突水系数法评价煤层底板带压开采的局限性

聂伟涛

（西山煤电（集团）有限责任公司义城煤业，山西 太原 030053）

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突水系数法评价煤层底板带压开采的局限性

聂伟涛

（西山煤电（集团）有限责任公司义城煤业，山西 太原 030053）

从突水系数法的提出背景以及影响突水系数的岩性、地质构造与水压等方面，分析了突水系数法在评价煤层底板带压开采时，存在的局限性。在未详细研究底板突水类型和未对底板突水类型进行分类的前提下，提出的突水系数计算公式不具有分类指导意义，突水系数并不能准确评价煤层底板突水安全性。

突水系数法；带压开采；评价；局限性

突水系数是评价底板突水的最常用方法，其概念明确，取值方便，且具有一定的统计精度，故广泛被人们用于评价底板突水；但在实际生产过程中突水系数法并不准确，有时计算的突水系数大于临界值时不突水，而小于临界值时出现突水，这反映出突水系数和突水系数法存在一定的局限性。

1 突水系数的提出

20世纪60年代，针对当时华北石炭二叠系煤田底板突水频繁，为了评价底板突水的需要，提出了突水系数的概念。突水系数是指煤层底板隔水层所承受的水压与底板隔水层厚度的比值。其表达式为：

式中：

T—突水系数，又称水压比，kg／cm2·m；

P—作用于巷道底板的水压，kg／cm2；

M—底板隔水层厚度，m。

由于突水系数只在概念上解释了底板突水与水压和隔水层厚度的关系，即水压愈大，隔水层愈薄，愈易突水；反之水压愈小，隔水层愈厚，愈不易突水。在某种程度上突水系数评价法并未解释突水系数与水压和隔水层厚度存在的数值关系。所以，突水系数法是定性的。

为了把突水系数推向实际应用，经统计发现，已知突水点的突水系数均大于0．60～1．5 kg／cm2，于是将该数值定义为临界突水系数。当时，全国只有峰峰、焦作、淄博、井陉4个矿区发生过较多的底板突水事件，统计的临界突水系数值是一个范围（表1）。

表1 部分矿区总结出的突水系数临界值

2 影响因素分析

2．1 隔水层岩性对突水系数的影响

用突水系数评价底板突水，只考虑隔水层的厚度是不够的，还应该考虑隔水层的岩性组合和不同岩层的抗渗透性和抗破坏强度。因此，先后提出了质量等值系数和强度等值系数的概念和评价隔水层的方法。

1）质量等值系数。受匈牙利相对隔水层厚度的启发，引进了匈牙利多洛格煤炭公司质量等值系数的概念。即：

式中：

M0—标准岩石（如泥岩）单位厚度的隔水—阻水作用值；

Mi—与标准岩石质量不同的岩石单位厚度的隔水—阻水作用值；

δi—某岩石对标准岩石的质量等值系数。

根据质量等值系数，可以将各种岩层的厚度换算为相当于泥岩的厚度，其关系式为：

2）强度比值系数。煤科总院西安分院根据现场压水试验资料提出了某些岩石的强度比值系数（见表2），并提出了等效隔水层的概念。

式中：

M0—等效隔水层厚度，m；

M—底板隔水层实际厚度，m；

δi—不同岩层岩石强度比值系数（见表2）。

表2 某些岩石的强度比值系数表

随着矿压理论被引入底板突水研究，人们发现强度大的岩层有利于阻抗矿压破坏，而塑性强的软岩则有利于阻抗承压水的渗入。于是设想软硬相间岩层最有利于御防底鼓突水。然而，迄今为止无人对隔水底板岩层的强度和阻抗水能力在底鼓突水中所起的作用及其各自所占的比例关系作出明确分析。

