突水系數法在煤礦深部開采中的應用

李本軍,劉海新,劉曉威

（1.中國煤炭地質總局水文地質局,河北 邯鄲 056004;2.河北工程大學 資源學院,河北 邯鄲 056038）

我國煤礦床水文地質條件復雜,特別是巖溶水經常突入礦坑危害生產安全,華北型煤田下組煤（太原組煤）開采,普遍受到煤系地層基底奧灰承壓含水層的威脅[1]。我國相關領域的專家和學者對底板突水問題進行了大量的研究,武強等[2-4]提出了主控指標體系建設方法、脆弱性指數法以及GIS與ANN耦合技術等新型實用方法;李麗和程久龍[5]應用信息融合進行了底板突水預測;尹會永等[6]用多源信息復合的方法評價底板突水。開采實踐驗證,在一般水壓下（小于3 MPa）,用突水系數來評價開采的安全性,基本符合實際。隨著開采深度的增加,奧灰水壓逐漸增高,底板巖層在高圍壓下卸荷產生底板破壞帶,加之奧灰水導升帶高度,由水壓除以相對隔水層厚度得到的突水系數已大于規范、規程中所規定的上限值。在某些井田,下組煤埋深可達1 200 m,奧灰水水壓達8.68-14.46 MPa,為底板超高承壓水,突水系數達0.11-0.15 MPa/m,最小值亦超過規范安全開采突水系數上限,突水系數法評價開采危險性已經不能完全適用于深部開采。

1 規范規定的突水系數公式

由國家技術監督局發布,1991年10月1日起施行的《礦區水文地質工程地質勘探規范》（GB12719-91）規定的計算公式為公式（1）[7]。對臨界突水系數作如下規定:就全國實際資料看,底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06 MPa/m,正常塊段不大于0.15MPa/m。

式中 T—突水系數,MPa/m;p—隔水層承受的水壓,MPa;M—底板隔水層厚度,m;Cp—采礦對底板隔水層的擾動破壞厚度,m。

由國家安全生產監督管理總局發布,2009年12月1日起施行的《煤礦防治水規定》規定的計算公式為公式（2）[8]。對臨界突水系數作如下規定:就全國實際資料看,底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06 MPa/m,正常塊段不大于0.1 MPa/m。

式中T—突水系數,MPa/m;p—底板隔水層承受的水頭壓力,MPa;M—底板隔水層厚度,m。

2 突水系數公式應用設想

2.1 無承壓水導升帶和無相對隔水層

各參數意義同公式（1）。

采礦對底板隔水層的擾動破壞厚度（Cp）計算可參考公式（4）[9]和公式（5）計算。

式中Cp—采礦對底板隔水層的擾動破壞厚度,m。L—工作面斜長,m。

公式（4）為經過有關資料推導得到。

各參數意義同公式（4）。

公式（5）為山東礦業學院特殊開采所根據全國11個采面的測試成果,總結出底板破壞深度與采面斜長關系的經驗公式。

2.2 存在承壓水導升帶

式中h1—承壓水導升高度,m。

承壓水導升高度（h1）用物探和鉆探方法確定,一般可在井下巷道中用電法探測,必要時用鉆探驗證。當井下物探與鉆探條件受限制時,也可以通過已往鉆孔資料分析確定。

2.3 奧灰頂部存在相對隔水層

式中h2—相對隔水段厚度,m。

奧灰頂部相對隔水段厚度（h2）的探測方法主要是水文地質鉆探法和水文地質物探法。

2.4 公式設想

考慮到底板破壞深度、導升高度和奧灰含水層頂部風化殼作為相對隔水層時,突水系數的三個計算公式可以統一表示為

式中T—突水系數,MPa/m;p—保護層地面承受的水頭壓力,MPa;N—保護層厚度,m。

3 突水系數法的局限性

磁西一號煤礦為冀中能源峰峰集團接替礦井,屬于擬建礦井,設計規模180萬噸/年,設計開采水平為-1 010 m、-1 150 m和-1 400 m三個水平,主要可采煤層為2#煤和4#煤,2#煤采深1 054-1 516 m。煤層開采受奧灰水威脅大[10-11]。

根據《煤礦防治水規定》,計算的2#煤和4#煤安全開采標高見表1。

表1 安全開采標高計算表Tab.1 Calculation results of Safety mining elevation

2#煤取奧灰水位標高+107 m,隔水層厚度144.64 m,突水系數為 0.078-0.11 MPa/m;4#煤取奧灰水位標高+107 m,隔水層厚度103.4 m,突水系數為0.11-0.15 MPa/m[12]。本井田4#煤全部處于突水危險區域,2#煤部分正常地段處于安全區域,大部分地段處于突水危險區域。由表1可見,如果按照突水系數0.1 MPa/m計算,則2號煤層安全開采深度為-1 195 m以上。因此,如果考慮構造影響,取突水系數0.06 MPa/m,本井田可采煤層均不能安全開采。

