張世威，王 文，杜偉升

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，焦作 河南 454000；2.清華大學(xué) 土木水利學(xué)院，北京 100084)

地下煤炭的開采活動會引起應(yīng)力的重新分布，導(dǎo)致巖體的受力狀態(tài)發(fā)生較大的變化，頂?shù)装灏l(fā)生運(yùn)移破斷，導(dǎo)致礦井災(zāi)害的發(fā)生[1，2]。水害是煤炭開采過程中的五大災(zāi)害之一[3]，在煤層的頂?shù)装寰嬖诤畬?，將含水層與煤層分隔開的巖層稱為隔水層，由于頂?shù)装甯羲畮r層在應(yīng)力重新分布過程中發(fā)生運(yùn)移破斷，導(dǎo)致承壓水涌入工作面或者巷道而造成的礦井突水災(zāi)害[4]。隨著煤炭開采向深部轉(zhuǎn)移[5]，承壓水對煤炭開采造成的潛在危險(xiǎn)日漸突出[6]。特別是在我國華北地區(qū)的煤系地層存在奧陶系灰?guī)r含水層，含水層與煤層之間的隔水層厚度分布不均勻，一旦采掘活動對隔水層造成破壞，承壓水將迅速涌向工作面或巷道，對煤炭生產(chǎn)與人員造成不可挽回的損失[7，8]。帶壓開采下的底板承壓水突水預(yù)測對地下煤炭開采具有重要的意義。

我國礦井底板水防治理論研究不斷深化，底板突水的機(jī)理是一個(gè)需要不斷深入的研究課題[4]。由于礦井突水的控制因素較多，機(jī)制多變，對礦井突水的預(yù)測一直以來是一個(gè)難題[9]。礦井發(fā)生突水災(zāi)害是一個(gè)逐漸變化的過程，從突水征兆和突水水源的識別預(yù)測礦井突水的危險(xiǎn)[10]。但是這種預(yù)測方法工作量較大，在地質(zhì)條件模糊的情況下局限性較大。為了能夠進(jìn)一步準(zhǔn)確預(yù)測突水危險(xiǎn)，國內(nèi)外學(xué)者綜合考慮礦井的地質(zhì)賦存情況、煤層采動影響等因素，根據(jù)力學(xué)理論基礎(chǔ)推導(dǎo)，相繼提出了如突水系數(shù)法、底板“下三帶”理論和底板“四帶”突水理論等[11，12]，基于同位素的方法確定礦井突水水源[13]，采用GAPSO-RFR模型、分形-脆弱性指數(shù)法、GIS多元信息擬合法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等研究和預(yù)測底板突水危險(xiǎn)性[14-17]?？紤]到隔水巖層的物理力學(xué)性質(zhì)及工作面開采帶來的影響，基于巖體平衡理論，推導(dǎo)出底板突水極限水壓的計(jì)算公式，與承壓水壓對比分析預(yù)測突水危險(xiǎn)性[18]。為了解決在預(yù)測過程中存在的復(fù)雜性影響因素，針對單一客觀賦權(quán)評價(jià)中的缺陷，提出了一種基于客觀優(yōu)化組合賦權(quán)模型的煤層底板突水預(yù)測評價(jià)[19]。

然而在以往的分析預(yù)測中多從地質(zhì)賦存條件考慮，較少考慮到開采設(shè)計(jì)的不同而帶來的差異性[20]。在分析預(yù)測上孔煤業(yè)15#煤層底板突水過程中，系統(tǒng)全面的考慮帶壓開采中底板巖層破壞的影響因素，采用塑性理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)公式法確定底板破壞深度的變化規(guī)律，通過施工水文探查鉆孔，探查底板富水情況，根據(jù)巖石力學(xué)測試的底板巖層物理力學(xué)參數(shù)，分析底板巖層的穩(wěn)定性，結(jié)合1501工作面開采設(shè)計(jì)條件，預(yù)測15#煤層底板突水的危險(xiǎn)性，并提出針對性的防治措施。

1 工程背景

1.1 煤層賦存及開采條件

山西晉煤集團(tuán)上孔煤業(yè)由五座礦井整合而成，井田程不規(guī)則多邊形，主要開采3#～15#煤層，礦井設(shè)計(jì)可采儲量2177t，生產(chǎn)規(guī)模0.6 Mt/a。15#煤層位于二水平，屬于近水平煤層，平均厚度1.84m，平均埋深200m，傾角為4°～8°，煤層內(nèi)聚力Cm=1MPa，內(nèi)摩擦角φ=20°，支承壓力系數(shù)n=4，全區(qū)可采。上覆巖層容重γ=26kN/m3，結(jié)構(gòu)簡單，底板巖層為泥巖和鋁土泥巖，內(nèi)摩擦角φ0=40°。1501工作面采用走向長壁一次采全高綜采采煤方法，回采工作面設(shè)計(jì)長度150m，采高1.84m，采掘比為1∶2。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造分布特征