2．2 断层对突水系数的影响

实际资料表明，底板突水80%以上与断层有关，但断层在底板突水中所起作用不明。因此，在计算突水系数时，难以对断层进行考虑。

断层在底板突水（尤其是奥灰突水）中的作用主要是集中导水通道的作用，断层不能看作是完整隔水底板的一部分。因此，在采用突水系数法评价底鼓突水时不能将工作面内的断层、陷落柱等作为完整隔水底板来对待。

2．3 水压对突水系数的影响

尽管工作面某点的水压是一个确定值，不存在随机的影响。但在水文地质工作中，底板承受的水压是由底板含水层静止水位编制的等水位线图，再由图上某点水位减去含水层顶面标高确定的。由于等水位线图的精度受其比例尺大小所控制，加上灰岩含水层岩溶发育的不均一性，由等水位线图读取水位值计算水压常常不可靠，而具有一定随机性。

2．4 矿压对充水系数的影响

自山东科技大学提出矿压对底板破坏所起的作用后，愈来愈多的人认为底板充水是水压和矿压共同作用的结果。由于煤层底板隔水层上部受到矿压的破坏，下部受水压破坏，从而使有效隔水层厚度减小，导致底板突水。

在此过程中，突水系数的表达式大体上经历了如下的演化过程：

式中：

CP—矿压对底板的破坏深度，m；

m0—承压水原始导高，m。

在突水系数表达式演变的过程中，临界突水系数值始终没有变化。

3 突水系数法存在主要缺陷

“突水系数”表达式，只是一个概念性的公式，表达式的提出，未经数理统计或建立经验方程的方法和过程，只是某种概念上的推理，因而使之缺乏数学上的含义。且单一的公式化无法应对相对复杂的地质条件。

从数理统计角度看，在底板突水类型未研究清楚和未对底板突水类型进行分类的前提下，提出的计算公式很难具有分类指导意义。由于一个包括多种类型的样本组成的总体，不同类型的样本对于总体来说就很难具有代表性、真实性、统一性和独立性，而是相互干扰、相互混淆，统计出来的结果其概率精度必然会很低，这是突水系数法存在缺陷的根本原因。

4 结 论

“突水系数”表达式，只是一个概念性的公式，表达式的提出，未经数理统计或建立经验方程的方法和过程，只是某种概念上的推理，因而使之缺乏数学上的含义，且单一的公式化无法应对相对复杂的地质条件。特别是受岩性、地质构造以及水压取值的影响，突水系数法在实际应用上具有局限性，突水系数并不能准确评价煤层底板突水安全性。

［1］ 田 干．突水系数计算公式的演变与实验研究［J］．煤炭工程，2010（5）：99-102．

［2］ 邓 华，修 涛．煤矿底板突水因素分析及防治［J］．山东煤炭科技，2011（4）：221-222．

［3］ 贺志宏．地下水突水系数地安全开采评价中的缺陷［J］．地下水，2012（3）：35-36．

［4］ 管恩太．突水系数的产生及修正过程［J］．中国煤炭地质，2012（2）：30-32．

［5］ 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局．煤矿防治水规定［M］．北京：煤炭业出版社，2009：21-22．

Limitations of Water Inrush Coefficient Method on Evaluating Mining under Safe Waterpressure of Aquifer in Coal Seam Floor

Nie Wei-tao

Through studying the background of water bursting coefficient method and the following three influential factors，lithology，geological structure and water pressure，analyzed the limitation of the water bursting coefficient method on evaluating mining under safe waterpressure of aquifer in coal seam floor．When the floor water inrush types have not been studied carefully and classified，the formulas of calculating water inrush coefficient have no classification guidance significance，the water bursting coefficient method can not provide correct safety evaluation of mining above the confined aquifer．

Water bursting coeficient method；Mining under safe waterpressure of aquifer；Evaluation；Limitation

TD745

B

1672-0652（2013）10-0067-03

2013-07-22

聂伟涛（1966—），男，河北唐县人，1990年毕业于山西矿业学院，工程师，主要从事矿井地质工作，（E-mail）351005352＠qq．com