基于五图双系数法的煤层底板突水危险性研究

段晓平

(华北科技学院,北京 东燕郊 101601)

基于五图双系数法的煤层底板突水危险性研究

段晓平

(华北科技学院,北京 东燕郊 101601)

为了更准确地评价底板突水危险性，应用五图双系数法对煤层底板突水危险性进行风险评估。以某矿主采煤层作为研究对象，首先收集煤矿基础数据并对其进行标准化，通过sufer软件，建立影响各底板突水指标的等值线图，最后通过各个因素的等值线图，将量化的数据按权重进行叠加，得到底板突水风险带压评价图。在图中可以直接读出矿井底板突水的安全区、威胁区以及危险区。通过对五图结果的综合分析，判断出研究区中心区域最高危险等级为3级威胁区，结合该区域存在断层和水头较高的实际情况，证明了五图双系数法预测的准确性。

煤矿；底板；突水；五图双系数法；sufer软件

0 前言

我国煤田开采遇到地下水灾害一直是不可忽略的隐患。随着深部开采的进行，开采强度不断加大，带压开采成为防治水的主要问题。煤层底板水作为一种主要的煤矿水害，有效预防形式越来越严峻。90年代以来，国内学者采用了很多方法对底板突水进行了预测和评价，如地理信息系统法，脆弱性指数法[1]、神经网络、层次分析法、模糊理论分析法、专家评分法、变异系数法[2]、五图双系数法[3]等。

五图双系数法，是指由武强院士提出的评价煤层底板水害的一种方法。五图是指底板保护层破坏深度等值线图、底板保护层厚度等值线图、煤层底板以上水头等值线图、有效保护层厚度等值线图、带压开采评价图。双系数是指带压系数和突水系数[4]。易伟欣考虑矿山压力、断层等因素，对突水系数法进行修正，应用五图双系数法对大平煤矿底板突水性评价，得出准确的预测结果[3]。杨海斌通过五图双系数法计算了四老沟煤矿的底板岩溶水突水性[5]。现阶段文章对五图双系数具体过程叙述都比较笼统，本文通过详细的步骤，基于sufer软件，应用五图——双系数法对某煤层底板突水性进行预测。

1 研究区简介

以某矿某煤层为例，应用五图双系数法对煤层底板突水性进行评估。矿区地处宣化盆地的东南部，为冲、洪积形成的带状山间河谷盆地，地貌形态为低中山地貌。

图1 五图——双系数流程图

地面标高590～610 m，该线之东为中低山地貌形态，标高一般620～740 m，蟒头山最高点标高为862.40 m；在中低山与山前倾斜平原交界处，北西向冲沟十分发育,煤层底板直接充水含水层为侏罗系中、下统下花园组下段砂岩含水层。全井田都有分布，厚度大约60～140 m左右，岩性以灰色粉砂岩，中细粒砂岩为主，夹粗砂岩及砂砾岩互层，裂隙不发育，其中细粒级以上砂岩及砂砾漏水，为富水性很弱的含水层。

图2 钻孔分布图

煤层的直接充水含水层为煤系地层本身砂岩含水层和煤系直接盖层-九龙山组一段砂砾岩含水层，这两个直接充水含水层富水性弱，单位涌水量小于0.1 L/(s·m)，属弱富水性含水层。由于开采时形成的导水裂缝，可能沟通上覆其它含水层，使其成为煤层开采的间接充水含水层。煤矿井田内本煤层底板标高在-360～+6 m之间。据补水1～补水5孔基底灰岩抽水试验资料，基底灰岩含水层水位标高为598.307～666.571 m，井田内该煤层全区带压，隔水层底板承受水压高达10 MPa左右。带压开采所涉及的问题较复杂，影响因素也较多，本次采用五图双系数法进行底板突水性评估。

2 五图双系数法

2.1 参数计算

底板破坏带深度根据段水云[6]提出的经验公式计算，即：

h1=7.9291ln(L /24)+0.0091H

+0.0448α-0.3113f

(1)

式中：h1—为底板破坏带深度，m；

L—为工作面的倾斜长度，m；

H—为煤层开采深度，m；

f—为底板岩层的坚固系数；

α—为煤层倾角，这里换算为弧度制。

对于本次测定的煤层来说，公式中 L，α，f，H 都可以从回采地质说明书中找到参数。依次带入即可计算出底板破坏带深度[6]。

表1 岩层等效隔水系数及抗压强度换算

带压系数表示每米岩层可以阻抗多大水压的指标。通过底板隔水层试验抗压强度与厚度的乘积计算得出煤层底板总体抗压强度，再减去实际承受的水压，即为带压系数[7]。当带压系数大于零(总体抗压强度大于实际承受水压时)，此处为安全区；相反，为危险区。计算公式如下：

