(shù)考慮了不同性質(zhì)巖層的巖石強(qiáng)度和阻水能力，計(jì)算更接近生產(chǎn)實(shí)際，結(jié)果更可靠。但由于缺乏確定不同性質(zhì)巖層的有效隔水層厚度的系統(tǒng)理論和實(shí)驗(yàn)研究，等效厚度突水系數(shù)結(jié)果還不夠精確，還需深入研究，方可更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。

(4)突水評(píng)價(jià)采用了最早提出的突水系數(shù)計(jì)算公式，該公式未考慮到采煤的諸多影響因素，如開采造成底板裂隙，底板隔水層厚度變薄等。因此，該評(píng)價(jià)可能與實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在差異，只有對(duì)突水系數(shù)法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化后，才能使評(píng)價(jià)結(jié)果更精確。