徐智敏，劉栓栓，李劍鋒，陳天賜，駱俊峰，李 鑫，陳 歌

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.徐洲礦務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引 言

我國(guó)幅員遼闊，煤層賦存時(shí)代差異大，礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜，煤炭開采過程中，礦井突水事故，特別是煤礦底板突水災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命造成了重大損失，預(yù)防礦井水害事故發(fā)生是煤礦安全生產(chǎn)工作的重中之重。

目前，已經(jīng)有大量的學(xué)者對(duì)底板突水機(jī)理進(jìn)行了研究［1-4］。 匈牙利學(xué)者REIBIEZC［5］最先提出“底板相對(duì)隔水層”的概念；煤科總院西安分院最早提出以突水系數(shù)法來評(píng)價(jià)煤層底板是否突水，考慮了煤層底板隔水層的厚度與所受承壓水水壓；劉欽等［6］在突水系數(shù)法的基礎(chǔ)上，考慮到各類巖石本身所具有的力學(xué)強(qiáng)度和阻水性能，從底板隔水層巖石組合方式及礦壓破壞帶發(fā)育情況入手，將突水系數(shù)公式改進(jìn)為質(zhì)量比值系數(shù)和強(qiáng)度比值系數(shù)公式；楊善安［7］通過眾多工程實(shí)例計(jì)算分析了突水系數(shù)法的實(shí)質(zhì)以及其在應(yīng)用中的問題，認(rèn)為帶壓開采的實(shí)質(zhì)問題應(yīng)該是底板隔水層由于結(jié)合水的存在使得巖層具有阻水減壓的能力問題，由此提出了阻水系數(shù)的概念；武強(qiáng)等［8］綜合考慮了水壓、斷裂構(gòu)造、隔水層結(jié)構(gòu)特征、巖溶以及第三系底部黏土隔水層等控制煤層底板突水的脆弱性因素，應(yīng)用GIS與ANN 耦合技術(shù)，建立了煤層底板突水脆弱性分區(qū)評(píng)價(jià)模型；尹尚先等［9］通過試驗(yàn)得出水頭壓力損耗隨著介質(zhì)的滲透系數(shù)增大而減小，并通過實(shí)際觀測(cè)得出：泥巖、粉砂巖、中砂巖、灰?guī)r的阻水性能依次減?。荒擦值龋?0］在研究深部煤層帶壓開采問題時(shí)，基于補(bǔ)充勘探數(shù)據(jù)，利用流固耦合數(shù)值模擬，確定奧陶系峰峰組頂部巖層可作為相對(duì)隔水層，具備一定的阻水能力，并將此作為深部煤層帶壓開采條件的關(guān)鍵因素之一，使得煤層開采條件得到明顯改善。

綜上，對(duì)于底板隔水層阻隔水性能的認(rèn)識(shí)從最初的只考慮巖層厚度繼而到對(duì)巖性特征、巖層結(jié)構(gòu)等的考慮，以及開始對(duì)單一巖性的阻水性能分析，使得底板隔水層阻隔水能力的評(píng)價(jià)體系日趨完善，但已有的評(píng)價(jià)方法只考慮到其中一到兩個(gè)因素，缺少一個(gè)從巖層組合關(guān)系、各巖層厚度及物理性質(zhì)相結(jié)合綜合考慮，并能夠?qū)⒌装甯羲畬幼韪羲芰α炕闹笜?biāo)。 基于此現(xiàn)狀，通過對(duì)勘探鉆孔資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，概化底板隔水層結(jié)構(gòu)模型，并借助現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算等手段研究隔水層結(jié)構(gòu)對(duì)底板抗破壞能力的影響。 在上述研究的基礎(chǔ)上，綜合了已有底板阻隔水能力評(píng)價(jià)方法，初步提出能夠定量評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)對(duì)底板隔水層阻隔水能力影響的結(jié)構(gòu)比值系數(shù)。