TS=∑γiMi-p

(2)

式中：Ts——带压系数，MPa；

P——隔水层承受的水压，MPa/m；

γ——岩石实验抗压强度，MPa/m；

M——底板各岩层厚度， m；

突水系数是煤层底板单位隔水层厚度所承受的水压力，它是带压开采条件下衡量煤层底板突水危险程度的定量指标，是底板隔水层厚度与作用其上的水头值之比[8]。“五图双系数法”中突水系数计算公式如下:

(3)

式中：T—突水系数，MPa/m；

P—隔水层承受的水压，MPa/m；

M—底板隔水层厚度，m；

根据以上计算公式，可以准确求得相关煤层五图双系数法评价所需参数，如：底板破坏带深度、有效保护层厚度、突水系数和带压系数等。根据所求的参数，应用Sufer软件绘制底板保护层破坏深度等值线图、底板保护层厚度等值线图、煤层底板以上水头等值线图、有效保护层厚度等值线图,评估煤层底板突水危险性[9]。

表1 煤层五图双系数法评价计算参数统计表

2.2 五图评价过程

应用sufer软件绘制等高线图，通过等高线图结果，分析煤层底板各个因素的安全性，作为五图双系数评价结果的影响因子。

在工作面回采过程中，由于矿压等因素综合作用的结果，在煤层底板产生一定深度的破坏，这种破坏后的岩层具有导水能力，称之为“导水破坏深度”，通过计算结果绘制“底板保护层破坏深度等值线图”[7]。从等值线图3上可以看出，破坏深度一般在10 m左右，在有断层的地方破坏较深与本矿资料出入不大。

煤层底板至隔水层顶面间的这段岩层称为“底板保护层”。它是阻止承压水涌入采掘空间的屏障，需查明其厚度及其变化规律。据此绘制“底板保护层厚度等值线图”，从图4中可以看出，矿井区域底板保护层比较均匀，在有断层的区域及钻孔5-4处厚度足够，可保证安全开采。图中有两处保护层厚度略薄，需要加以注意，应该结合有效保护层厚度图，进行评估。

图4 底板保护层厚度等值线图

水头等值线图5显示，从西北向东南水头值逐渐增大。

图5 煤层底板承受水头等值线图

图6 有效保护层厚度等值线图

底板保护层厚度减去采动破坏深度，所剩厚度称为“有效保护层厚度”，它是真正具有阻抗水头压力能力且起安全保护作用的部分。绘制“有效保护层厚度等值线图”[10]。从图上可以看出，矿区有效保护层厚度比较大，无危险区域。

2.3 双系数法评价过程

“三级判别”：是与双系数配合使用来判断是否突水、突水形式和突水水量变化的三个指标：

I级判别：是工作面必然发生直通式突水的判定指标；

Ⅱ级判别：是工作面发生非直通式突水可能性判定以及突水形式辨别的指标；

III级判别：是判别己被I级或者II级定为突水的工作面其突水量变化情况的指标。

三大主要因素根据水文地质条件分3个等级，不同的等级赋予 0，1，2 这 3个值[2]。

其中把突水系数小于0.06 时取为 0，突水系数 0.06～0.1 时取1，突水系数大于0.1 时取为 2。本煤层发生直通式突水的可能不大，各个钻孔处突水系数如表2。非直通式突水的指标为单位涌水量q，弱富水区取为 0，中等富水区取1，强富水区取为2。其中，富水性划分如下：弱富水区q≤0.1 L/(s·m)，中等富水区：0.1 L/(s·m)

第Ⅲ级判别指标指构造复杂程度，构造简单区取为 0，小构造发育区取1，小构造发育和边部靠近大断层区取为 2。根据分维结果得到各个钻孔的构造系数，见表2。

表2 突水区数据统计表

突水区域的取值在 0～3 为安全区；3～5 为威胁区；大于5为危险区[11]，结果见图7，根据五图-双系数法，得出如下结果。

根据表2绘制带压开采评价图，突水区总值分布在0～3之间，表示区域危险性从低到高。

图7 带压开采评价图

从带压开采评价图中可以看出，研究区中心位置危险等级为3级，评价等级为威胁区，属于重点关注的区域，该区域因为有断层的存在，对底板突水危险性影响较大，带压开采评价图的结果符合实际情况，可作为计划开采的参考数据。

