帶壓開采底板突水預測研究

張世威，王 文，杜偉升

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，焦作 河南 454000；2.清華大學 土木水利學院，北京 100084)

地下煤炭的開采活動會引起應力的重新分布，導致巖體的受力狀態發生較大的變化，頂底板發生運移破斷，導致礦井災害的發生[1，2]。水害是煤炭開采過程中的五大災害之一[3]，在煤層的頂底板均存在含水層，將含水層與煤層分隔開的巖層稱為隔水層，由于頂底板隔水巖層在應力重新分布過程中發生運移破斷，導致承壓水涌入工作面或者巷道而造成的礦井突水災害[4]。隨著煤炭開采向深部轉移[5]，承壓水對煤炭開采造成的潛在危險日漸突出[6]。特別是在我國華北地區的煤系地層存在奧陶系灰巖含水層，含水層與煤層之間的隔水層厚度分布不均勻，一旦采掘活動對隔水層造成破壞，承壓水將迅速涌向工作面或巷道，對煤炭生產與人員造成不可挽回的損失[7，8]。帶壓開采下的底板承壓水突水預測對地下煤炭開采具有重要的意義。

我國礦井底板水防治理論研究不斷深化，底板突水的機理是一個需要不斷深入的研究課題[4]。由于礦井突水的控制因素較多，機制多變，對礦井突水的預測一直以來是一個難題[9]。礦井發生突水災害是一個逐漸變化的過程，從突水征兆和突水水源的識別預測礦井突水的危險[10]。但是這種預測方法工作量較大，在地質條件模糊的情況下局限性較大。為了能夠進一步準確預測突水危險，國內外學者綜合考慮礦井的地質賦存情況、煤層采動影響等因素，根據力學理論基礎推導，相繼提出了如突水系數法、底板“下三帶”理論和底板“四帶”突水理論等[11，12]，基于同位素的方法確定礦井突水水源[13]，采用GAPSO-RFR模型、分形-脆弱性指數法、GIS多元信息擬合法和神經網絡法等研究和預測底板突水危險性[14-17]。考慮到隔水巖層的物理力學性質及工作面開采帶來的影響，基于巖體平衡理論，推導出底板突水極限水壓的計算公式，與承壓水壓對比分析預測突水危險性[18]。為了解決在預測過程中存在的復雜性影響因素，針對單一客觀賦權評價中的缺陷，提出了一種基于客觀優化組合賦權模型的煤層底板突水預測評價[19]。

然而在以往的分析預測中多從地質賦存條件考慮，較少考慮到開采設計的不同而帶來的差異性[20]。在分析預測上孔煤業15#煤層底板突水過程中，系統全面的考慮帶壓開采中底板巖層破壞的影響因素，采用塑性理論計算法和經驗公式法確定底板破壞深度的變化規律，通過施工水文探查鉆孔，探查底板富水情況，根據巖石力學測試的底板巖層物理力學參數，分析底板巖層的穩定性，結合1501工作面開采設計條件，預測15#煤層底板突水的危險性，并提出針對性的防治措施。

1 工程背景

1.1 煤層賦存及開采條件

山西晉煤集團上孔煤業由五座礦井整合而成，井田程不規則多邊形，主要開采3#～15#煤層，礦井設計可采儲量2177t，生產規模0.6 Mt/a。15#煤層位于二水平，屬于近水平煤層，平均厚度1.84m，平均埋深200m，傾角為4°～8°，煤層內聚力Cm=1MPa，內摩擦角φ=20°，支承壓力系數n=4，全區可采。上覆巖層容重γ=26kN/m3，結構簡單，底板巖層為泥巖和鋁土泥巖，內摩擦角φ0=40°。1501工作面采用走向長壁一次采全高綜采采煤方法，回采工作面設計長度150m，采高1.84m，采掘比為1∶2。

1.2 地質構造分布特征

該井田位于太行山復式背斜西翼，沁水盆地東翼南段，晉獲褶斷帶的西側。井田內構造簡單，斷層不發育，構造主要表現為兩組平緩褶皺，井田中西部發育一組軸向近南北、向北傾伏的小型背、向斜，地層傾角2°～5°；井田東部發育一組軸向近東西向、向東傾伏的小型背、向斜，地層傾角2°～8°。井田構造屬簡單類型。

1.3 水文地質條件

15#煤底板標高在+380～+465m，底板主要含水層為碳酸鹽類巖溶裂隙含水層組，水位標高為+488～+493m，水壓0.5～1.2MPa。該含水層段巖溶裂隙發育，富水性強，全井田帶壓。灰巖含水層富水性極不均一，局部地段富水性較強，特別是在構造發育部位易形成較大的儲水空間和導水通道，且具備對承壓水的補給條件。

