田午子，李 凱

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.開(kāi)灤能源化工股份有限公司 范各莊礦業(yè)分公司，河北 唐山 063108)

0 引言

華北型煤田淺部煤炭資源枯竭，礦井開(kāi)采向深部延伸。隨著開(kāi)采深度加大，底板奧灰含水層水壓變大，一般為3～4 MPa，高者達(dá)8～11 MPa，帶壓開(kāi)采成為煤礦的主要開(kāi)采方式。因此，對(duì)煤層底板奧灰水突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)尤為重要。目前，最常用的底板突水預(yù)測(cè)方法有：突水系數(shù)法、五圖雙系數(shù)法、脆弱性指數(shù)法等[1-4]。突水系數(shù)法簡(jiǎn)單方便、參數(shù)容易獲取，但該方法考慮因素較少，有一定的局限性；脆弱性指數(shù)法考慮突水因素全面，但需要以往水文地質(zhì)資料充足；而五圖雙系數(shù)法相比突水系數(shù)法考慮因素較為全面，對(duì)比脆弱性指數(shù)法不需要過(guò)多資料，適宜突水資料相對(duì)不全面的礦井。

范各莊礦屬于華北煤田，目前進(jìn)入深部帶壓開(kāi)采，受奧灰水威脅較大。由于該礦目前主要采用突水系數(shù)法進(jìn)行奧灰突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，考慮因素不全面，因此，采用五圖雙系數(shù)法對(duì)范各莊礦進(jìn)行帶壓開(kāi)采評(píng)價(jià)研究，與突水系數(shù)法進(jìn)行對(duì)比，并提出相應(yīng)的防治水措施，對(duì)礦井深部安全開(kāi)采提供參考。

1 研究區(qū)概況

范各莊礦屬于華北型煤田，位于開(kāi)平向斜東南翼南段，區(qū)內(nèi)褶皺、斷層發(fā)育[5，6]。研究區(qū)位于礦井中部單斜構(gòu)造區(qū)和南部的畢各莊向斜區(qū)，東側(cè)以F0斷層為邊界，如圖1所示。

圖1 礦井構(gòu)造綱要及研究區(qū)位置圖

研究區(qū)地層自下而上為奧陶系、石炭系、二疊系、第四系，目前主采下二疊統(tǒng)趙各莊組的12#煤層。區(qū)內(nèi)地層走向變化不大，傾角在15°以下，以小型斷裂構(gòu)造發(fā)育為主，畢各莊向斜和F0斷層為特征。含水層有沖積層含水層、煤系地層砂巖裂隙承壓含水層、奧陶系巖溶裂隙含水層。研究區(qū)為深部開(kāi)采，奧灰水頭壓力6～9 MPa，受奧灰水威脅較大。

2 帶壓開(kāi)采評(píng)價(jià)

研究區(qū)目前主采12#煤層，受奧灰水威脅較大，因此，對(duì)12#煤層進(jìn)行奧灰水帶壓開(kāi)采評(píng)價(jià)研究。

2.1 五圖雙系數(shù)法評(píng)價(jià)

“五圖雙系數(shù)法”是一種煤層底板水害評(píng)價(jià)的方法。其中，“五圖”是指底板保護(hù)層破壞深度等值線圖、底板保護(hù)層厚度等值線圖、煤層底板以上水頭等值線圖、有效保護(hù)層厚度等值線圖、帶水頭壓力開(kāi)采評(píng)價(jià)圖，“雙系數(shù)”是指“帶壓系數(shù)”和“突水系數(shù)”[7]。該方法主要是根據(jù)影響煤層底板突水的四個(gè)因素的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得出“帶壓系數(shù)”和“突水系數(shù)”，再結(jié)合“三級(jí)判別”對(duì)來(lái)煤礦底板是否會(huì)發(fā)生突水、發(fā)生突水的形式以及發(fā)生突水時(shí)突水量的大小進(jìn)行判別，綜合分析形成帶水頭壓力開(kāi)采評(píng)價(jià)圖，其流程如圖2所示。