4 阻水系數的初步探討

由以上分析可知,磁西一號井田大部分范圍都處于突水危險范圍。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷留設與壓煤開采規程》（附錄六）[12],對于煤層底板含水層,允許按照不允許底板采動導水破壞帶波及水體或與承壓水導升帶溝通的原則留設防水煤巖柱厚度。即:設計的底板防水安全煤柱厚度（ha）應大于或等于導水破壞帶（h1）和阻水帶厚度（h2）之和。以下為設計提出的煤柱留設方案:

式中L—壁式工作面斜長,取200 m。

計算得h1=22.28 m,取23 m。

式中 P—作用在底板上的水壓力,取15 MPa;Z—阻水系數,取0.2 MPa/m[11]。

計算得 h2=75 m,則 ha=23+75=98 m,取100 m。

揭露奧陶系鉆孔處各煤層安全煤巖柱厚度見表2,各水平開采煤層安全煤巖柱厚度見表3。

表2 鉆孔處安全煤巖柱厚度計算表Tab.2 Calculation results of safety coal-rock pillar thickness for hole

表3 各水平開采煤層安全煤巖柱厚度計算表Tab.3 Calculation results of safety coal-rock pillar thickness for each level coal mining

本礦井2#煤層距離奧陶系含水層約144.6 m,4#煤層距離奧陶系含水層約103.4 m,由表3知,開采深度為1 500 m時,2#煤層底板安全防水煤巖柱厚度需要103 m以上,小于144.6 m,因此2#煤層可以安全開采;而4#煤層開采標高在-1 300 m時,4#煤層底板安全防水煤巖柱厚度需要98 m,小于103.4m,因此4#煤層可以安全開采;開采標高低于-1 400 m時,4#煤層底板安全防水煤巖柱厚度需要103 m,接近103.4 m,因此4#煤層開采水平低于-1 400 m,必須采取疏降或底板加固措施后才能開采。

由此可見,在底板承壓水頭標高一定的情況下,2#、4#煤層的安全開采深度,取決于底板隔水層的阻水能力,即阻水系數的大小,因此,在-1 150 m以淺區域,采用加固底板提高底板隔水層的阻水能力的方法進行2#、4#煤層的開采是可以試驗開采的。

5 結束語

現行規程、規范中所規定的Ts值是否適應深部煤層突水危險性評價仍值得專家學者的繼續研究。礦區的突水危險性評價應采用多種方法,互相驗證。

[1]喬偉,李文平,趙成喜.煤礦底板突水評價突水系數-單位涌水量法[J].巖石力學與工程學報,2009,28（12）:2 466-2 467.

[2]武強,張志龍,馬積福.煤層底板突水評價的新型實用方法I-主控指標體系的建設[J].煤炭學報,2007,32（1）:42-47.

[3]武強,張志龍,張生元.煤層底板突水評價的新型實用方法II-脆弱性指數法[J].煤炭學報,2007,32（11）:1 121-1 126.

[4]武強,龐煒,戴迎春.煤層底板突水脆弱性評價的GIS與ANN耦合技術[J].煤炭學報,2006,31（3）:314-319.

[5]李麗,程久龍.基于信息融合的礦井底板突水預測[J].煤炭學報,2006,31（5）:623-626.

[6]尹會永,魏久傳,劉同彬.基于多源信息復合的煤層底板突水評價[J].山東科技大學學報:自然科學版,2008,27（2）:6-9.

[7]GB12719-91,礦區水文地質工程地質勘探規范[S].

[8]國家安全生產監督管理總局,國家煤礦安全監察.煤礦防治水規定[M].北京:煤炭工業出版社,2009.

[9]尹萬才,尹增德,施龍青.礦井突水原因及其防治[J].焦作工學院學報,1999,18（1）:19-20.

[10]高延法,章延平,張慧敏,等.底板突水危險性評價專家系統及應用研究[J].巖石力學與工程學報,2009,28（2）:254-255.

[11]中煤邯鄲設計工程有限責任公司.冀中能源峰峰集團磁西一號礦井可行性研究報告[R].2010.

[12]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷留設與壓煤開采規程[M].北京:煤炭工業出版社,2000.