井田內隔水層主要由本溪組及太原組底部泥巖、鋁土質泥巖隔水層組和奧陶系中統峰峰組的泥灰巖隔水層組構成，探明總平均厚度約35m。

井田內地下水類型主要為承壓水，15#煤層的直接充水含水層為奧陶系灰巖裂隙水，由西北向東南徑流，在采動影響下，極易發生底板突水事故，對15#煤層的開采造成嚴重的威脅。

2 底板破壞深度分析

地下采礦工程活動中對圍巖影響較大，底板受到應力重新分布達到平衡，在完整巖體邊緣形成破碎帶[21]。煤層的賦存條件影響圍巖的原巖應力的分布，而工作面的開采影響是造成應力重新分布的重要原因，采用塑性區分布特征及經驗公式法分析底板破壞影響因素和最大破壞深度。

2.1 塑性理論計算法

工作面不斷向前推進的過程中，周圍的巖體處于不斷運移平衡的過程。暴露在外的工程巖體受到深部應力的復合作用，在超出其彈性范圍將會發生塑性變形形成塑性區，如圖1所示，煤壁在二維應力條件下，前方形成的超前支承壓力，使煤壁前方的底板受力相對較大，在煤壁下方的底板巖體形成一個與煤壁前方相連接的塑性區。同時在工作面底板和采空區底板形成相連接的弧形塑性區。在工作面的不斷向前推進的過程中，塑性區和彈性區的范圍不斷發生變化，彈性區與塑性區相接的巖層不同的應力環境中發生嚴重的破壞。由于受到超前支承壓力及采空區矸石對底板巖層的自重應力作用，工作面底板的巖體將會在兩邊擠壓應力的作用下發生膨脹[23]。“增壓-卸壓-恢復”隨著工作面推進重復出現，工作面下方的底板巖層發生最大程度的破壞。根據底板發生塑性破壞的特征，底板的塑性區邊界主要由三個分區組成：主動極限區(Ⅰ區)、過渡區(Ⅱ區)和被動極限區(Ⅲ區)。

xa—支承壓力峰值點與煤壁距離；φ0—底板巖層內摩擦角；n—支承壓力系數；m—煤層厚度；H—開采深度；γ—上覆巖層容重；h1—底板破壞深度圖1 極限狀態下底板塑性破壞

由式(1)可知，h1僅與xa和φ0有關。煤層開挖后超前支承壓力區煤層受力分布如圖2所示[23]。

圖2 超前支承壓力區煤層受力分布

超前支承壓力區在與煤壁前方一定范圍內，控制著底板塑性區的范圍，為了計算煤壁與超前支承壓力峰值點的水平距離，在煤層中取寬度為dx，高度為采高m的煤體微分單元體M，當煤層邊緣達到極限平衡條件時滿足Mohr-Coulomb準則，根據水平方向應力平衡，可得煤壁與超前支承壓力峰值點的距離xa：

將式(2)代入式(1)，可得出極限塑性區底板破壞深度的數學表達式[7]：

式中，φ和φ0分別為煤層和巖層內摩擦角，(°)；m為采高，m；γ為巖層容重，kN/m3；H為開采深度，m；Cm為煤層內聚力，MPa。根據1501工作面已知的煤層及底板巖層賦存條件、物理力學性質，將相關數據代入式(3)計算出15#煤層底板最大破壞深度hmax=10.0m。

2.2 經驗公式法

經驗公式法是根據全國礦井的實測資料獲得的，在地質資料匱乏的礦井采取該公式是比較具有借鑒意義[22]。1501工作面為15#煤層首采工作面，通過計算首采工作面的底板導水破壞深度作為15#煤層的判斷依據。

CP=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

(4)

式中，Cp為底板采動導水破壞帶深度，m；H為開采深度，200m；α為煤層傾角，取最大值8°；L為采區工作面斜長，取150m。計算時采取保守計算，將相關數據代入式(4)得，1501工作面底板最大破壞深度CP=14.9m。通過對比塑性區計算和經驗公式計算，確定1501工作面在開采過程中底板最大破壞深度為14.9m。

從式(3)和式(4)中可知，底板最大破壞深度僅與煤層及底板巖層的物理參數、煤層的地質賦存和開采條件有關，在工作面未開采時僅能依靠現有的地質資料進行計算，精確度不夠高。現場施工水文鉆孔和巖石物理力學參數測試，可以作為判斷底板巖層的隔水性的依據。

