长平煤矿底板奥灰水突水危险性量化评价

何宝林,高盛翔，李 帅

（徐州中国矿大岩土工程新技术发展有限公司，江苏徐州221008）

长平煤矿底板奥灰水突水危险性量化评价

何宝林*,高盛翔，李 帅

（徐州中国矿大岩土工程新技术发展有限公司，江苏徐州221008）

煤矿底板突水是矿井生产中的不安全因素之一，在突水危险评价中，关键是如何合理地选择底板突水影响因素，合理地采集评价数据，合理地采取量化分析方法，通过对长平矿井已有的勘探资料整理分析，分析了8号煤层底板奥灰水突水的5个影响因素，选取了2个主要的影响因素，在综合分析的基础上，将量化后的结果以图形的形式显示，建立各主要影响因素专题图，合理地提出了带压开采的防治水思路。

灰岩承压水；带压开采；突水影响因素；突水系数

煤矿带压开采存在一定的安全隐患，当承压含水层与开采煤层能够承受的水头值大于实际水头值时，开采后，隔水层不容易被破坏，煤层底板水突然涌出的可能性小，可以进行带压开采[2]。长平矿开采8号煤层时，底板奥灰水作为突水水源，为主要的突水的威胁对象，具有富水性的横向和纵向上的不均一性，水压局部高达4.0MPa，显然，矿井采掘生产中将受到奥灰水的威胁。因此对突水水源分析、突水通道的判别、突水量的动态预测是做好带压开采防治水方案的关键点，本文从奥灰水突水影响因素的数据采集、分析量化几个方面来分析研究带压开采的危险性大小综合分区，为避免防治水工作的盲目性，减少不必要的浪费。

1 突水影响因素

1.1 奥灰水水压、富水性及岩溶发育程度

位于底板下部的承压含水层，其水压力大小及岩溶发育程度取决于底板是否发生突水，而其富水性决定突水后水害的规模及对矿井的威胁程度大小[1]，目前矿区范围内及周边的奥灰水水位长观孔共有12个，其中长平1、2号水源井、釜山1、2号水源井、海则2、泮沟3、安家1共7个长观孔位于矿区范围以内，W2、W4、W5、W6、W7共5个长观孔位于矿区范围外北侧区域，通过近期对水位的监测，对比矿方提供的原有水位和奥灰水等水位线图可知，奥灰水水位变化较大，水流方向发生了一定的偏转，现奥灰水水位标高在620.0～661.27m。

矿区内奥灰水富水性在纵向和横向是表现为不均一性，富水性强度为弱—中等，局部为强富水性。资料分析认为，其底板奥陶系灰岩为厚层状的石灰岩、白云质石灰岩、角砾状石灰岩及泥质白云岩组成，隐晶至细晶结构，块状构造，摩氏硬度在3～4。由于断裂构造欠发育，埋藏深度较大，地表水体与大气降水影响微弱，对岩溶裂隙的形成与扩展起到了一定的抑制用用，因此，矿区总体岩溶发育程度为弱发育。

1.2 煤层底板隔水层厚度及岩层岩性组合特征

隔水层厚度、岩性及其组合对底板突水有制约作用。根据长平矿已有的勘探资料，插值生成3号煤保护层与底板各含水层间隔水层厚度等值线，如图1所示。

图1 煤层底板—奥灰隔水层厚度等值线图

1.3 地质构造

地质构造尤其是断层是造成煤层底板突水的主要原因之一，矿区内共发现断层53条，落差10m以上断层11条，断层不发育。相邻矿井曾发生过陷落柱突水的水害，矿区范围共发育岩溶陷落柱119个，多为地震揭露陷落柱。矿区陷落柱密度为2.4个/km2。陷落柱范围最大者长轴达400m，短轴近140m，最小者直径仅20m左右。矿区范围陷落柱比较发育。大量资料表明，80%的突水均是发生在断裂构造地带。