1 礦區(qū)概況

新橋煤礦位于河南省永城市，主采石炭系二2煤層，井田內(nèi)構(gòu)造較發(fā)育，主要表現(xiàn)為斷層、褶皺及小的波狀起伏。 斷裂構(gòu)造的展布方向以NE、NNE 向?yàn)橹鳎浯螢镹NE 和EW 向，斷層以高角度正斷層為主。 斷層以錯(cuò)斷二2、三2煤層為主，但同時(shí)也存在錯(cuò)斷太原組L9灰?guī)r及奧陶系灰?guī)r的斷層。 礦區(qū)內(nèi)部次級(jí)構(gòu)造廣泛分布，自北向南有馬莊向斜、黃樓背斜、王葦坑向斜、楊莊背斜、大曾莊向斜和翟莊背斜，如圖1 所示。

圖1 新橋井田構(gòu)造綱要Fig.1 Outline of Xinqiao mine field structure

根據(jù)水文地質(zhì)勘察報(bào)告，新橋煤礦煤層底板巖層在受到沉積環(huán)境以及大型地質(zhì)構(gòu)造的影響下，二2煤層底板隔水層巖層結(jié)構(gòu)在礦區(qū)范圍內(nèi)不同區(qū)域呈現(xiàn)出一定的差異化特征。 從二2 煤底板至太原組上段灰?guī)r含水層頂板，底板隔水層多由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及其互層組成，除了在厚度的平面分布上有所變化外，在垂向主要體現(xiàn)在底板隔水層的巖性及巖性組合結(jié)構(gòu)特征上。

2 底板水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分

新橋井田范圍內(nèi)由于F216正斷層、F4正斷層、F5正斷層、F10正斷層等大型斷裂構(gòu)造以及馬莊向斜、黃樓背斜、王葦坑向斜等大型褶曲構(gòu)造的存在，使得原本完整的地層被切割的不再連續(xù)，呈現(xiàn)出區(qū)塊化特征，不同區(qū)塊的底板隔水層在巖層厚度、巖性特征以及巖層組合關(guān)系等方面呈現(xiàn)出差異性。

2.1 “三層段”法

李白英教授［11］在下三帶理論中提出底板隔水層由于受到開采活動(dòng)以及底板承壓水的影響，呈現(xiàn)出三帶特征，即底板導(dǎo)水破壞帶、完整巖層帶以及承壓水導(dǎo)升帶，而“三層段”法是在下三帶的基礎(chǔ)上，結(jié)合以新橋礦為代表的永城礦區(qū)底板隔水層結(jié)構(gòu)特征（砂泥巖互層+隔水關(guān)鍵層）以及實(shí)測(cè)采動(dòng)破壞深度，其次從不同層位應(yīng)對(duì)不同類型的破壞所表現(xiàn)出不同作用的角度出發(fā)，并結(jié)合底板隔水層力學(xué)破壞特征［12］以及各個(gè)層位在巖層組厚度、巖石力學(xué)性質(zhì)［13］方面所表現(xiàn)出的特征提出，包括：頂部層段、中間層段以及底部層段。 頂部層段靠近煤層底板，在煤層開采過程中，頂部層段所面臨的是工作面推進(jìn)過程中礦山壓力的變化所導(dǎo)致的剪切采動(dòng)破壞，因此頂部層段為完全破壞的層段；中間層段位于頂部層段下方，又分為上段與下段，上段可由軟硬相間的砂泥巖互層組成，可緩解剪切采動(dòng)破壞，下段為完整巖層帶，可由巖石強(qiáng)度較高的完整砂巖組成，上段與下段相結(jié)合整體抵抗頂部剪切采動(dòng)破壞的進(jìn)一步深入以及阻隔底部承壓水進(jìn)入剪切采動(dòng)破壞所形成的裂縫；底部層段位于承壓含水層頂板上方，所面臨的是底板承壓水的滲透破壞以及承壓水的頂托作用，若有一層滲透性較差且?guī)r性致密的泥巖存在，則可大幅降低底板承壓水的滲透破壞作用，泥巖上覆可存在一定厚度的堅(jiān)硬巖層，抵抗承壓水的頂托作用；底部層段下方為含水層段，由太原組灰?guī)r組成，如圖2 所示。

圖2 底板隔水層“三層段”結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic of “three-layer”structure of bottom water-proof layer

