五圖雙系數(shù)法在煤層底板承壓水突水危險性評價中的應用

王立仁

摘 要：在煤礦資源日益匱乏的現(xiàn)實條件下，深部煤層開采面臨的形勢越發(fā)嚴峻，奧灰?guī)r溶突水問題越發(fā)凸顯。以大同塔山煤礦為例，利用五圖雙系數(shù)法對承壓煤層進行突水危險性評價，以期能為9號煤層安全開采提供有益支撐。

關鍵詞：五圖雙系數(shù)法;承壓水;突水;煤礦安全

中圖分類號：TD745 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）17-0071-03

Abstract： Under the realistic condition of increasingly scarce coal resources， the situation of deep coal seam mining is more and more serious， and the problem of water inrush from Ordovician limestone karst is more and more prominent. Taking Tashan Coal Mine in Datong as an example， this paper evaluated the water inrush risk of confined coal seam by using the method of five charts and two coefficients， in order to provide beneficial support for safe mining of No. 9 coal seam.

Keywords： five-figure double coefficient method;confined water;water inrush;coal mine safety

塔山井田分上下兩個煤組開采，其中深部的9號煤層底板等高線值在+955～+1 040m，下部的奧灰?guī)r溶水最高水位在+978m～+1 052m。9號煤層開采時大部分區(qū)域屬于承壓開采。因此，為了確保9號煤層開采安全，指導防治水工作的開展，需要對9號煤層底板奧灰水突水危險性進行綜合評價。

1 水文地質概況

塔山井田東側以煤層露頭為邊界，煤層露頭以東出露寒武-奧陶系灰?guī)r，大氣降水為地下含水層補充水源。井田內(nèi)含煤區(qū)域位于徑流區(qū);井田南側邊界為地下巖溶水分水嶺;井田西側以及北側邊界人為劃定，井田內(nèi)含（隔）水巖層向井田外自然延展，無明顯水力邊界。由于井田內(nèi)巖溶水總體流向為自南東流向北西，因此井田西側及北側為排泄邊界。

2 五圖雙系數(shù)法概述

“五圖雙系數(shù)法”是一種常用于對承壓水突水危險性評價的技術方法，其中最重要的工作需要圍繞“五圖”“雙系數(shù)”和“三級判別”來進行[1，2]。具體的“五圖”“雙系數(shù)”以及“三判別”如表1所示[3，4]。

3 評價應用

3.1 9號煤層底板破壞帶深度等值線

采用式（1）經(jīng)驗公式對9號煤層開采之后對底板造成的破壞深度進行確定：

（1）

其中：h表示9號煤層底板破壞深度（底板導水帶深度）（m）;[L]表示回采工作面傾向斜長度（m）;[H]表示工作面采深（m）;[a]表示9號煤層傾角（°）。根據(jù)公式（1）綜合確定9號煤層底板破壞深度，具體如圖1所示。

3.2 底板保護層厚度等值線

9號煤層與下部的奧陶系含水層之間的隔水層巖性粉砂巖、呈灰白色砂質泥巖、泥巖以及中、細砂巖為主，隔水層下部主要以泥巖為主，含鋁質土[5]。具體的9號煤層底板隔水層厚度變化如圖2所示。從圖2可知，井田內(nèi)9號煤層底板隔層厚度為30～54m，總體呈自西南向東北逐漸變大的趨勢。

3.3 煤層底板以上水頭等值線

井田內(nèi)9號煤層底板標高為+955～+1 040m，巖溶水水位標高為+978m～+1 052m。通過對比，各鉆孔9號煤層底板標高也均低于巖溶水位標高，故9號煤層在可采區(qū)內(nèi)全區(qū)帶壓（見圖3）。

3.4 有效保護層厚度等值線

9號煤層有效保護層厚度（[H有效]）是煤層頂板保護層厚度（[H保護]）減去煤層開采后底板導水裂隙帶發(fā)育高度（h），即

（2）

有效保護層厚度能抵抗下部承壓含水層水頭壓力，對煤層開采起到主要的保護作用。具體的9號煤層有效保護層厚度（[H有效]）等值線如圖4所示。

3.5 帶壓系數(shù)

通過底板等效泥巖隔水層厚度計算出隔水層的總體抗壓強度，利用公式（3）計算得出帶壓系數(shù)。

（3）

式中：T表示帶壓系數(shù)（MPa/m）;[P總]表示隔水層的總體抗壓強度（MPa）;[H有效]表示煤底有效隔水層厚度（m）。

當帶壓系數(shù)大于突水系數(shù)時為安全區(qū)，帶壓系數(shù)小于突水系數(shù)時為危險區(qū)。具體的帶壓系數(shù)計算結果如表2所示。

