地下水突水系數在安全開采評價中的應用缺陷

賀志宏

(山西汾西礦業集團有限責任公司，山西 介休032000)

我國煤炭資源豐富，是能源組成的重要部分，然而我國也是世界上煤礦水害最嚴重的國家之一，據統計有60%的煤礦不同程度地受到底板巖溶承壓水的威脅，僅華北地區受其危害的礦井就有230多個，造成40%左右的煤炭不能正常開采。采煤工作面或巷道底板隔水層之下巖溶承壓水突水事故占我國煤礦總突水事故的30%以上。

中國煤田經過近一個世紀的開采，底板水害日趨嚴重，如何將這些煤炭從承壓水威脅中解放出來，實現安全、高效生產，一直是中國煤礦水害防治技術研究的重要課題。

煤層底板突水影響因素很多，但主要是含水層的富水性、水壓力以及隔水巖層等。含水層的富水性是發生底板突水的內在因素，它決定著突水水量的大小及突水量的動態特征，水壓力的存在是驅動含水層水流入礦坑的動力，而底板破壞所形成的破裂是地下水得以流動的通路和咽喉，只有當三者同時存在并達到某種特殊組合時，才能發生底板突水。長期以來，研究礦壓、水壓及隔水巖層阻水能力之間的相互關系成為研究采煤工作面底板是否突水的核心問題。突水系數概念的提出是這一研究成果的典型代表。但從突水系數研究的過程可以看出，突水系數的計算公式還存在一定的問題。

1 突水系數在煤層帶壓開采中的演變

對煤層底板水害的研究歷史可直接反映于突水系數理論的發展變化過程，關于突水系數值的計算方法經歷了多次變化和修正。

60年代，最早提出的突水系數就是作用于底板隔水層的水壓與底板隔水層厚度之比值。其表達式可簡單地寫為:

式中:Ts為突水系數(MPa/m);P為作用于隔水層底板的水壓力(MPa);M為底板隔水巖層厚度(m)。

這一公式顯然過于簡單，未能考慮采礦等諸多因素的影響。在此基礎上，通過對全國部分礦區突水實際資料的分析和底板隔水層壓水試驗，對計算公式進行了修正:

式中:CP為采礦造成的導水裂隙帶厚度(m)。

其它參數同上。

后來，又提出了下三帶理論，將煤層底板劃分為礦壓破壞帶、完整隔水帶及原始導高帶。

對突水系數公式進一步進行修正:

式中:MⅠ為礦壓破壞帶厚度(m);MⅡ為有效隔水層厚度(m);MⅢ為原始導升帶厚度(m)。

其它參數同上。

式(3)較式(1)相比，充分考慮了礦壓及水壓對底板隔水層的破壞和影響，應該說更加符合實際情況，但該公式中仍未考慮底板隔水層是由不同性質的巖層復合而成，且不同巖石有著完全不同的力學性質和抗水壓能力。因此，不能單純以巖層的實際厚度來計算突水系數，而應根據巖石本身的力學強度和隔水性能對實際厚度進行計算，得出一個假定巖體強度和隔水性能均一的等效隔水層厚度(Me)。為此，就提出了等效隔水層厚度的計算公式:

式中:M為底板隔水層的實際量測厚度(m);Me為底板隔水層的等效厚度(m);ξ為底板隔水層的強度比值系數;Mi為底板隔水層中某一性質巖石的厚度百分底板隔水層中i層巖石的強度比值系數。

不難看出，確定有效隔水層厚度的關鍵在于如何確定不同性質巖層的強度比值系數，對于這一問題目前還缺乏系統的理論與實驗研究，王夢玉教授曾根據邯鄲地區的現場壓水試驗資料獲得了下表1所列的強度比值系數。

在獲得了等效隔水層厚度后，并考慮礦壓和原始水壓的因素所得到新的突水系數的計算公式如下:

式(5)對底板隔水層的分帶性、分層性及其巖性特征都有所考慮，應該說比前述的幾種突水系數計算方法有了很大的改進。

但從突水系數計算公式的演變過程來看，不難看出，其主要研究工作都集中于對底板隔水層本身結構和力學性質上，而對作用在煤層底板隔水層上的水壓力的研究沒有涉及。在計算中我們利用的水壓值為煤層隔水層底板含水層水壓力，而實際的水壓值應為含水層水流在導升帶中劈裂導升后的水壓值，即為殘余水壓(如圖1)。

圖1 底板隔水層不同位置水壓力分布示意圖

由此可見，考慮多種因素的底板隔水層突水系數的計算公式應為:

式中:PC為為原始水壓導升帶上駐點的殘余水頭壓力;P0為煤層底板含水層原始水壓(MPa);η為含水層水流在隔水層導升帶中遞升過程中的水頭損耗率;K為隔水層滲透系數(m/d)。

其它參數同上。

公式(7)與以上其它計算公式相比，突水系數計算公式有了更進一步的改進，更能客觀、全面地反映煤層開采實際條件。它不僅考慮了煤層底板的分帶以及底板巖性組合，而且還考慮了煤層底板的殘余水壓問題，使公式更反映條件真實性，更具有實用性。對重新定義受水威脅煤炭資源的概念以及深部煤炭安全開采預測預報具有重要意義。

2 突水系數在煤層帶壓開采應用中存在主要缺陷

多年來，由于突水系數計算簡單，易于分析，被大家一直廣泛應用于礦井煤層帶壓開采的安全分區評價中，對煤礦安全開采起到了至關重要的指導作用。但從突水系數計算公式演變過程可以看出，突水系數的應用還存在諸多問題。

在2009年12月1日《煤礦防治水規定》頒布實施之前，大家廣泛應用的突水系數計算公式一般為公式(3)，而且很長一段時間被業內認可。該公式計算中考慮了煤層底板采動破壞深度及底板隔水層的原始導升高度，與原始公式(1)相比有較大的改進。但根據突水系數安全分區臨界值為一統計值，只與最初原始公式計算結果具有一定的對應關系，而與公式(3)無對應關系。鑒于以上情況，在《煤礦防治水規定》中將突水系數計算公式修改為公式(1)。

而從突水系數計算公式演變過程來看，利用公式(1)計算突水系數計算及應用存在諸多缺陷:

(1)計算公式中未考慮煤層底板隔水層實際存在的采動擾動破壞深度及原始倒升高度，增大了隔水層厚度，與生產實際不符，缺乏一定的真實性;

(2)計算公式中只考慮了煤層底板隔水層的厚度，而對隔水層自身的特性(如強度、滲透性、阻水性等)未加考慮，不論隔水層的強度大小如何、滲透性及阻水性強弱，只要煤層底板隔水層厚度相等，底板受水壓力一樣，則突水系數值也就一樣，缺乏一定的科學性;

(3)根據實驗研究，煤層底板隔水層存在原始導升高度時，含水層水流在隔水層導升過程中存在一定的壓力損耗(如圖2)，而實際作用在煤層底板隔水層上的水壓力為含水層水導升后的殘余水壓力Pc，而不是P0。

圖2 隔水層中殘余水頭隨導升高度變化曲線圖(滲透系數K=0.067 8m/d)

(4)由于突水系數計算未考慮隔水層自身特性，不論隔水層強度及阻水性如何，而煤層開采安全性是一樣的，因此，利用公式(1)計算結果評價煤層帶壓開采安全性對實際生產存在一定的誤導和安全隱患。

3 突水系數計算公式選擇、參數獲取及存在問題

從突水系數計算公式演變過程中可以看出，計算公式(7)較為完善，并越來越嚴密，更加切合實際，對礦井安全生產更具有指導意義。

3.1 公式(7)中各參數的獲取

(1)殘余水壓Pc可利用原始導升高度隔水層的滲透系數計算獲得。

(2)底板隔水層厚度應根據鉆孔資料利用強度比值系數對地層進行有效折算后使用。強度比值系數可根據表1進行選取。

(3)底板破壞深度一是可根據經驗計算公式計算，二是根據區域或條件相似礦井在井下利用注水試驗等方法實測獲取。建議采用礦區帶壓開采礦井現場實測數據，以便更有效指導礦井安全生產。

(4)原始導升高度可根據底板隔水層探查鉆孔資料和物探資料進行實測分析求取。

3.2 不足及存在問題

(1)公式(7)計算及參數獲取稍顯繁雜。

(2)計算結果無與之對應帶壓開采安全分區臨界值。這也是目前公式無法推廣使用的關鍵問題所在。臨界值需要根據近幾年全國礦井突水資料進行統計分析獲得。

4 結語

(1)目前《煤礦防治水規定》突水系數計算存在諸多不足，且對煤礦安全開采評價存在一定安全隱患。

(2)新的突水系數計算方法更加嚴密精確、科學合理，更加切合實際，對煤炭開采水害防治具有重要意義。

(3)突水系數對礦井帶壓開采評價具有重要的指導作用。雖然計算公式在不斷更新，但其還存在一定的不足及問題，今后需進一步補充和完善。

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