該井田位于太行山復(fù)式背斜西翼，沁水盆地東翼南段，晉獲褶斷帶的西側(cè)。井田內(nèi)構(gòu)造簡單，斷層不發(fā)育，構(gòu)造主要表現(xiàn)為兩組平緩褶皺，井田中西部發(fā)育一組軸向近南北、向北傾伏的小型背、向斜，地層傾角2°～5°；井田東部發(fā)育一組軸向近東西向、向東傾伏的小型背、向斜，地層傾角2°～8°。井田構(gòu)造屬簡單類型。

1.3 水文地質(zhì)條件

15#煤底板標(biāo)高在+380～+465m，底板主要含水層為碳酸鹽類巖溶裂隙含水層組，水位標(biāo)高為+488～+493m，水壓0.5～1.2MPa。該含水層段巖溶裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)，全井田帶壓?；?guī)r含水層富水性極不均一，局部地段富水性較強(qiáng)，特別是在構(gòu)造發(fā)育部位易形成較大的儲水空間和導(dǎo)水通道，且具備對承壓水的補(bǔ)給條件。

井田內(nèi)隔水層主要由本溪組及太原組底部泥巖、鋁土質(zhì)泥巖隔水層組和奧陶系中統(tǒng)峰峰組的泥灰?guī)r隔水層組構(gòu)成，探明總平均厚度約35m。

井田內(nèi)地下水類型主要為承壓水，15#煤層的直接充水含水層為奧陶系灰?guī)r裂隙水，由西北向東南徑流，在采動影響下，極易發(fā)生底板突水事故，對15#煤層的開采造成嚴(yán)重的威脅。

2 底板破壞深度分析

地下采礦工程活動中對圍巖影響較大，底板受到應(yīng)力重新分布達(dá)到平衡，在完整巖體邊緣形成破碎帶[21]。煤層的賦存條件影響圍巖的原巖應(yīng)力的分布，而工作面的開采影響是造成應(yīng)力重新分布的重要原因，采用塑性區(qū)分布特征及經(jīng)驗(yàn)公式法分析底板破壞影響因素和最大破壞深度。

2.1 塑性理論計(jì)算法

工作面不斷向前推進(jìn)的過程中，周圍的巖體處于不斷運(yùn)移平衡的過程。暴露在外的工程巖體受到深部應(yīng)力的復(fù)合作用，在超出其彈性范圍將會發(fā)生塑性變形形成塑性區(qū)，如圖1所示，煤壁在二維應(yīng)力條件下，前方形成的超前支承壓力，使煤壁前方的底板受力相對較大，在煤壁下方的底板巖體形成一個(gè)與煤壁前方相連接的塑性區(qū)。同時(shí)在工作面底板和采空區(qū)底板形成相連接的弧形塑性區(qū)。在工作面的不斷向前推進(jìn)的過程中，塑性區(qū)和彈性區(qū)的范圍不斷發(fā)生變化，彈性區(qū)與塑性區(qū)相接的巖層不同的應(yīng)力環(huán)境中發(fā)生嚴(yán)重的破壞。由于受到超前支承壓力及采空區(qū)矸石對底板巖層的自重應(yīng)力作用，工作面底板的巖體將會在兩邊擠壓應(yīng)力的作用下發(fā)生膨脹[23]。“增壓-卸壓-恢復(fù)”隨著工作面推進(jìn)重復(fù)出現(xiàn)，工作面下方的底板巖層發(fā)生最大程度的破壞。根據(jù)底板發(fā)生塑性破壞的特征，底板的塑性區(qū)邊界主要由三個(gè)分區(qū)組成：主動極限區(qū)(Ⅰ區(qū))、過渡區(qū)(Ⅱ區(qū))和被動極限區(qū)(Ⅲ區(qū))。

xa—支承壓力峰值點(diǎn)與煤壁距離；φ0—底板巖層內(nèi)摩擦角；n—支承壓力系數(shù)；m—煤層厚度；H—開采深度；γ—上覆巖層容重；h1—底板破壞深度圖1 極限狀態(tài)下底板塑性破壞

