承压水体上开采Ts－q双因素安全评价方法研究

孙尚云

(淮北矿业股份有限责任公司，安徽 淮北 235000)

淮北矿区位于华北煤田东南缘，属华北型煤田，临涣、涡阳矿区位于该矿区南西块段。该区开采的二叠系下统山西组10 煤层受下伏太原组灰岩水突水威胁。随着淮北矿区浅部煤炭资源日益枯竭，矿井持续延深，10 煤层下伏太灰水水压不断攀升，高承压灰岩含水体上带压超限开采问题也日益凸显。采用传统的突水系数法预测评价深部煤层底板突水的危险性常偏于保守［1－4］，造成煤矿防治水工程量大，水害治理成本高，预测准确性低，传统的突水系数法已不能完全适应煤矿深部开采。

1 淮北临涣、涡阳矿区水文地质特征

临涣矿区位于临涣区童亭短轴背斜东西两翼，属于全隐伏型矿区，发育松散层孔隙含水层、煤系砂岩裂隙含水层、太原组灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层。区内松散层含四个含水层组成和三个隔水层组，其中厚0～56.62 m 的第四含水层直接覆盖在煤系地层之上，对煤矿浅部开采有一定影响;二叠系煤系砂岩含水层为矿井直接充水水源，由于砂岩裂隙发育不均一，一般富水性弱，以静储量为主，补给不足，对生产影响小。

太原组地层总厚131.81～144.01 m，岩性为石灰岩夹薄层碎屑岩、泥岩和薄煤层互层的海陆交替相沉积，共含灰岩9～15 层，灰岩总厚度49.70～66.68 m，占地层总厚的48%～60%。单位涌水量q=0.00035～0.389L/(s·m)。太灰距10 煤层底板的距离51.69～68.31 m。太灰水位－ 309～20.57 m，受10 煤层长期疏水降压开采影响，太灰水位已经较开采初期下降了约320 m，其中临涣、海孜、童亭、袁店一井等矿井在10 煤层开采区太灰水已疏干至基岩面以下，其中童亭陈楼块段太灰水位标高－380 m 左右，袁店一井102 采区太灰水位标高约－300 m，全区太灰水位南高北低，太灰水已形成由矿区南部集中向北部临涣、海孜、童亭三对矿井径流的趋势。

涡阳矿区为新开发矿区，位于丰县口孜集断裂、亳州断裂、板桥断裂和宿北断裂圈闭的孤立断块内，属全隐伏型矿区。区内同样发育松散层孔隙含水层、煤系砂岩裂隙含水层、太原组灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层。区内松散层第四含水层对浅部煤层开采有一定影响;二叠系煤系砂岩含水层为矿井直接充水水源，富水性弱～中等，对开采影响较小。

太原组灰岩厚约75 m，共有9～15 层，岩性主要为生物碎屑灰岩夹薄层细粒砂岩、粉砂岩和泥岩，灰岩累计厚度40 m 左右，q= 0.000138～0.0239 L/(s·m)，富水性弱。太灰距10 煤层厚7.63～58.98 m，厚度变化较大。太灰水水位原始标高为+20.41 m，现为－65.09～15.76 m，水位变化幅度较小，与该矿区太灰水尚未得到充分疏放有关。

生产补勘探资料显示，涡阳、临涣矿区太灰含水层q=0.00035～0.389 L/(s·m)，富水性弱～中等。受断裂构造切割影响，矿区内多数矿井太灰含水层处于相对封闭的水文地质单元，补给和径流条件差，水循环微弱。因矿井延深，太灰水压高。井上下抽(放)水试验资料显示，含水层富水性弱，水位(压)衰减快，有明显的“V”字型降落漏斗特征，疏降效果差。由此可见临涣、涡阳矿区10 煤层开采具有灰岩水压高，Ts超过安全临界值;太灰含水层富水性弱，工作面开采基本无水或涌水量很小，即具有“高承压弱富水”的水文地质特征。

2 传统突水系数法评价方法的缺陷

传统突水系数法采用工作面底板水压值P与隔水层厚度M的比值，评价工作面开采安全性，由国内大量灰岩水体上开采工作面突水资料统计分析得出全国范围内突水系数(Ts)经验临界值:0.06～0.1 MPa/m。该公式中的水压和底板隔水层厚度可通过地面及井下探查获得，计算较为方便。

但在工作面开采过程中，常出现工作面突水系数Ts超过0.1 MPa/m 甚至更高时，工作面实际出水量很小，甚至无水等情况。而在部分矿区有时又出现突水系数值未超过安全临界值，由于隔水层厚度小，仍发生突水现象。因此，传统的突水系数法评价工作面开采安全性时，未考虑含水层富水性有一定缺陷。