3 底板水文探查

3.1 施工鉆孔

根據現有煤層賦存條件，15#煤層賦存穩定，選擇首采區1501工作面為研究對象，施工點選于專用回風巷內，可以有效提高施工質量，使結果更加精確，鉆孔位于距1501工作面回風巷道與專用回風巷的交叉點80m處，水文探查鉆孔施工位置如圖3所示。

圖3 水文探查鉆孔施工位置

鉆孔力求揭露含水層段體積最大，使鉆孔與導水裂隙最大接觸，從而為探測1501工作面煤層底板隔水性能，提供第一手資料。由于底板隔水層平均厚度為35m，故設計鉆孔深度需大于該值，考慮到一定富余，鉆孔深度取38m，即終孔位置處于底板8m泥巖以下30m。鉆孔方向與專用回風巷方向垂直，鉆孔傾角41°，鉆孔長度58m。鉆孔詳細參數見表1。

表1 水文探查鉆孔參數

施工過程中采用水泥漿封孔時，耐壓應不小于2MPa，當遇到存在構造等因素影響可適當調整鉆孔結構，以保證施工結果的精確性。

3.2 施工結果

鉆孔垂深18m(石英砂巖)開始出現涌水，涌水量為5m3/h，經過20h放水后，涌水量為2m3/h。施工結束后最終穩定涌水量為2.5m3/h，水壓0.08MPa。

對比現有地質資料的巖層描述，此段地層富水性弱，不與富水巖層聯系，不具備直接誘發底板突水的條件。根據鉆孔涌水量發現在底板深處受水壓作用導水裂隙帶比較發育，但水壓和富水情況穩定，不具備與富水巖層聯系的條件。

通過對鉆取巖芯進行識別、分類與度量，地層由新到老的順序依次為鋁土質泥巖、砂巖、石英砂巖、砂質泥巖和灰巖。匯總繪制出工作面底板巖層柱狀如圖4所示。

圖4 1501工作面底板巖層柱狀

3.3 底板巖層物理力學參數測試

巖石物理力學參數是對巖層進行理論計算與分析的重要基礎，是對巖石進行分類的標準。為了探討底板巖層的阻水性能及承壓能力，根據水文探查鉆孔取得的巖芯進行分類，并加工成標準試樣。

試樣加工后要嚴格按照巖石力學試驗標準檢查試樣是否符合標準，然后對試樣的密度及飽和吸水率進行測試。在進行巖石力學實驗前，采用TUA2000A型超聲波無損檢測分析儀測量不同巖性試樣的縱波波速。然后采用RMT-150C型巖石力學伺服試驗機測試巖樣的抗拉及抗壓強度，并計算堅固性系數等力學參數，試驗結果見表2。

表2 巖石物理力學參數測試結果

通過對巖芯的巖石物理力學參數實驗結果分析，幾種巖石的物理力學參數差異較大。石英砂巖和砂巖的抗壓強度和彈性模量較高，屬于中等堅硬巖石類；泥巖和石灰巖的抗壓強度和彈性模量較低，堅固性系數在1.2～3.1之間，屬于軟巖類。綜合考慮巖石在水浸泡作用下的軟化作用和封閉條件下的強化作用，底板巖層屬于中等堅硬巖層，具有較好的承壓性能，且巖層通過少量的吸收水壓達到降低突水危險發生的目的。

4 突水系數的推演及突水預測

4.1 突水系數法

突水系數法是預測底板突水的經驗計算公式，表示單位隔水層需要承受的水壓。計算中僅考慮含水層的水壓和底板隔水層厚度，沒有明確的將工作面的設計及開采因素考慮在內，同時頂板通過待采煤層對底板形成的有效壓力造成的破壞也影響著底板隔水層的有效厚度。根據《煤礦防治水規定》有關要求，突水系數計算公式為：

T=P/M

(5)

式中，T為突水系數，MPa/m；P為隔水層承受的水壓力，MPa；M為底板有效隔水層厚度，m。計算出的突水系數越大表明單位隔水層厚度需要承受的水壓越大，突水危險性越大。

4.2 突水系數法的修正與推演

根據眾多學者的研究，將有效隔水層的厚度引入到突水系數法的計算公式中，底板有效隔水層厚度是指在采動影響和底板水壓共同作用下，能夠保持完整的底板巖層，阻止自由水向工程巷道中滲透。由于不同的巖層其巖性存在較大的差異，對水的響應特征也不相同，提出巖層厚度的折減系數，修正后的有效隔水層厚度為：