1.4 工作面开采空间及开采方法

采矿活动对突水起到了触发的作用，是底板突水的诱导因素，是造成突水的力源之一，它对底板的破坏主要有离层导致层间破坏，采空区周边反向力导致剪切破坏，水平拉力导致垂向破坏等。工作面开采空间越大，造成的破坏越大，可能的突水性越大，开采方式影响突水的因素，房柱式开采或条带式开采造成突水的可能性下降，其它方式如全部跨落法形成的矿压相对较大，开采造成突水的可能性较大，综合机械化采煤要比炮采工艺形成的矿压相对稳定。本矿区采用的开采方式为直接放顶式开采，工作面开采空间大，对突水防治不利。

1.5 地应力

断裂破碎带容易突水的原因是岩体破碎且地应力值降低以及带中充填物易受承压水的掏空和侵蚀造成的。岩石的组成成分及胶结物与其破裂压力密切相关。压力水对岩石不仅具有力学作用,而且具有软化溶蚀作[1]。

2 煤层底板承压水突水危险性量化评价

2.1 评价方法

对煤层底板承压水突水危险性量化评价方法，目前主要有脆弱指数法、五图—双系数法、突水系数法等量化评价方法，或同时采用2种或以上进行分析对比评价，最后进行综合分区评价，《煤矿防治水规定》中第七十七条中明确了突水系数法的计算方法，这是基本的量化评价方法，同时第七十九条明确，有条件的矿井可以采用脆弱指数法、五图—双系数法等方法，对底板突水危险性进行综合分区评价。本文采用突水系数法对底板奥灰水进行量化评价。

2.2 煤层底板承压水突水危险性量化评价

煤层底板突水危险性的研究需要先圈定煤层带压开采的范围。若煤层不带压开采，即使是含水层富水性极强，理论上煤层在开采过程中也不会发生底板突水。但是对于突水系数小于临界值的区域，若存在构造，特别是对应含水层富水性比较好的区域仍有突水的可能。

在带压条件下，利用突水系数法分析隔水层所承受的水压和隔水层厚度2个主要影响因素，对长平煤矿8号煤底板奥灰突水危险性进行了评价分析。

2.3 煤层带压开采区与非带压开采区的确定与分析

通过煤层底板标高与奥灰水位标高对比来确定。

通过比对奥灰水水压等值线与8号煤层底板等高线可知，矿区范围内8煤底板标高在260～650m之间，东部浅西部深；奥灰水水位标高在625～655m之间，水位东部高西部浅，矿区范围仅东北侧部分区域8号煤底板等高线低于奥灰水水位线，即非带压区，其余区域均为奥灰水带压开采区。8号煤底板奥灰水带压开采分区如图2所示。

图2 8号煤层奥灰水带压开采分区

如图2可知，矿区范围西侧大部分区域处于奥灰水带压开采区，对于带压开采区，8号煤层开采存在突水的可能性。

2.4 煤层底板突水的评价与分析

突水系数法其数学表达式如下：

式中：T——突水系数，MPa/m；

P——底板隔水层承受的水压，MPa；

M——底板隔水层厚度，m。

根据经往的研究成果，对突水系数进行了修正，提出了以下突水系数公式：

式中：Ts——突水系数，MPa/m；

P——含水层承压水作用在开采煤层底板隔水层上的水压，MPa；

M——隔水层厚度，m；

Ci——采动破坏深度，m；

d——含水层承压水原始导升高度，m。

根据公式（2）可知，采动破坏深度与含水层承压水原始导升高度为隔水层内的导水段，不应计入隔水层厚度内，因此将Ci与d从隔水层厚度内减去。

对选定的各钻孔点8号煤层层底板至奥灰顶界面直接隔水层厚度，以及隔水层底板承受的奥灰水压进行统计分析，得出各钻孔点突水系数值。本文统计了33个点，并对突水系数进行了计算，绘制了突水系数分区图。