3.6 突水系數(shù)

“五圖雙系數(shù)法”突水系數(shù)計算公式為：

（4）

式中：[Ts]表示突水系數(shù)（MPa/m）;[P]表示9號煤層底板隔水層受到的靜水壓力（MPa）;[H有效]表示底板有效隔水層厚度（m）。

具體計算出的9號煤層底板突水系數(shù)如表3所示。

3.7 三級判別

3.7.1 Ⅰ級判別。由上述分析，井田內(nèi)9號煤層X1陷落柱附近區(qū)域也可能發(fā)生直通式突水;9號煤層底板有效隔水層厚度為15.14～37.53m，平均23.73m，正常塊段發(fā)生直通式突水的可能性小。因此，在斷層發(fā)育區(qū)域發(fā)生直通式突水的可能性也較小。

3.7.2 Ⅱ級判別。通過帶壓系數(shù)與突水系數(shù)的對比可知，各鉆孔9號煤層的帶壓系數(shù)均大于突水系數(shù)，因此，根據(jù)帶壓系數(shù)判別，各煤層發(fā)生非直通性突水的可能性小。

根據(jù)突水系數(shù)判別，9號煤層可采區(qū)內(nèi)突水系數(shù)為0.026 0～0.046 3MPa/m，小于構造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06MPa/m，因此，9號煤底板巖溶水非直通式突水可能性小。井田內(nèi)發(fā)生非直通式突水的突水形式主要為開采過程中巖溶水有可能通過原始導升帶、斷層活化裂隙和底板采動破壞裂隙以組合通道方式突水。

3.7.3 Ⅲ級判別。根據(jù)Ⅰ、Ⅱ級判別結果，各煤層發(fā)生直通式和非直通式突水的可能性都小。總體而言，由于井田內(nèi)寒武-奧陶系巖溶水富水性弱，煤層底板承壓水頭小于1MPa，一旦發(fā)生突水，在初期突水量可能較大，而后會逐漸減小，井田靠近區(qū)域巖溶水的排泄區(qū)，并可接受東部灰?guī)r裸露區(qū)的補給，因此，后期突水量將會穩(wěn)定，穩(wěn)定水量較小，但不易衰竭。從平面上煤層底板帶壓狀況來看，在井田東北部，水壓由西南向東北變大，突水量也呈自西南向東北增大的趨勢。

4 9號煤層帶壓開采評價分區(qū)圖

由三級判別可知，由于陷落柱可直接導通巖溶含水層，井田西北角的X1陷落柱附近區(qū)域可能發(fā)生直通式突水，其余區(qū)域9號煤層發(fā)生直通式和非直通式突水概率都比較低。

由于X1陷落柱具有導水性，且與下部的承壓含水層（奧灰水）之間有水力聯(lián)系，X1陷落柱影響范圍附近區(qū)域的突水危險性為直通式，其他區(qū)域無突水危險性。但是，在對9號煤層開采期間，應強化物探以及鉆探工作，防止其他隱伏構造導水，從而影響9號煤層開采安全。9號煤層帶壓開采評價分區(qū)如圖5所示。

5 結論

通過采用五圖雙數(shù)法對塔山井田9號煤層底板突水危險性進行評價，9號煤層底板奧灰水的突水系數(shù)（T）為0.027 2～0.045 9MPa/m，小于突水的臨近判定指標（0.06MPa/m）。由于X1陷落柱具有導水性，因此，在X1陷落柱附近發(fā)生直通式突水的可能性比較高，其余區(qū)域突水概率比較低，但是，煤炭開采時也應重視物探及鉆探工作，確保開采工作安全進行。

參考文獻：

[1]張波，李建林.深部礦井底板突水評價方法對比及應用研究[J].煤炭技術，2017（11）：201-203.

[2]劉海利.五圖-雙系數(shù)法對奧灰水帶壓區(qū)回采面突水危險性評價[J].山東煤炭科技，2017（7）：167-168，177.

[3]李志強.基于五圖—雙系數(shù)法與脆弱性指數(shù)法的煤礦底板突水預測研究[D].焦作：河南理工大學，2017.

[4]李慎舉.山西霍寶干河煤礦煤層底板突水評價與預測預報研究[D].北京：中國礦業(yè)大學（北京），2017.

[5]王宗明，來永偉，段儉君.五圖雙系數(shù)法在北辛窯煤礦底板突水評價中的應用[J].煤炭與化工，2016（5）：7-12，17.