2.2 結(jié)構(gòu)概化

基于隔水層中間層段多為砂巖、砂質(zhì)泥巖互層的特點(diǎn)，結(jié)合永城礦區(qū)底板隔水層結(jié)構(gòu)特征（砂泥巖互層+隔水關(guān)鍵層）以及實(shí)測(cè)采動(dòng)破壞深度（12～35 m），確定“頂部層段（厚度≥10 m）+中間層段+底部層段（厚度≥10 m）”的隔水層結(jié)構(gòu)劃分方案。 其中，頂部層段和底部層段分別選取10 m 以上厚度以確定其主要巖性或巖性組合結(jié)構(gòu)。

利用井田內(nèi)100 個(gè)勘探鉆孔的地層剖面資料，選取典型鉆孔柱狀，如圖3 所示。

圖3 典型鉆孔柱狀圖Fig.3 Typical drilling histogram

基于“頂部+中部+底部”的“三層段”劃分原則，結(jié)合由巖石單軸抗壓強(qiáng)度界限值的劃分的軟巖與硬巖（參照國(guó)際巖石力學(xué)委員會(huì)建議，軟巖與硬巖單軸抗壓強(qiáng)度界限值為24.5 MPa）的標(biāo)準(zhǔn)，共總結(jié)出4 種典型底板隔水層結(jié)構(gòu)，如圖4 所示，各模型結(jié)構(gòu)特征分述如下，并給予相應(yīng)的定性評(píng)價(jià)。

圖4 底板隔水層結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Structure model of water-barrier layer of floor

1）a 類結(jié)構(gòu)（圖4a）。 底板隔水層頂部層段以粉砂巖、厚層細(xì)砂巖為主，為堅(jiān)硬巖層組；中間層段由厚層砂質(zhì)泥巖與炭質(zhì)泥巖組成；底部層段上段為粉砂巖，具有一定的強(qiáng)度，最底層為泥巖，與下伏灰?guī)r直接接觸，泥巖層厚薄不均，但是穩(wěn)定存在于底部層段的最底部，以X25-5 鉆孔為代表。

2）b 類結(jié)構(gòu)（圖4b）。 底板隔水層頂部層段由薄層細(xì)砂巖與厚層粉砂巖互層沉積組成，整體表現(xiàn)為堅(jiān)硬巖層組；中間層段上部為砂泥巖互層段，下部為厚層強(qiáng)度較大的細(xì)砂巖；底部層段厚層砂質(zhì)泥巖，具有良好的抗?jié)B透破壞能力，為軟弱巖層組，以X31-3鉆孔為代表。

3）c 類結(jié)構(gòu)（圖4c）。 底板隔水層頂部層段上部是由薄層泥巖與砂質(zhì)泥巖組成的軟弱巖層組，下部是由厚層細(xì)砂巖組成的堅(jiān)硬巖層，整體表現(xiàn)為軟+硬巖層組；中間層段上部為砂泥巖互層段，下部為厚層強(qiáng)度較大的細(xì)砂巖；底部層段厚層砂質(zhì)泥巖，具有良好的抗?jié)B透破壞能力，為軟弱巖層組，以X24-1鉆孔為代表。

4）d 類結(jié)構(gòu)（圖4d）。 底板隔水層頂部層段上部是薄層泥巖的軟弱巖層組，下部是由厚層細(xì)砂巖組成的堅(jiān)硬巖層，頂部層段整體表現(xiàn)為軟+硬巖層組；中間層段由砂泥巖互層組成；底部層段上部是由厚層粉砂巖組成的堅(jiān)硬巖層組，下部由厚層泥巖組成的軟弱巖層組，具有良好的抗?jié)B透破壞能力的同時(shí)，具備一定抵抗承壓含水層的頂托作用，以X27-3鉆孔為代表。

綜上，4 類結(jié)構(gòu)模型中，從頂部抗剪切采動(dòng)破壞（堅(jiān)硬巖層組），中部為緩沖層加有效隔水的完整巖層（砂泥巖互層+隔水關(guān)鍵層），底部為抗?jié)B透破壞以及頂托破壞（堅(jiān)硬巖層阻+軟弱巖層組）來定性評(píng)價(jià)，可得阻隔水能力由大到小為：a＞b ＝d＞c。