煤层底板突水的安全区的条件为：底板受构造破坏块段突水系数值不大于0.06MPa/m，正常块段不大于0.1MPa/m。根据长平煤矿的勘探资料可知，长平矿区地层总体走向北北东至近东西向，倾向北西西，倾角5°～12°。小型褶皱较发育，断裂构造相对简单，主体走向主要为北东至近东西向，从褶皱与断裂构造的组合关系分析，断裂构造结构面力学性质以压性或压扭性为主。依据物探测试，断裂构造与陷落柱，除柳村断层西端有富水异常现象外，其它断层与陷落柱均未发现有富水现象存在，尽管在揭露陷落柱时有少量水涌出，但依据各因素综合分析，断层与陷落柱构不成对矿井充水的主要通道。

将长平矿区8号煤层开采时奥灰临界突水系数定为0.10MPa/m，即可以认为煤层底板隔水层完整，奥灰突水系数在0.10MPa/m以下的区域为安全区，正常情况下实施带压开采不会导致突水，突水系数大于0.10MPa/m的区域为危险区，带压开采有可能发生突水。8煤层开采时奥灰含水层突水系数分区如图3所示。

图3 8号煤层底板奥陶系灰岩水突水系数分区图

2.5 号煤保护层带压开采综合评价

长平矿区奥灰水位仅在矿区东北侧高于3号煤保护层底板标高，使其处于非带压开采区，其余区域均为带压开采区。

3 结论与建议

3.1 结论

（1）长平矿区奥灰水位仅在矿区东北侧高于3号煤保护层底板标高，使其处于非带压开采区，其余区域均为带压开采区。

（2）依据隔水层厚度、岩性组合特征和水压值，计算了回采工作面底板突水系数，将8号煤层开采奥灰临界突水系数定为0.10MPa/m，突水系数大于0.10MPa/m的区域为危险区，带压开采有可能发生突水危险性大；突水系数大于0.06MPa/m且小于0.10MPa/m的区域为危险性中等区，带压开采有可能发生突水危险性中等；突水系数小于0.06MPa/m的区域为危险性小区，带压开采有可能发生突水危险性小。

（3）8号煤层开采时的防治水思路是：实施带压开采，奥灰水防治采取疏降、注浆加固或保留防水煤柱相结合的方法。

3.2 建议

（1）峰峰组、马家沟组地层含水性不均一，单位涌水量为0.0007～1.3917L/（s·m），渗透系数为0.0103～0.2816m/d，建议对该层作压水试验的渗透率，按《矿区水文地质工程地质勘探规范》中“一般将钻孔单位涌水量小于0.001L/（s·m）岩层视为隔水层”的标准，对含水层的含水性做进一步细化，特别对峰峰组地层划分出弱富水层、相对隔水层和隔水层，这样，在突水系数计算时能更进一步的细化；

（2）灰岩地下水富水性由于横向上存在显著的不均衡性，即便预测的非突水危险区，在带压采掘生产时，亦应加强对煤层底板灰岩岩溶裂隙承压水的防治。

[1] 李家祥，李大普，等.原始地应力与煤层底板突水的关系[J].岩石力学与工程学报，1999，18（4）：419-423.

[2]国家安全生产管理局，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.

[3] 武强，张志龙，马积福.煤层底板突水评价的新型实用方法1——主控体系的建设[J].煤炭学报，2007，32（1）：45-46.

[4]山西长平煤业有限公司，徐州中国矿大岩土工程新技校术发展有限公司.长平矿井8号煤层开采水害影响评价及防治报告[R].2014.

[5]于喜东.地质构造与煤层底板隔水层阻水能力的关系[J].煤田地质与勘探，2000，28（4）：48-49.

TD74

A

1004-5716（2015）09-0133-03

2014-09-05

2014-09-09

何宝林（1968-），男（汉族），陕西宝鸡人，高级工程师，现从事水文地质及地质灾害防治等方面工作。