突水系數(shù)法在煤礦深部開(kāi)采中的應(yīng)用

李本軍,劉海新,劉曉威

（1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局,河北 邯鄲 056004;2.河北工程大學(xué) 資源學(xué)院,河北 邯鄲 056038）

我國(guó)煤礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜,特別是巖溶水經(jīng)常突入礦坑危害生產(chǎn)安全,華北型煤田下組煤（太原組煤）開(kāi)采,普遍受到煤系地層基底奧灰承壓含水層的威脅[1]。我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的專家和學(xué)者對(duì)底板突水問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究,武強(qiáng)等[2-4]提出了主控指標(biāo)體系建設(shè)方法、脆弱性指數(shù)法以及GIS與ANN耦合技術(shù)等新型實(shí)用方法;李麗和程久龍[5]應(yīng)用信息融合進(jìn)行了底板突水預(yù)測(cè);尹會(huì)永等[6]用多源信息復(fù)合的方法評(píng)價(jià)底板突水。開(kāi)采實(shí)踐驗(yàn)證,在一般水壓下（小于3 MPa）,用突水系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)開(kāi)采的安全性,基本符合實(shí)際。隨著開(kāi)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(chǎn)生底板破壞帶,加之奧灰水導(dǎo)升帶高度,由水壓除以相對(duì)隔水層厚度得到的突水系數(shù)已大于規(guī)范、規(guī)程中所規(guī)定的上限值。在某些井田,下組煤埋深可達(dá)1 200 m,奧灰水水壓達(dá)8.68-14.46 MPa,為底板超高承壓水,突水系數(shù)達(dá)0.11-0.15 MPa/m,最小值亦超過(guò)規(guī)范安全開(kāi)采突水系數(shù)上限,突水系數(shù)法評(píng)價(jià)開(kāi)采危險(xiǎn)性已經(jīng)不能完全適用于深部開(kāi)采。

1 規(guī)范規(guī)定的突水系數(shù)公式

由國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布,1991年10月1日起施行的《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（GB12719-91）規(guī)定的計(jì)算公式為公式（1）[7]。對(duì)臨界突水系數(shù)作如下規(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0.15MPa/m。

式中 T—突水系數(shù),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(duì)底板隔水層的擾動(dòng)破壞厚度,m。

由國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布,2009年12月1日起施行的《煤礦防治水規(guī)定》規(guī)定的計(jì)算公式為公式（2）[8]。對(duì)臨界突水系數(shù)作如下規(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。

式中T—突水系數(shù),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(shù)公式應(yīng)用設(shè)想

2.1 無(wú)承壓水導(dǎo)升帶和無(wú)相對(duì)隔水層

各參數(shù)意義同公式（1）。

采礦對(duì)底板隔水層的擾動(dòng)破壞厚度（Cp）計(jì)算可參考公式（4）[9]和公式（5）計(jì)算。

式中Cp—采礦對(duì)底板隔水層的擾動(dòng)破壞厚度,m。L—工作面斜長(zhǎng),m。

公式（4）為經(jīng)過(guò)有關(guān)資料推導(dǎo)得到。

各參數(shù)意義同公式（4）。

公式（5）為山東礦業(yè)學(xué)院特殊開(kāi)采所根據(jù)全國(guó)11個(gè)采面的測(cè)試成果,總結(jié)出底板破壞深度與采面斜長(zhǎng)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。

2.2 存在承壓水導(dǎo)升帶

式中h1—承壓水導(dǎo)升高度,m。

承壓水導(dǎo)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(cè),必要時(shí)用鉆探驗(yàn)證。當(dāng)井下物探與鉆探條件受限制時(shí),也可以通過(guò)已往鉆孔資料分析確定。

2.3 奧灰頂部存在相對(duì)隔水層

式中h2—相對(duì)隔水段厚度,m。

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

2.4 公式設(shè)想

考慮到底板破壞深度、導(dǎo)升高度和奧灰含水層頂部風(fēng)化殼作為相對(duì)隔水層時(shí),突水系數(shù)的三個(gè)計(jì)算公式可以統(tǒng)一表示為

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

3 突水系數(shù)法的局限性

磁西一號(hào)煤礦為冀中能源峰峰集團(tuán)接替礦井,屬于擬建礦井,設(shè)計(jì)規(guī)模180萬(wàn)噸/年,設(shè)計(jì)開(kāi)采水平為-1 010 m、-1 150 m和-1 400 m三個(gè)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(kāi)采受奧灰水威脅大[10-11]。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》,計(jì)算的2#煤和4#煤安全開(kāi)采標(biāo)高見(jiàn)表1。