3 底板采動(dòng)破壞規(guī)律

選擇正在開采的2301 工作面作為典型工作面，2301 工作面平均走向長(zhǎng)度為1 500 m，傾斜長(zhǎng)度為300 m，煤層埋深450 m，傾角平均8°。 增加T2 補(bǔ)勘孔，經(jīng)模型比對(duì)（圖5），屬于c 類結(jié)構(gòu)，對(duì)隔水層主要層位取樣并進(jìn)行底板隔水層巖石成分測(cè)試與分析［14］，巖石物理力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試［15］和滲透率試驗(yàn)［16］。

圖5 T2 鉆孔柱狀圖Fig.5 T2 borehole histogram

根據(jù)巖石成分測(cè)試與分析結(jié)果，底板隔水層巖性自上而下為：粉砂質(zhì)泥巖、雜砂巖（Ⅰ）、雜砂巖（Ⅱ）、雜砂巖（Ⅲ）、粉砂質(zhì)泥巖（Ⅳ）；物理力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，砂巖組中的Ⅲ層雜砂巖具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，具有良好的抗采動(dòng)破壞能力；下伏Ⅳ層砂質(zhì)泥巖層滲透性極差，具有良好的抗?jié)B透破壞作用。在此基礎(chǔ)上，綜合采用采動(dòng)破壞現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算2 種方式對(duì)結(jié)構(gòu)抗破壞能力進(jìn)行定量化研究。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

采用網(wǎng)絡(luò)并行電法，通過在2301 工作面軌道巷道底板施工鉆孔布設(shè)電極，進(jìn)行地電場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖6 所示。最終分析確定2301 工作面的采動(dòng)影響破壞深度最大為27 m。

圖6 中巷道電流剖面圖Fig.6 Current profile in middle roadway

3.2 經(jīng)驗(yàn)公式

在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中［17］，通過對(duì)多年開采實(shí)踐數(shù)據(jù)和影響底板采動(dòng)破壞深度因素的歸納和總結(jié)，得出只考慮工作面斜長(zhǎng)時(shí)，底板破壞深度h計(jì)算公式為

式中，L為工作面長(zhǎng)度。

考慮采深、煤層傾角和開采工作面長(zhǎng)度時(shí)，底板破壞深度計(jì)算公式為

式中，H為工作面煤體開采平均深度；α為開采煤層平均傾角。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，工作面煤體開采平均深度H為450 m，開采煤層平均傾角α為8°，工作面長(zhǎng)度L為300 m，代入公式（3）計(jì)算得底板破壞深度h＝33.16 m。

比較現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值，發(fā)現(xiàn)后者（33.16 m）比前者（27 m）明顯要大，結(jié)合Ⅲ層雜砂巖層在井田范圍內(nèi)平均賦存深度為25.7 m，表明Ⅲ層雜砂巖層對(duì)底板采動(dòng)裂縫的向下發(fā)育具有明顯的抑制作用，反映了結(jié)構(gòu)對(duì)阻隔水能力的影響。 結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，在c 類結(jié)構(gòu)模型中，Ⅲ層雜砂巖層起到抗采動(dòng)破壞關(guān)鍵層的作用，下伏砂質(zhì)泥巖層可作為抗?jié)B透破壞關(guān)鍵層。

3.3 采動(dòng)破壞規(guī)律分析

建立基于c 類隔水層結(jié)構(gòu)模型的底板隔水層阻隔水能力評(píng)價(jià)模型［18］，如圖7 所示。

圖7 評(píng)價(jià)模型Fig.7 Evaluation model

基于c 類底板隔水層結(jié)構(gòu)模型，按其受采動(dòng)影響破壞程度將底板隔水層劃分為4 層，自上而下分別為采動(dòng)破壞層、采動(dòng)破壞緩沖層、抗采動(dòng)破壞關(guān)鍵層和抗?jié)B透破壞關(guān)鍵層。 各層結(jié)構(gòu)的組成特點(diǎn)及其采動(dòng)變形破壞規(guī)律分述如下：