淮北临涣、涡阳矿区10 煤层灰岩水体上开采安全评价利用传统的突水系数方法评价开采安全性时，多数矿井工作面Ts超过0.06～0.1 MPa/m的安全临界值，处于超限带压开采状态具有突水危险性。但实际开采情况是，临涣、涡阳矿区在10 煤层开采历史上仅孙疃矿发生过1 次80 m3/h 的太灰中等突水。根据传统突水系数法，为消除10 煤层开采突水危险，临涣、涡阳矿区多数矿井存在安全治理设计无依据，盲目上工程，安全评价依据不充分和防治水工程量大等问题。

3 区深部太灰含水层富水性减弱原因分析

3.1 断裂构造切割控制及松散层第三隔水层阻隔所致

临涣、涡阳矿区受周边蔡山－南坪断层、丰涡断层、板桥断层、宿北断层等大断裂及区内中小型断裂构造切割控制，形成了一个个较为孤立封闭的断块，使其与外围失去了水力联系，造成太灰含水层补径排条件差。同时区内太灰含水层埋藏深，松散层第三隔水层直接覆盖于基岩之上，该隔水层厚度大，分布稳定，隔水性能良好，阻隔了上部含水层与其联系，区内部分区域虽发育有第四含水层，且直接覆于煤系地层之上，但“四含”厚度较小，分布不稳定，富水性弱，对太灰水的补给有限。

3.2 埋深对太灰含水层富水性影响

岩体渗透性与裂隙张开程度有关，岩体裂隙张开程度与所处的地应力场相关，研究结果显示地应力随着埋深的增加呈线性规律增加，因此岩体的渗透性和埋深之间存在对应关系。深部岩溶裂隙含水介质所处的应力场，随着埋深的增加，垂向和水平主应力都相应增加，地应力的增加减小了裂隙的张开度，裂隙的张开度减小导致岩溶发育的水动力环境变差，从而影响了岩溶裂隙含水介质的富水性，使深部岩溶裂隙含水层的富水性和过水能力减弱。

3.3 浅部煤层疏降开采影响

临涣矿区10 煤层开采采取疏水降压－限压开采的方法，通过长期的疏放开采临涣矿区部分矿井太灰水位已下降至－309 m，较开采初期下降了约320 m，有效降低了灰岩水压，改变了太灰含水层补径排条件，减弱了含水层富水性。

因此，临涣、涡阳矿区太灰含水层受断裂构造切割，孤立封闭，补径排条件差;太灰含水层埋深大，受深部水平地应力增加影响，裂隙率、渗透性逐渐减弱;以及浅部煤层的疏水降压开采和松散层第三隔水层的阻隔等综合作用，造成深部太灰含水层富水性减弱。

4 高承压弱富水灰岩水体上开采安全性评价方法

4.1 Ts-M 安全性评价方法

调查发现在煤层底板隔水层较厚的情况下，采用传统突水系数法计算的突水系数超过规定临界值，也未发生较大突水甚至没有突水;在局部煤层底板隔水层较薄时，突水系数即使低于临界值，仍发生了底板突水。因此仅用突水系数法评价灰岩水体上开采安全性，往往不能完全解决问题。

在传统突水系数基础上，通过统计分析肥城、焦作和淄博矿区［6］及淮北矿区的242 个突水点资料，包括含水层富水性、突水点水压、隔水层厚度、突水系数等资料，研究底板灰岩水突水危险性与突水系数、底板隔水层厚度之间的关系，提出突水系数与隔水层厚度关系法，即Ts－M法来评价灰岩含水体上开采的安全性，作为传统突水系数法的补充，为高承压弱富水含水层深部开采底板突水安全评价提供依据(见表1)。通过收集淮北矿区部分带压开采未突水工作面的资料(见表2)，利用上述资料，研究不同隔水层厚度下，底板突水的规律。

表1 淮北、肥城、焦作、淄博矿区突水点情况统计

表2 淮北矿区突水工作面调查统计

根据表1 统计情况分析，隔水层厚度M≤30 m时，Ts≤0.06 MPa/m 的突水点占突水点总数的51.7%，0.06 ＜Ts≤0.1MPa/m 的突水点占突水点总数的16.1%，Ts＞0.1 MPa/m 的突水点占突水点总数的7%;隔水层厚度30 ＜M≤60 m 时，Ts≤0.06 MPa/m 的突水点占突水点总数的7.43%，0.06 ＜Ts≤0.1 MPa/m 的突水点占突水点总数的15.7%、Ts ＞0.1 MPa/m 的突水点占突水点总数的2.1%。隔水层厚度M＜30m 的突水占突水点总数的74.79%，隔水层厚度30 ＜M≤60 m 的突水点占25.21%。