由式(1)可知，h1僅與xa和φ0有關(guān)。煤層開挖后超前支承壓力區(qū)煤層受力分布如圖2所示[23]。

圖2 超前支承壓力區(qū)煤層受力分布

超前支承壓力區(qū)在與煤壁前方一定范圍內(nèi)，控制著底板塑性區(qū)的范圍，為了計(jì)算煤壁與超前支承壓力峰值點(diǎn)的水平距離，在煤層中取寬度為dx，高度為采高m的煤體微分單元體M，當(dāng)煤層邊緣達(dá)到極限平衡條件時(shí)滿足Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，根據(jù)水平方向應(yīng)力平衡，可得煤壁與超前支承壓力峰值點(diǎn)的距離xa：

將式(2)代入式(1)，可得出極限塑性區(qū)底板破壞深度的數(shù)學(xué)表達(dá)式[7]：

式中，φ和φ0分別為煤層和巖層內(nèi)摩擦角，(°)；m為采高，m；γ為巖層容重，kN/m3；H為開采深度，m；Cm為煤層內(nèi)聚力，MPa。根據(jù)1501工作面已知的煤層及底板巖層賦存條件、物理力學(xué)性質(zhì)，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)計(jì)算出15#煤層底板最大破壞深度hmax=10.0m。

2.2 經(jīng)驗(yàn)公式法

經(jīng)驗(yàn)公式法是根據(jù)全國礦井的實(shí)測資料獲得的，在地質(zhì)資料匱乏的礦井采取該公式是比較具有借鑒意義[22]。1501工作面為15#煤層首采工作面，通過計(jì)算首采工作面的底板導(dǎo)水破壞深度作為15#煤層的判斷依據(jù)。

CP=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

(4)

式中，Cp為底板采動導(dǎo)水破壞帶深度，m；H為開采深度，200m；α為煤層傾角，取最大值8°；L為采區(qū)工作面斜長，取150m。計(jì)算時(shí)采取保守計(jì)算，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(4)得，1501工作面底板最大破壞深度CP=14.9m。通過對比塑性區(qū)計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，確定1501工作面在開采過程中底板最大破壞深度為14.9m。

從式(3)和式(4)中可知，底板最大破壞深度僅與煤層及底板巖層的物理參數(shù)、煤層的地質(zhì)賦存和開采條件有關(guān)，在工作面未開采時(shí)僅能依靠現(xiàn)有的地質(zhì)資料進(jìn)行計(jì)算，精確度不夠高。現(xiàn)場施工水文鉆孔和巖石物理力學(xué)參數(shù)測試，可以作為判斷底板巖層的隔水性的依據(jù)。

3 底板水文探查

3.1 施工鉆孔

根據(jù)現(xiàn)有煤層賦存條件，15#煤層賦存穩(wěn)定，選擇首采區(qū)1501工作面為研究對象，施工點(diǎn)選于專用回風(fēng)巷內(nèi)，可以有效提高施工質(zhì)量，使結(jié)果更加精確，鉆孔位于距1501工作面回風(fēng)巷道與專用回風(fēng)巷的交叉點(diǎn)80m處，水文探查鉆孔施工位置如圖3所示。

圖3 水文探查鉆孔施工位置

鉆孔力求揭露含水層段體積最大，使鉆孔與導(dǎo)水裂隙最大接觸，從而為探測1501工作面煤層底板隔水性能，提供第一手資料。由于底板隔水層平均厚度為35m，故設(shè)計(jì)鉆孔深度需大于該值，考慮到一定富余，鉆孔深度取38m，即終孔位置處于底板8m泥巖以下30m。鉆孔方向與專用回風(fēng)巷方向垂直，鉆孔傾角41°，鉆孔長度58m。鉆孔詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 水文探查鉆孔參數(shù)

施工過程中采用水泥漿封孔時(shí)，耐壓應(yīng)不小于2MPa，當(dāng)遇到存在構(gòu)造等因素影響可適當(dāng)調(diào)整鉆孔結(jié)構(gòu)，以保證施工結(jié)果的精確性。

3.2 施工結(jié)果

鉆孔垂深18m(石英砂巖)開始出現(xiàn)涌水，涌水量為5m3/h，經(jīng)過20h放水后，涌水量為2m3/h。施工結(jié)束后最終穩(wěn)定涌水量為2.5m3/h，水壓0.08MPa。

對比現(xiàn)有地質(zhì)資料的巖層描述，此段地層富水性弱，不與富水巖層聯(lián)系，不具備直接誘發(fā)底板突水的條件。根據(jù)鉆孔涌水量發(fā)現(xiàn)在底板深處受水壓作用導(dǎo)水裂隙帶比較發(fā)育，但水壓和富水情況穩(wěn)定，不具備與富水巖層聯(lián)系的條件。