1）采動(dòng)破壞層。 采動(dòng)破壞層位于底板淺部，對(duì)應(yīng)于隔水層結(jié)構(gòu)模型的頂部層段。 根據(jù)底板隔水層結(jié)構(gòu)模型，該層段主要由“軟弱巖層（組）上+堅(jiān)硬巖層（組）下”組成，主要由粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及其巖組組成，因軟巖層緊鄰底板，且硬巖強(qiáng)度不高，故在采動(dòng)條件下，采動(dòng)破壞裂縫直接貫穿整個(gè)上部層段。

2）采動(dòng)破壞緩沖層。 采動(dòng)破壞緩沖層位于采動(dòng)破壞層下面，對(duì)應(yīng)于中間層段的上部，是采動(dòng)破壞層的延續(xù)破壞層，主要由砂巖、泥巖互層組成。 砂、泥巖互層的結(jié)構(gòu)相比較于采動(dòng)破壞層的巖層在結(jié)構(gòu)方面強(qiáng)度更高，其破壞程度遠(yuǎn)比其上部采動(dòng)破壞層要小得多，并能夠?qū)ο虏繋r層起到一定的緩沖保護(hù)作用。

3）抗采動(dòng)破壞關(guān)鍵層。 抗采動(dòng)破壞關(guān)鍵層位于采動(dòng)破壞緩沖層下面，對(duì)應(yīng)于隔水層結(jié)構(gòu)模型中間層段的下部和底部層段的上部，主要由強(qiáng)度較高、厚度較大的細(xì)砂巖、粉砂巖或巖組組成。 因受到上覆緩沖層的保護(hù)，且自身力學(xué)強(qiáng)度較強(qiáng)，厚度穩(wěn)定，故抑制了采動(dòng)破壞的進(jìn)一步深入。

4）抗?jié)B透破壞關(guān)鍵層。 抗?jié)B透破壞關(guān)鍵層位于隔水層的最底部，對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)模型的底部層段。根據(jù)底板隔水層結(jié)構(gòu)模型，該層段主要由泥巖、粉砂質(zhì)泥巖或巖組組成，層厚一般較厚，且層位非常穩(wěn)定，可有效抑制下伏承壓水的導(dǎo)升作用，防止承壓水進(jìn)一步突破底板。

通過上述定型評(píng)價(jià)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比結(jié)果，證實(shí)底板隔水層的結(jié)構(gòu)確實(shí)對(duì)底板采動(dòng)破壞有影響，間接影響底板隔水層的阻隔水能力的。

4 底板隔水能力定量評(píng)價(jià)方法

由上述對(duì)c 類結(jié)構(gòu)的為例分析可得，結(jié)構(gòu)對(duì)底板阻隔水能力確實(shí)有影響，但缺少定量的評(píng)價(jià)方法去評(píng)價(jià)不同結(jié)構(gòu)對(duì)底板阻隔水能力的影響大小。 針對(duì)提出的4 種底板隔水層結(jié)構(gòu)，通過對(duì)每種結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量比值系數(shù)和強(qiáng)度比值系數(shù)與巖層厚度加權(quán)計(jì)算，分析比較質(zhì)量比值系數(shù)和強(qiáng)度比值系數(shù)［6］結(jié)算結(jié)果的優(yōu)缺點(diǎn)，初步提出結(jié)構(gòu)比值系數(shù)的概念。

4.1 參數(shù)選取

1）各層段厚度。 由于缺少a、b、d 三種結(jié)構(gòu)模型的實(shí)測(cè)資料，故在接下來的評(píng)價(jià)中將做一些適當(dāng)性的假設(shè)。 取底板隔水層總厚度為48 m，假設(shè)3 個(gè)層段厚度相等，即每個(gè)層段厚為16 m。 對(duì)于結(jié)構(gòu)模型a、d，由于下部層段由堅(jiān)硬巖層與軟弱巖層組成，假設(shè)二者巖層厚度相等，即均為8 m；對(duì)于結(jié)構(gòu)模型c、d，由于上部層段由薄層軟弱巖層與堅(jiān)硬巖層組成，故假設(shè)薄層軟弱巖層厚度為1 m，堅(jiān)硬巖層為15 m。

