陜澠煤田底板太原組灰?guī)r突水預(yù)測

林劉軍 何有生

摘 要：文章根據(jù)礦井含水層充水性特征及各礦突水具體情況，對奧灰水、太灰水的突水通道、突水機理及危害性進行了定性分析研究，總結(jié)了一些主要工作經(jīng)驗，提出了一些新的理論和方法。

關(guān)鍵詞：陜澠煤田；底板突水；太原組灰?guī)r

1 底板突水的預(yù)測

陜澠煤田大量的實際資料表明，所有煤礦底板突水都是發(fā)生在底板最薄弱、應(yīng)力最大的地方。我們以采場底板最弱點在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中破壞時的巖體最小抗張強度k0作為整個底板的強度，將本身強度不均一的采場底板簡化為一個強度等于底板最弱點在外力作用下的巖體最小抗張強度K0的理想的“均質(zhì)弱板”，則此“均質(zhì)弱板”中任一點在外力作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力值，應(yīng)與采區(qū)底板最弱點在同樣的外力作用下而產(chǎn)生的應(yīng)力值相同或近似。然后將載荷加上去，研究其應(yīng)力分布，找出其最大應(yīng)力點。此最大應(yīng)力點在理想的“均質(zhì)弱板”中產(chǎn)生的力學作用，應(yīng)與采區(qū)底板中最弱點在與采場最大應(yīng)力點相會合時的力學作用相同或近似。如此理想的“均質(zhì)弱板”能夠承受此最大應(yīng)力而不至于進一步破裂，則采區(qū)底板將不會突水，否則會發(fā)生突水。[1]

根據(jù)以上理論，根據(jù)推理的公式來預(yù)測研究區(qū)的底板突水情況：

Po=2Ko（1/Lx2+1/Ly2）h2+（r底cosa-1）h-Q

式中：Po-臨界水頭壓力（Mpa）；Ko-底板巖體最小抗張強度（Mpa）；Lx-采區(qū)走向跨度，亦即采煤工作面至冒落物壓實點的距離（M）；Ly-采區(qū)傾斜跨度亦即工作面長度（M）；r底-底板巖體的平均容重t/m3；h-相對隔水底板厚度（M）；Q-礦山壓力（指向上作用于懸頂區(qū)底板的二次側(cè)壓力及地應(yīng)力）（Mpa）；a-煤層傾角（度）

它的曲線為一個不通過原點，在P軸上有負截距C的拋物線，如下：

所選用的這個方法，可以說是目前最科學、最新、最嚴密、最符合實際的，它全面考慮了各種因素對計算結(jié)果的影響。在此圖中：

（1）凡是P，H坐標位于拋物線右上方的采區(qū)，，均可能發(fā)生底鼓、破裂，但是突水現(xiàn)象只能發(fā)生在h軸的右邊，左邊則只破裂而不突水；P，H坐標位于左下方的采區(qū)，既不會發(fā)生底鼓和破裂，也不會突水。

（2）之所以會出現(xiàn)底鼓、破裂的突水，是水頭壓力和礦山壓力共同作用的結(jié)果；P軸上的負截距C，即為礦山壓力Q（包括地應(yīng)力）之值。當P=0時，h=h0，即為礦山壓力對底板的破壞深度（m）。

（3）當其它條件相同時，ho是隨著Ko的降低而呈直線減小。故底板突水多發(fā)生在破碎帶及斷層附近。

（4）ho是隨著Lx或Ly的增大，而是似雙曲線關(guān)系減小的，故改變采煤方法，縮小懸頂區(qū)的跨度，可使臨界區(qū)現(xiàn)象有上方移動，擴大安全區(qū)，縮小突水區(qū)，將部分可能突水的采區(qū)，轉(zhuǎn)化為不突水。

（5）該圖可以起到預(yù)測新礦區(qū)的開采能否突水、指導(dǎo)合理降壓等作用。

根據(jù)本區(qū)的實際情況，我們預(yù)測的數(shù)值選取如下：

（1）Ko=1.90Mpa此值的確定是根據(jù)煤層底板巖石的抗壓強度的大小和其厚度而定。在這個值的確定方面，應(yīng)該綜合考慮這兩個因素的和諧，即要是厚度比較大而穩(wěn)定的巖層，又要是抗張強度最小的。在這里取該值，一是砂質(zhì)泥巖的厚度在40M左右，可以代表抗張強度最小的巖層，另外其強度小于灰?guī)r、砂巖。

（2）Lx、Ly兩項數(shù)值根據(jù)實測的工作面長度帶入即可。

（3）H在這里可以取二1煤的底面到奧陶系灰?guī)r的頂板的厚度，一般為75m左右。如果是預(yù)測太原組灰?guī)r的突水情況就取煤層底板倒太灰頂板的厚度即可，一般為16m左右。在取數(shù)值的過程中，一定要根據(jù)附近的鉆孔實際全面的分析，應(yīng)該把鄰近的鉆孔全部考慮在內(nèi)，以使所取的數(shù)值更加切近預(yù)測點的真實厚度。