表1 安全開(kāi)采標(biāo)高計(jì)算表Tab.1 Calculation results of Safety mining elevation

2#煤取奧灰水位標(biāo)高+107 m,隔水層厚度144.64 m,突水系數(shù)為 0.078-0.11 MPa/m;4#煤取奧灰水位標(biāo)高+107 m,隔水層厚度103.4 m,突水系數(shù)為0.11-0.15 MPa/m[12]。本井田4#煤全部處于突水危險(xiǎn)區(qū)域,2#煤部分正常地段處于安全區(qū)域,大部分地段處于突水危險(xiǎn)區(qū)域。由表1可見(jiàn),如果按照突水系數(shù)0.1 MPa/m計(jì)算,則2號(hào)煤層安全開(kāi)采深度為-1 195 m以上。因此,如果考慮構(gòu)造影響,取突水系數(shù)0.06 MPa/m,本井田可采煤層均不能安全開(kāi)采。

4 阻水系數(shù)的初步探討

由以上分析可知,磁西一號(hào)井田大部分范圍都處于突水危險(xiǎn)范圍。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》（附錄六）[12],對(duì)于煤層底板含水層,允許按照不允許底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶波及水體或與承壓水導(dǎo)升帶溝通的原則留設(shè)防水煤巖柱厚度。即:設(shè)計(jì)的底板防水安全煤柱厚度（ha）應(yīng)大于或等于導(dǎo)水破壞帶（h1）和阻水帶厚度（h2）之和。以下為設(shè)計(jì)提出的煤柱留設(shè)方案:

式中L—壁式工作面斜長(zhǎng),取200 m。

計(jì)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(shù),取0.2 MPa/m[11]。

計(jì)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(jiàn)表2,各水平開(kāi)采煤層安全煤巖柱厚度見(jiàn)表3。

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

表3 各水平開(kāi)采煤層安全煤巖柱厚度計(jì)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(kāi)采深度為1 500 m時(shí),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(kāi)采;而4#煤層開(kāi)采標(biāo)高在-1 300 m時(shí),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(kāi)采;開(kāi)采標(biāo)高低于-1 400 m時(shí),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(kāi)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(kāi)采。

由此可見(jiàn),在底板承壓水頭標(biāo)高一定的情況下,2#、4#煤層的安全開(kāi)采深度,取決于底板隔水層的阻水能力,即阻水系數(shù)的大小,因此,在-1 150 m以淺區(qū)域,采用加固底板提高底板隔水層的阻水能力的方法進(jìn)行2#、4#煤層的開(kāi)采是可以試驗(yàn)開(kāi)采的。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范中所規(guī)定的Ts值是否適應(yīng)深部煤層突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)仍值得專家學(xué)者的繼續(xù)研究。礦區(qū)的突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)應(yīng)采用多種方法,互相驗(yàn)證。

[1]喬偉,李文平,趙成喜.煤礦底板突水評(píng)價(jià)突水系數(shù)-單位涌水量法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28（12）:2 466-2 467.

[2]武強(qiáng),張志龍,馬積福.煤層底板突水評(píng)價(jià)的新型實(shí)用方法I-主控指標(biāo)體系的建設(shè)[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32（1）:42-47.

[3]武強(qiáng),張志龍,張生元.煤層底板突水評(píng)價(jià)的新型實(shí)用方法II-脆弱性指數(shù)法[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32（11）:1 121-1 126.

[4]武強(qiáng),龐煒,戴迎春.煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)的GIS與ANN耦合技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),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(yù)測(cè)[J].煤炭學(xué)報(bào),2006,31（5）:623-626.

[6]尹會(huì)永,魏久傳,劉同彬.基于多源信息復(fù)合的煤層底板突水評(píng)價(jià)[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,27（2）:6-9.

[7]GB12719-91,礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范[S].

[8]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局,國(guó)家煤礦安全監(jiān)察.煤礦防治水規(guī)定[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2009.

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

[10]高延法,章延平,張慧敏,等.底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)及應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28（2）:254-255.

[11]中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司.冀中能源峰峰集團(tuán)磁西一號(hào)礦井可行性研究報(bào)告[R].2010.

[12]國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.