2）各結(jié)構(gòu)模型巖性統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 各結(jié)構(gòu)模型巖性統(tǒng)計(jì)Table 1 Lithology statistics of each structure model

4.2 計(jì)算與分析

各類巖石的質(zhì)量比值系數(shù)（表2）、強(qiáng)度比值系數(shù)（表4）是由煤炭科學(xué)研究總院西安分院通過對(duì)各類巖石進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，分別以砂巖和泥巖作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出的。

表2 不同巖石的質(zhì)量比值系數(shù)Table 2 Mass ratio coefficients of different rocks

4.2.1 質(zhì)量比值系數(shù)法

由于中間層段為砂泥巖互層或缺失，故選取砂泥巖互層對(duì)應(yīng)的質(zhì)量比值系數(shù)為砂巖和泥巖的平均值0.7。

4.2.2 強(qiáng)度比值系數(shù)法

由于表4 中無泥巖對(duì)應(yīng)系數(shù)，選取與之較為接近的頁巖0.5 作為代替；由于中間層段為砂泥巖互層或缺失，故選取砂泥巖互層對(duì)應(yīng)的質(zhì)量比值系數(shù)為砂巖和泥巖的平均值0.75。

表4 不同巖石的強(qiáng)度比值系數(shù)Table 4 Strength ratio coefficients of different rocks

4.2.3 結(jié)果分析

根據(jù)表3 與表5 計(jì)算結(jié)果可知，4 種結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果相近，且二者計(jì)算無相似的規(guī)律性。 分析認(rèn)為主要由以下原因造成：①?gòu)?qiáng)度比值系數(shù)表征巖石抗破壞能力，而質(zhì)量比值系數(shù)可反應(yīng)巖石阻水能力的大小，二者所注重的因素不同，導(dǎo)致參考標(biāo)準(zhǔn)不一致，不能解釋底板隔水層結(jié)構(gòu)特征中的巖層組合關(guān)系對(duì)阻隔水能力的影響；②強(qiáng)度比值系數(shù)與質(zhì)量比值系數(shù)缺少對(duì)于砂泥巖互層的數(shù)值刻畫；③4種結(jié)構(gòu)模型側(cè)重于對(duì)其巖層組合關(guān)系的展示，忽略了巖層厚度；計(jì)算取值過程中過于理想化，厚度取值采用平均方式，降低了厚度作為權(quán)重的影響。

表3 質(zhì)量比值系數(shù)法計(jì)算結(jié)果Table 3 Results of mass ratio coefficient method

表5 強(qiáng)度比值系數(shù)法計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results of strength ratio coefficient method

4.3 結(jié)構(gòu)比值系數(shù)的定義

隔水層的阻隔水能力與巖石的成分、強(qiáng)度和滲透性有關(guān)，強(qiáng)度越高、滲透性越差，其綜合阻隔水能力越好。 此外，隔水層的阻隔水能力還與其結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，特別是以巖層厚度及巖層組合結(jié)構(gòu)特征為主的隔水層結(jié)構(gòu)，是巖石成分、強(qiáng)度和滲透性等特征的載體，是隔水層阻隔水能力的綜合反映。 其中強(qiáng)度比值系數(shù)表征巖石抗破壞能力，而質(zhì)量比值系數(shù)可反應(yīng)巖石阻水能力的大小，缺少底板隔水層結(jié)構(gòu)特征對(duì)底板阻隔水能力影響的評(píng)價(jià)方式。

基于以上認(rèn)識(shí)，結(jié)合第4.2 節(jié)的分析結(jié)果，初步提出一個(gè)新的概念結(jié)構(gòu)比值系數(shù)（Src）。 結(jié)構(gòu)比值系數(shù)將綜合質(zhì)量比值系數(shù)與強(qiáng)度比值系數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過初步擬定的計(jì)算公式計(jì)算，定量反映不同類型底板隔水層的采動(dòng)破壞規(guī)律與阻隔水能力。