（4）R底 ，對于該區(qū)的實際情況，經(jīng)過加權(quán)平均計算得底板巖體的平均容重為2.376t/m3。

（5）a的值在該區(qū)一般為20度，這樣（r底cosa-1）的值經(jīng)濟算得為1.233。

（6）Q可以在井下直接測定，但要注意的是此處的礦山壓力為作用于懸頂區(qū)底板的二次側(cè)壓力及地應(yīng)力。如果這些數(shù)值無法取得的話，可以用別的數(shù)據(jù)代替，但一定要有科學依據(jù)。

經(jīng)過數(shù)值的獲取，就可以計算出某個工作面底板的臨界水頭壓力，如果此處的實際水頭壓力大于臨界水頭壓力就會發(fā)生突水，否則即為安全。

2 巖體結(jié)構(gòu)與底板突水的研究

對研究區(qū)的一些鉆孔進行了分析，如圖1，從圖中可以看出二1煤到奧陶系灰?guī)r之間，自上二下可以劃分為：泥巖段，砂巖段（含煤層），泥巖段，灰?guī)r段，泥巖段，砂巖段，和灰?guī)r段。為了清楚表達起見，各層段巖性均做了合并，并以主要巖性作為該層段的巖性，從圖中可以看出奧陶系灰?guī)r到二1煤的最小距離為50米，因下段為泥巖，故而在此處“原始導(dǎo)高”可以認為不存在。二1煤下面為泥巖，導(dǎo)水裂隙帶的導(dǎo)水高度可以忽略不計。

圖1煤層底板對比圖

根據(jù)實際情況對該研究區(qū)取臨界突水系數(shù)Ts=0.5（0.1Mpa/m）；作為評價底板突水的下線，經(jīng)計算，在該地區(qū)奧灰水不能突破底板隔水層進入礦井。即使二1煤下面為砂巖，會產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶，按此計算，導(dǎo)水裂隙帶的高度只有11米左右，除去導(dǎo)水裂隙帶的高度，其突水系數(shù)也遠遠小于0.5（0.1Mpa/m），因此在該區(qū)奧灰水不回直接突破底板隔水層進入礦井。

有以上的描述可以分析知中型主要影響太原組灰?guī)r的突水。如觀音堂八號井二部突水見，63年3月7日，巷道沿C3灰?guī)r掘進時，巷頂開始滴水，隨著巷道的開掘，滴水逐漸加大，變?yōu)榱芩稳障锏纼?nèi)灰?guī)r發(fā)現(xiàn)溶隙，淋水加大，3月9日14點，距巷頂1米處突水。巷道是沿C3灰?guī)r掘進，隨著巷道的掘進，逐漸接近一條近南北向的斷層，且巷道內(nèi)C3灰?guī)r溶隙發(fā)育，而斷層下盤為砂巖，砂泥巖，成為較好的阻水層，斷層水沿灰?guī)r溶隙瀉出，造成了突水。巷道突水后，經(jīng)過五天的觀測，涌水量由120m3/h逐漸變小為30m3/h，巷道用水泵進行排水，至4月5日涌水量測得3.5m3/h，巷道繼續(xù)掘進。到后來涌水量穩(wěn)定在1.5-2.0m3/h左右。[2][3]

由于太原組灰?guī)r的富水性不均一，補給量不大，突水一般不會很大，而且以靜儲量為主。在研究區(qū)內(nèi)，小型斷層較多，但是它造成的突水一般對礦井影響不大，小斷層突水主要是滯發(fā)性突水，水量不大。

3 主要結(jié)論

3.1 在煤系地層中，軟、硬巖層相間組合在一起，構(gòu)成了各種不同的煤巖層組和形式，這種組合對煤系地層中節(jié)理的發(fā)育及含水性具有重要的影響。在研究的過程中，結(jié)合研究區(qū)的實際情況，首次提出了巖體結(jié)構(gòu)與突水之間的關(guān)系。

3.2 礦區(qū)的構(gòu)造以小型正斷層為主，而且分布不均，根據(jù)以往研究工作基礎(chǔ)，結(jié)合三維地震資料，定性的研究了斷層與突水之間的聯(lián)系。

參考文獻

[1]張長文，付斌，等.礦井突水問題得研究[J].煤炭科技，2004.5.

[2]吳新民，彭應(yīng)熙.觀音堂煤礦礦井地質(zhì)報告，1989.

[3]義馬煤業(yè)公司工程堪察分公司.曹窯煤礦深部生產(chǎn)勘探技術(shù)報告，2004.4.