将上述数据统计成图，以隔水层厚度为横坐标，突水系数为纵坐标，分别绘制出图1 四矿区突水点Ts－M特征图和图2 淮北矿区带压开采未突水工作面Ts－M关系图。

然后将四矿区突水工作面与淮北矿区未突水工作面Ts－M的关系，投放在同一坐标图上，见图3，其中棱形点代表突水工作面，方形点代表未突水工作面。由图3 可见，以图中折线为分界，突水工作面多位于折线上方，未突水工作面位于折线下方。隔水层厚度大于80 m 的工作面，突水系数临界值可以达0.15 MPa/m 以上。由图2 得出突水系数与隔水层厚度的函数关系如图3所示。

4.2 Ts-q 安全性评价方法

矿井发生突水的必要条件是水源和通道，在底板充水含水层富水性很弱的情况下，此时的含水层可视为隔水层，由于没有充水水源，即使突水系数超过规定临界值，工作面往往不会发生突水甚至没有突水，因此引入反应充水含水层富水性的指标，钻孔单位涌水量q，通过统计分析肥城矿区、焦作矿区和淄博矿区的216 个突水点资料(见表3)，提出了突水系数与钻孔单位涌水量评价法，即Ts－q法来评价灰岩水体上开采安全性。

表3 肥城、焦作、淄博三矿区突水点所占比例统计表 (%)

综合三矿区216 个突水点资料，其中小突水点87 个;中等突水点114 个;大及特大突水点15 个。表3 数据显示，Ts＜(0.04MPa·m－1)时，各类突水点都较少，Ts＜(0.01 MPa·m－1)时，没有突水点;大中突水主要集中在q＞2(L·s－1·m－1)，占大中突水点总数的97.7%;小突水主要发生在0.1＜q＜2(L·s－1·m－1)，q＜0.1(L·s－1·m－1)时，突水点较少，只有小突水点，点总数的3.2%。

同样以q值为横坐标，以Ts值为纵坐标，得到三矿区突水点Ts－q特征图如图4所示。

图4(a)显示，小突水点主要分布在q＜2(L·s－1·m－1)的范围内，突水点大都位于Ts=0.00～0.25(MPa·m－1)的范围内，将纵坐标缩小到0～0.2(MPa·m－1)的范围，得到图4(b);将纵坐标缩小到0.0～0.1(MPa·m－1)的范围，横坐标分别放大到0～2、1.0～5.0 和0.00～0.10(L·s－1·m－1)之间，得到图4(c)、4(d)和图4(e)。

图4 显示:小突水点多位于直线q=2(L·s－1·m－1)左侧，从突水水量来看，横坐标越靠近0 点，突水水量越小;突水系数Ts＜0.04(MPa·m－1)时，小突水点较少;q＜0.1(L·s－1·m－1)时，突水点较少;q＜0.06(L·s－1·m－1)时，无突水点;Ts＜0.04(MPa·m－1)，而q＞2(L·s－1·m－1)时，中等突水点增多;Ts＜0.01(MPa·m－1)时，突水点很少。

通过以上图解，可得出一条折线，折线与纵、横坐标轴之间区域的突水点突水量＜60(m3·h－1)，考虑一定的安全系数，适当缩小折线与坐标轴之间的范围，得到折线A，折线A 与纵、横坐标轴之间的区域作为底板突水安全性评价的相对安全区域如图5所示。

由此得到灰岩水体上开采安全性评价新方法:Ts－q法如图6所示，其横坐标为含水层富水性指标q，纵坐标为突水系数Ts。实际应用时，计算工作面的突水系数，再根据灰岩含水层富水性指标q，填绘在Ts－q安全性评价法示意图上，得到对应的一点，当此点位于折线A 与坐标轴之间时，即认为工作面无突水危险，当工作面位于图中空白区时，则具有突水危险，并随着q值或Ts值增大，即距离折线A 距离愈大则突水危险性愈高。

5 结论

1)淮北临涣、涡阳矿区构造格局，松散层含隔水层结构，太灰含水层埋藏条件和10 煤层开采方法是临涣、涡阳矿区太灰含水层形成典型高承压弱富水水文地质特征的主要因素。

2)高承压弱富水灰岩含水层具有水压高，工作面开采突水系数超过安全临界值;富水性弱，抽放水试验，抽(放)水量较小，水位降深大，疏降漏斗呈V 字形等水文地质特征。

3)使用突水系数－隔水层厚度法(Ts－M法)结合突水系数－单位涌水量法(Ts－q法)，评价灰岩水体上开采安全性，解决了煤矿深部开采高承压、弱富水灰岩含水体上开采传统的突水系数价法评价水害治理工程依据不充分及防治水工程量大等问题。该评价方法在淮北矿区已得到广泛的推广应用，并取得了较好的经济和安全效益。

［1］国家安全产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定［M］.北京:煤炭工业出版社，2009:108－109.

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［6］葛亮涛，叶贵钧，高洪烈.中国煤田水文地质学［M］.北京:煤炭工业出版社，2001:328－367.