通過對鉆取巖芯進(jìn)行識別、分類與度量，地層由新到老的順序依次為鋁土質(zhì)泥巖、砂巖、石英砂巖、砂質(zhì)泥巖和灰?guī)r。匯總繪制出工作面底板巖層柱狀如圖4所示。

圖4 1501工作面底板巖層柱狀

3.3 底板巖層物理力學(xué)參數(shù)測試

巖石物理力學(xué)參數(shù)是對巖層進(jìn)行理論計(jì)算與分析的重要基礎(chǔ)，是對巖石進(jìn)行分類的標(biāo)準(zhǔn)。為了探討底板巖層的阻水性能及承壓能力，根據(jù)水文探查鉆孔取得的巖芯進(jìn)行分類，并加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣。

試樣加工后要嚴(yán)格按照巖石力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)檢查試樣是否符合標(biāo)準(zhǔn)，然后對試樣的密度及飽和吸水率進(jìn)行測試。在進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)前，采用TUA2000A型超聲波無損檢測分析儀測量不同巖性試樣的縱波波速。然后采用RMT-150C型巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)測試巖樣的抗拉及抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算堅(jiān)固性系數(shù)等力學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 巖石物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

通過對巖芯的巖石物理力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，幾種巖石的物理力學(xué)參數(shù)差異較大。石英砂巖和砂巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量較高，屬于中等堅(jiān)硬巖石類；泥巖和石灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度和彈性模量較低，堅(jiān)固性系數(shù)在1.2～3.1之間，屬于軟巖類。綜合考慮巖石在水浸泡作用下的軟化作用和封閉條件下的強(qiáng)化作用，底板巖層屬于中等堅(jiān)硬巖層，具有較好的承壓性能，且?guī)r層通過少量的吸收水壓達(dá)到降低突水危險(xiǎn)發(fā)生的目的。

4 突水系數(shù)的推演及突水預(yù)測

4.1 突水系數(shù)法

突水系數(shù)法是預(yù)測底板突水的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，表示單位隔水層需要承受的水壓。計(jì)算中僅考慮含水層的水壓和底板隔水層厚度，沒有明確的將工作面的設(shè)計(jì)及開采因素考慮在內(nèi)，同時(shí)頂板通過待采煤層對底板形成的有效壓力造成的破壞也影響著底板隔水層的有效厚度。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》有關(guān)要求，突水系數(shù)計(jì)算公式為：

T=P/M

(5)

式中，T為突水系數(shù)，MPa/m；P為隔水層承受的水壓力，MPa；M為底板有效隔水層厚度，m。計(jì)算出的突水系數(shù)越大表明單位隔水層厚度需要承受的水壓越大，突水危險(xiǎn)性越大。

4.2 突水系數(shù)法的修正與推演

根據(jù)眾多學(xué)者的研究，將有效隔水層的厚度引入到突水系數(shù)法的計(jì)算公式中，底板有效隔水層厚度是指在采動影響和底板水壓共同作用下，能夠保持完整的底板巖層，阻止自由水向工程巷道中滲透。由于不同的巖層其巖性存在較大的差異，對水的響應(yīng)特征也不相同，提出巖層厚度的折減系數(shù)，修正后的有效隔水層厚度為：

式中，Mi為各分層厚度，m；Ci為受采動影響破壞巖層的各分層厚度，m；hi為承壓水導(dǎo)升帶各分層厚度，m；di為不同巖層的折算系數(shù)。

由于突水系數(shù)法計(jì)算的局限性，計(jì)算結(jié)果偏向于保守，容易造成資源的浪費(fèi)，因此基于突水系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式提出一種判斷方法，更加精確的預(yù)測突水危險(xiǎn)性。

考慮到在無鉆孔施工的條件，根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)資料，設(shè)計(jì)合理的工作面尺寸預(yù)防突水危險(xiǎn)的發(fā)生，根據(jù)P-M力學(xué)平衡方程[23]，將采動影響造成的底板破壞考慮在內(nèi)，計(jì)算底板突水的臨界水壓值為：

式中，Pmax為煤層底板隔水層的臨界水壓值，MPa；kz為隔水層的抗拉強(qiáng)度，取1.5MPa；E為與突水位置相關(guān)的常數(shù)，計(jì)算時(shí)取1；Lx為工作面周期來壓時(shí)最大走向空頂距，取50m；Ly為工作面斜長，取150m；h為產(chǎn)生支承壓力的頂板巖層的厚度，取15m；M為隔水層厚度，取35m；γ1、γ2為頂、底板巖層的容重，取γ1=γ2=26kN/m3；ω為頂板壓力轉(zhuǎn)移到采空區(qū)的傳導(dǎo)系數(shù)，計(jì)算時(shí)取1；α為煤層傾角，取4°。