式中，Mi為各分層厚度，m；Ci為受采動影響破壞巖層的各分層厚度，m；hi為承壓水導升帶各分層厚度，m；di為不同巖層的折算系數。

由于突水系數法計算的局限性，計算結果偏向于保守，容易造成資源的浪費，因此基于突水系數經驗公式提出一種判斷方法，更加精確的預測突水危險性。

考慮到在無鉆孔施工的條件，根據現有的地質資料，設計合理的工作面尺寸預防突水危險的發生，根據P-M力學平衡方程[23]，將采動影響造成的底板破壞考慮在內，計算底板突水的臨界水壓值為：

式中，Pmax為煤層底板隔水層的臨界水壓值，MPa；kz為隔水層的抗拉強度，取1.5MPa；E為與突水位置相關的常數，計算時取1；Lx為工作面周期來壓時最大走向空頂距，取50m；Ly為工作面斜長，取150m；h為產生支承壓力的頂板巖層的厚度，取15m；M為隔水層厚度，取35m；γ1、γ2為頂、底板巖層的容重，取γ1=γ2=26kN/m3；ω為頂板壓力轉移到采空區的傳導系數，計算時取1；α為煤層傾角，取4°。

根據承壓水的極限水壓值，基于突水系數公式，提出修正后的理論最大突水系數公式，計算單位有效隔水層厚度的極限承載水壓的能力。

若通過現場施工計算的突水系數小于式(8)的數值，則表明在底板完整且無地質構造條件下無突水危險。

4.3 底板突水預測

根據15#煤層頂底板巖性、現場壓裂試驗和實測各類巖層的阻水能力的資料分析，不同巖層阻水系數見表3[24]。

表3 不同巖層阻水系數

通過查閱15#煤層的地質特征，已知導水破壞帶h1=15m，承壓水原始導高帶h3=5m。根據1501工作面探查鉆孔揭示的底板柱狀圖，直接底以下15m和與含水層以上5m，均為遭破壞層位。剩余的層位2.81m的砂巖、3.94m的石英砂巖和8.35m的砂質泥巖為未破壞的完整巖層，即為有效隔水層。

將相關數據代入式(6)和(7)得：

Me=15.02m

Pmax=1.30MPa

將計算結果代入式(8)，則：

在現有地質資料及以往其他煤層開采未發現受構造影響發生破壞的巖層，根據《煤礦防治水規定》附錄四中“底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06MPa/m，正常塊段不大于0.1MPa/m”的規定，該礦15#煤層在底板巖層無受構造破壞區段無突水危險，但是一旦受構造、巖溶等地質因素影響，巖溶含水層與奧灰含水層直接溝通，有效隔水層就會厚度大大減小，致使下伏奧灰水直接與采動破壞帶溝通，導致礦井發生突水災害。

為了能夠有效防止底板突水危險的發生，在現有地質資料的基礎上，利用提出的修正后的理論最大突水系數公式，根據《煤礦防治水規定》中對突水系數的規定，合理確定工作面的尺寸；在技術條件允許的情況下，以水文地質鉆探，抽水試驗等手段，設計詳細探查方案查明1501工作面不同位置底板地質特征。一旦出現構造、巖溶等情況，應及時采取措施，避免下伏奧灰水直接與采動破壞帶溝通。

隔水層厚度及阻水能力對抑制工作面底板突水有決定性作用，在鉆探揭示的隔水層薄弱部位，采取疏水降壓或注漿加固的方法，展開重點防治。對井下的排水設施要經常性維護，保障整個排水系統的暢通，隨著生產能力的不斷提升，根據礦井涌水量的變化情況，及時提高井下排水能力。

5 結 論

1)煤層底板最大破壞深度與煤層賦存條件、頂底板巖性及開采設計方案等因素有關。合理的設計開采方案可以有效降低底板的最大破壞深度和破壞范圍。對比塑性理論計算法和經驗公式法確定該礦1501工作面底板最大破壞深度為14.9m。

2)水文鉆孔探查15#煤層底板含水層涌水量穩定，水壓小，不具備直接誘發底板突水的條件；底板巖層物理力學參數測定表明，底板巖層屬于中等堅硬巖層，具有較好的承壓性能，能夠有效防止突水危險的發生。

3)在修正的突水系數公式基礎上提出極限突水系數公式判斷法，適用于確定合理的工作面尺寸，提高底板突水危險的精度。計算結果表明15#煤層在底板完整條件下無突水危險，在構造、巖溶水、及隔水層薄弱部位具有突水危險，建議減小工作面寬度，加強探放水工作及底板地質條件探查。