地下水突水系数在安全开采评价中的应用缺陷

2012-09-18贺志宏

地下水 2012年2期

贺志宏

(山西汾西矿业集团有限责任公司，山西介休032000)

我国煤炭资源丰富，是能源组成的重要部分，然而我国也是世界上煤矿水害最严重的国家之一，据统计有60%的煤矿不同程度地受到底板岩溶承压水的威胁，仅华北地区受其危害的矿井就有230多个，造成40%左右的煤炭不能正常开采。采煤工作面或巷道底板隔水层之下岩溶承压水突水事故占我国煤矿总突水事故的30%以上。

中国煤田经过近一个世纪的开采，底板水害日趋严重，如何将这些煤炭从承压水威胁中解放出来，实现安全、高效生产，一直是中国煤矿水害防治技术研究的重要课题。

煤层底板突水影响因素很多，但主要是含水层的富水性、水压力以及隔水岩层等。含水层的富水性是发生底板突水的内在因素，它决定着突水水量的大小及突水量的动态特征，水压力的存在是驱动含水层水流入矿坑的动力，而底板破坏所形成的破裂是地下水得以流动的通路和咽喉，只有当三者同时存在并达到某种特殊组合时，才能发生底板突水。长期以来，研究矿压、水压及隔水岩层阻水能力之间的相互关系成为研究采煤工作面底板是否突水的核心问题。突水系数概念的提出是这一研究成果的典型代表。但从突水系数研究的过程可以看出，突水系数的计算公式还存在一定的问题。

1 突水系数在煤层带压开采中的演变

对煤层底板水害的研究历史可直接反映于突水系数理论的发展变化过程，关于突水系数值的计算方法经历了多次变化和修正。

60年代，最早提出的突水系数就是作用于底板隔水层的水压与底板隔水层厚度之比值。其表达式可简单地写为:

式中:Ts为突水系数(MPa/m);P为作用于隔水层底板的水压力(MPa);M为底板隔水岩层厚度(m)。

这一公式显然过于简单，未能考虑采矿等诸多因素的影响。在此基础上，通过对全国部分矿区突水实际资料的分析和底板隔水层压水试验，对计算公式进行了修正:

式中:CP为采矿造成的导水裂隙带厚度(m)。

其它参数同上。

后来，又提出了下三带理论，将煤层底板划分为矿压破坏带、完整隔水带及原始导高带。

对突水系数公式进一步进行修正:

式中:MⅠ为矿压破坏带厚度(m);MⅡ为有效隔水层厚度(m);MⅢ为原始导升带厚度(m)。

其它参数同上。

式(3)较式(1)相比，充分考虑了矿压及水压对底板隔水层的破坏和影响，应该说更加符合实际情况，但该公式中仍未考虑底板隔水层是由不同性质的岩层复合而成，且不同岩石有着完全不同的力学性质和抗水压能力。因此，不能单纯以岩层的实际厚度来计算突水系数，而应根据岩石本身的力学强度和隔水性能对实际厚度进行计算，得出一个假定岩体强度和隔水性能均一的等效隔水层厚度(Me)。为此，就提出了等效隔水层厚度的计算公式:

式中:M为底板隔水层的实际量测厚度(m);Me为底板隔水层的等效厚度(m);ξ为底板隔水层的强度比值系数;Mi为底板隔水层中某一性质岩石的厚度百分底板隔水层中i层岩石的强度比值系数。

不难看出，确定有效隔水层厚度的关键在于如何确定不同性质岩层的强度比值系数，对于这一问题目前还缺乏系统的理论与实验研究，王梦玉教授曾根据邯郸地区的现场压水试验资料获得了下表1所列的强度比值系数。

在获得了等效隔水层厚度后，并考虑矿压和原始水压的因素所得到新的突水系数的计算公式如下:

式(5)对底板隔水层的分带性、分层性及其岩性特征都有所考虑，应该说比前述的几种突水系数计算方法有了很大的改进。

但从突水系数计算公式的演变过程来看，不难看出，其主要研究工作都集中于对底板隔水层本身结构和力学性质上，而对作用在煤层底板隔水层上的水压力的研究没有涉及。在计算中我们利用的水压值为煤层隔水层底板含水层水压力，而实际的水压值应为含水层水流在导升带中劈裂导升后的水压值，即为残余水压(如图1)。

图1 底板隔水层不同位置水压力分布示意图

由此可见，考虑多种因素的底板隔水层突水系数的计算公式应为:

式中:PC为为原始水压导升带上驻点的残余水头压力;P0为煤层底板含水层原始水压(MPa);η为含水层水流在隔水层导升带中递升过程中的水头损耗率;K为隔水层渗透系数(m/d)。

其它参数同上。

公式(7)与以上其它计算公式相比，突水系数计算公式有了更进一步的改进，更能客观、全面地反映煤层开采实际条件。它不仅考虑了煤层底板的分带以及底板岩性组合，而且还考虑了煤层底板的残余水压问题，使公式更反映条件真实性，更具有实用性。对重新定义受水威胁煤炭资源的概念以及深部煤炭安全开采预测预报具有重要意义。

2 突水系数在煤层带压开采应用中存在主要缺陷

多年来，由于突水系数计算简单，易于分析，被大家一直广泛应用于矿井煤层带压开采的安全分区评价中，对煤矿安全开采起到了至关重要的指导作用。但从突水系数计算公式演变过程可以看出，突水系数的应用还存在诸多问题。

在2009年12月1日《煤矿防治水规定》颁布实施之前，大家广泛应用的突水系数计算公式一般为公式(3)，而且很长一段时间被业内认可。该公式计算中考虑了煤层底板采动破坏深度及底板隔水层的原始导升高度，与原始公式(1)相比有较大的改进。但根据突水系数安全分区临界值为一统计值，只与最初原始公式计算结果具有一定的对应关系，而与公式(3)无对应关系。鉴于以上情况，在《煤矿防治水规定》中将突水系数计算公式修改为公式(1)。

而从突水系数计算公式演变过程来看，利用公式(1)计算突水系数计算及应用存在诸多缺陷:

(1)计算公式中未考虑煤层底板隔水层实际存在的采动扰动破坏深度及原始倒升高度，增大了隔水层厚度，与生产实际不符，缺乏一定的真实性;

(2)计算公式中只考虑了煤层底板隔水层的厚度，而对隔水层自身的特性(如强度、渗透性、阻水性等)未加考虑，不论隔水层的强度大小如何、渗透性及阻水性强弱，只要煤层底板隔水层厚度相等，底板受水压力一样，则突水系数值也就一样，缺乏一定的科学性;

(3)根据实验研究，煤层底板隔水层存在原始导升高度时，含水层水流在隔水层导升过程中存在一定的压力损耗(如图2)，而实际作用在煤层底板隔水层上的水压力为含水层水导升后的残余水压力Pc，而不是P0。