基于質(zhì)量比值系數(shù)、強(qiáng)度比值系數(shù)和隔水層厚度三者與結(jié)構(gòu)比值系數(shù)均為正相關(guān)關(guān)系，初步擬定如下計(jì)算公式：

式中，Src 為結(jié)構(gòu)比值系數(shù)；Mrc 為質(zhì)量比值系數(shù)；Irc為強(qiáng)度比值系數(shù)；M為隔水層厚度；e、f、g為待定系數(shù)。

4.4 結(jié)構(gòu)比值系數(shù)的應(yīng)用

由于我國(guó)地域遼闊，在我國(guó)不同區(qū)域所特有的煤田賦煤構(gòu)造特征［19］使得煤層開采活動(dòng)所面臨的水害類型呈現(xiàn)出分區(qū)特征［20］，各分區(qū)不同的沉積環(huán)境造成各分區(qū)煤層底板隔水層結(jié)構(gòu)的不同。

針對(duì)每個(gè)分區(qū)所屬的底板隔水層結(jié)構(gòu)、采動(dòng)破壞深度以及所面臨的水害類型，提出滿足結(jié)構(gòu)比值系數(shù)為1，即阻隔水能力最好的隔水層結(jié)構(gòu)，作為各分區(qū)背景值（結(jié)構(gòu)）。 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過對(duì)所要評(píng)價(jià)的隔水層結(jié)構(gòu)進(jìn)行試算，將計(jì)算結(jié)果與所在分區(qū)背景值（結(jié)構(gòu)）進(jìn)行比較，越接近說明該底板隔水層的阻隔水能力越強(qiáng)。

“三層段”法的提出是基于永城礦區(qū)所在的底板隔水層結(jié)構(gòu)提出，在向華北型以至全國(guó)推廣時(shí)，將結(jié)合不同區(qū)域特征進(jìn)行調(diào)整；計(jì)算公式初步是通過結(jié)構(gòu)比值系數(shù)與3 個(gè)因素的相關(guān)關(guān)系得出，在接下來的計(jì)劃中，將統(tǒng)計(jì)全國(guó)各賦煤區(qū)底板隔水層結(jié)構(gòu)資料，建立結(jié)構(gòu)比值系數(shù)計(jì)算背景值以及評(píng)價(jià)體系。同時(shí)，對(duì)公式中參數(shù)等進(jìn)行改進(jìn)，待定系數(shù)將通過對(duì)大量數(shù)據(jù)資料進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)得出。

5 結(jié) 論

1）利用井田內(nèi)100 個(gè)勘探鉆孔的地層剖面資料，通過“三層段”的劃分原則，將新橋煤礦底板隔水層概化出a、b、c、d 四種結(jié)構(gòu)模型。

2）對(duì)4 類結(jié)構(gòu)模型，從頂部抗剪切采動(dòng)破壞（堅(jiān)硬巖層組），中部為緩沖層加有效隔水的完整巖層（砂泥巖互層+隔水關(guān)鍵層），底部為抗?jié)B透破壞以及頂托破壞（堅(jiān)硬巖層阻+軟弱巖層組）”來定性評(píng)價(jià)，可得阻隔水能力由大到小為：a 類＞b 類＝d類＞c 類。

3）通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的2301 工作面底板破壞深度為27 m，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得33.16 m，證實(shí)抗采動(dòng)破壞關(guān)鍵層的存在，為Ⅲ層雜砂巖。

4）通過建立評(píng)價(jià)模型，對(duì)c 類結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性評(píng)價(jià)得出：底板隔水層的巖層組合關(guān)系、巖性特征等結(jié)構(gòu)特征確實(shí)對(duì)底板阻隔水能力有影響。

5）通過質(zhì)量比值系數(shù)和強(qiáng)度比值系數(shù)分別與厚度加權(quán)對(duì)4 種結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行試算，得出質(zhì)量比值系數(shù)與強(qiáng)度比值系數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合二者優(yōu)缺點(diǎn)，初步提出定量的評(píng)價(jià)方法：結(jié)構(gòu)比值系數(shù)；并初步擬定計(jì)算公式以及應(yīng)用方法與前景。