根據(jù)承壓水的極限水壓值，基于突水系數(shù)公式，提出修正后的理論最大突水系數(shù)公式，計(jì)算單位有效隔水層厚度的極限承載水壓的能力。

若通過現(xiàn)場施工計(jì)算的突水系數(shù)小于式(8)的數(shù)值，則表明在底板完整且無地質(zhì)構(gòu)造條件下無突水危險(xiǎn)。

4.3 底板突水預(yù)測

根據(jù)15#煤層頂?shù)装鍘r性、現(xiàn)場壓裂試驗(yàn)和實(shí)測各類巖層的阻水能力的資料分析，不同巖層阻水系數(shù)見表3[24]。

表3 不同巖層阻水系數(shù)

通過查閱15#煤層的地質(zhì)特征，已知導(dǎo)水破壞帶h1=15m，承壓水原始導(dǎo)高帶h3=5m。根據(jù)1501工作面探查鉆孔揭示的底板柱狀圖，直接底以下15m和與含水層以上5m，均為遭破壞層位。剩余的層位2.81m的砂巖、3.94m的石英砂巖和8.35m的砂質(zhì)泥巖為未破壞的完整巖層，即為有效隔水層。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)和(7)得：

Me=15.02m

Pmax=1.30MPa

將計(jì)算結(jié)果代入式(8)，則：

在現(xiàn)有地質(zhì)資料及以往其他煤層開采未發(fā)現(xiàn)受構(gòu)造影響發(fā)生破壞的巖層，根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄四中“底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06MPa/m，正常塊段不大于0.1MPa/m”的規(guī)定，該礦15#煤層在底板巖層無受構(gòu)造破壞區(qū)段無突水危險(xiǎn)，但是一旦受構(gòu)造、巖溶等地質(zhì)因素影響，巖溶含水層與奧灰含水層直接溝通，有效隔水層就會厚度大大減小，致使下伏奧灰水直接與采動破壞帶溝通，導(dǎo)致礦井發(fā)生突水災(zāi)害。

為了能夠有效防止底板突水危險(xiǎn)的發(fā)生，在現(xiàn)有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，利用提出的修正后的理論最大突水系數(shù)公式，根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中對突水系數(shù)的規(guī)定，合理確定工作面的尺寸；在技術(shù)條件允許的情況下，以水文地質(zhì)鉆探，抽水試驗(yàn)等手段，設(shè)計(jì)詳細(xì)探查方案查明1501工作面不同位置底板地質(zhì)特征。一旦出現(xiàn)構(gòu)造、巖溶等情況，應(yīng)及時(shí)采取措施，避免下伏奧灰水直接與采動破壞帶溝通。

隔水層厚度及阻水能力對抑制工作面底板突水有決定性作用，在鉆探揭示的隔水層薄弱部位，采取疏水降壓或注漿加固的方法，展開重點(diǎn)防治。對井下的排水設(shè)施要經(jīng)常性維護(hù)，保障整個(gè)排水系統(tǒng)的暢通，隨著生產(chǎn)能力的不斷提升，根據(jù)礦井涌水量的變化情況，及時(shí)提高井下排水能力。

5 結(jié) 論

1)煤層底板最大破壞深度與煤層賦存條件、頂?shù)装鍘r性及開采設(shè)計(jì)方案等因素有關(guān)。合理的設(shè)計(jì)開采方案可以有效降低底板的最大破壞深度和破壞范圍。對比塑性理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)公式法確定該礦1501工作面底板最大破壞深度為14.9m。

2)水文鉆孔探查15#煤層底板含水層涌水量穩(wěn)定，水壓小，不具備直接誘發(fā)底板突水的條件；底板巖層物理力學(xué)參數(shù)測定表明，底板巖層屬于中等堅(jiān)硬巖層，具有較好的承壓性能，能夠有效防止突水危險(xiǎn)的發(fā)生。

3)在修正的突水系數(shù)公式基礎(chǔ)上提出極限突水系數(shù)公式判斷法，適用于確定合理的工作面尺寸，提高底板突水危險(xiǎn)的精度。計(jì)算結(jié)果表明15#煤層在底板完整條件下無突水危險(xiǎn)，在構(gòu)造、巖溶水、及隔水層薄弱部位具有突水危險(xiǎn)，建議減小工作面寬度，加強(qiáng)探放水工作及底板地質(zhì)條件探查。