3 突水系数评价法

现阶段,煤矿防治水规定将突水系数作为评价煤矿底板突水的主要指标。根据计算结果绘制突水系数等值线图8。

图8 突水系数等值线图

根据本矿资料,通过计算绘制突水系数等值线图,如图8,从图中可看出,突水系数相对较大的地方为左下角补水2孔处,处于矿井边界位置。突水系数分布趋势与五图基本相似，反应了研究区煤层底板安全性。突水系数作为现今主要的评价指标具有实际指导意义，与五图双系数结果相互验证，得出的结论可指导工程实际。

4 结论

(1) 由以上五图对比可见，井田仅有补水钻孔5-2钻孔所在的井田中部为威胁区，其余补水1、补水2等钻孔都为安全区。分析主要原因是附近有较多的断层和较高水头值，对于安全开采具有一定的威胁。断层导致的威胁直接体现到了五图双系数法最终的带压开采评价图中。底板保护层破坏深度等值线图、底板保护层厚度等值线图、煤层底板承受水头等值线图、有效保护层厚度等值线图、带压开采评价图中，等值线的趋势基本一致，所体现的威胁区域和安全区域与实际情况相符合。

(2) 五图双系数法中单位涌水量q和构造系数k，突水系数T作为主要影响参数，对结果具有决定性作用，依然是煤矿水害判定的主要影响因子。五图双系数法的预测结果可以为地下水预测和防治提供理论依据。

(3) 目前煤矿防治水规定将突水系数作为主要评估指标。本文通过突水系数等值线图与带压开采评价图对比，得出趋势相似的底板突水危险性评价结果，两者对工程实际都具有指导意义。突水系数作为简单的判别方法反应了煤层底板突水的危险性，具有简单方便的特点，而五图双系数法分析相对于突水系数法更加全面具体,预测结果兼顾多个因素,准确度更高。

[1] 武强，张志龙，张生元，等.煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅱ一脆弱性指数法[J].煤炭学报.2007,32(11)：1121-1126．

[2] 李龙清，王永洪，刘金辉．京府八尺沟矿8～ (-2)煤层底板突水危险性分析[J].中国煤炭，2010，36 (2)：94-96．

[3] 贺志宏.地下水突水系数在安全开采评价中的应用缺陷[J].地下水，2012，34(2)：35-37．

[4] 王宗明,来永伟,段俭君.五图双系数法在北辛窑煤矿底板突水评价中的应用[J].煤炭与化工,2016(5):7-12+17.

[5] 杨海斌.四老沟矿灰岩岩溶水突水危险性评价[J].能源与节能，2015(9)：75-76．

[6] 易伟欣.五图-双系数法在煤矿突水评价中的应用[J].河南理工大学学报(自然科学版)，2013，32(5)：37-39．

[7] 武强，赵苏启，黄书宁，等.煤矿防治水手册[M].北京:煤炭工业出版社，2013．

[8] 田干.突水系数计算公式的演变及实验研究[J].煤炭工程，2010(5):99-102．

[9] 徐星，吴金刚，张惠聚.煤底板突水影响因素分析与防治建议[J]．煤矿安全，2011(9)：151-153．

[10] 尹尚先.华北煤田岩溶陷落柱及其突水研究[M].北京：煤炭工业出版社，2008.

[11] 武强，张志龙，马积，等.煤层底板突水评价的新型实用方法I一主控指标体系的建设[J].煤炭学报.2007,32(1)：42-47．

Research on Water Inrush Forecast of Coal Seam Floor Based on Five Figures and Double Coefficients Method

DUAN Xiao-ping

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao,101601,China)

In order to forecast the water inrush problem more accurately,the five figures and double coefficients method is used to estimate the risk of water inrush.Taking one coal seam as target to research the water inrush problem,this poper firstly collects coal mine basic data and standardized them,then determines the weight of each index using five figures and double coefficients method,establishes contour maps which influence water inrush index through ‘sufer’ software.Lastly,it composites quantitative data according to the contour maps and gets evaluation map of floor water inrush risk with high pressure.In this map,the safe region,transition region and danger region can be easily read.Throngh the analysis of the five maps result,the highest danger level of the research central area is estimated to be 3-level threatened area,and combining the actual situation of the area having fault and high waterhead,the forecast based on fine figures and double coefficients method is proved accurate.

coal mine; floor; water inrush; five figures and double coefficients method; sufer

2016-07-15

中央高校基本科研业务费资助项目(3142015114)

段晓平 (1989-)， 男，山西大同人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：地质资源与地质工程等方面。E-mail: 913493793@qq.com

TD745

A

1672-7169(2016)05-0028-05