圖2 “五圖雙系數(shù)法”評(píng)價(jià)流程圖流程圖

2.1.1 “前四圖”的生成

(1) 底板保護(hù)層破壞深度等值線圖

在煤層回采過(guò)程中，煤層底板的巖層會(huì)被礦壓等因素破壞，破壞后的巖層具有導(dǎo)水能力，增加突水的可能性[7]。煤層底板保護(hù)層破壞深度即開(kāi)采煤層的底板到采動(dòng)裂隙帶的最深處的垂直距離。

本次計(jì)算底板保護(hù)層破壞深度的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)自全國(guó)統(tǒng)計(jì)資料[8，9]，如下：

h=0.0085H+0.1665a+0.1079L-4.3579

(1)

式中，h為底板保護(hù)層破壞深度，m；H為工作面開(kāi)采深度，m；a為煤層傾角，此實(shí)例中取13°；L為工作面斜長(zhǎng)，m。此實(shí)例中L取138m。

據(jù)式1，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，繪制12#煤層底板保護(hù)層破壞深度等值線圖如圖3所示。

表1 12#煤層底板帶壓開(kāi)采“五圖雙系數(shù)法”評(píng)價(jià)計(jì)算表

圖3 12#煤層底板保護(hù)層破壞深度等值線圖

(2) 底板保護(hù)層厚度等值線圖

煤層底板保護(hù)層是阻止奧灰水涌入采掘空間的屏障[7]，其厚度等于煤層底板標(biāo)高減去奧灰頂界面標(biāo)高，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，繪制12#煤層底板保護(hù)層厚度等值線圖，如圖4所示。

圖4 12#煤層底板保護(hù)層厚度等值線圖

(3) 煤層底板上的水頭等值線圖

煤層底板上的水頭值取自近三年奧灰觀測(cè)孔統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的最大水位減去奧灰頂界面標(biāo)高，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，繪制12#煤層底板上的水頭等值線圖，如圖5所示。

圖5 12#煤層底板上的水頭等值線圖

(4) 煤層底板有效保護(hù)層厚度等值線圖

煤層底板有效保護(hù)層是真正具有阻抗水頭壓力能力且起安全保護(hù)作用的部分[7]，其厚度等于保護(hù)層厚度減去保護(hù)層破壞深度，據(jù)圖3和圖4相減計(jì)算，得出有效保護(hù)層厚度等值線圖，如圖6所示。

圖6 12#煤層底板有效保護(hù)層厚度等值線圖

2.1.2 “雙系數(shù)”計(jì)算

(1) 帶壓系數(shù)

帶壓系數(shù)是指每米巖層可以阻抗多大水頭壓力的指標(biāo)[7，8]，即煤底板總體抗壓強(qiáng)度與保護(hù)層厚度的比值。根據(jù)巖層抗壓強(qiáng)度換算表(見(jiàn)表2)，計(jì)算出巖層總體抗壓強(qiáng)度，并得出帶壓系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，繪制帶壓系數(shù)等值線圖，如圖7所示。

表2 巖層抗壓強(qiáng)度換算表[9]

圖7 12#煤層底板帶壓系數(shù)等值線圖

(2) 突水系數(shù)

突水系數(shù)是有效保護(hù)層厚度與作用其上的水頭值之比[7，8]，則通過(guò)圖5與圖6比值計(jì)算，得出突水系數(shù)等值線圖，如圖8所示。

圖8 12#煤層底板突水系數(shù)等值線圖(五圖雙系數(shù)法)

2.1.3 帶水頭壓力開(kāi)采評(píng)價(jià)圖

(1) 三級(jí)判別

三級(jí)判別是與雙系數(shù)配合用來(lái)判別突水與否、突水形式和突水量變化的三個(gè)指標(biāo)[7]。由圖6可以得出，研究區(qū)的有效保護(hù)層厚度均大于0；水文地質(zhì)資料分析得出，研究區(qū)東部邊界F0大斷層富水性較弱且不導(dǎo)水，區(qū)內(nèi)未見(jiàn)陷落柱等其他連通奧灰的導(dǎo)水構(gòu)造。因此，判定研究區(qū)的突水形式為非直通式突水，即為II級(jí)判別[8]。

(2) “帶水頭壓力開(kāi)采評(píng)價(jià)圖”的生成

運(yùn)用比值系數(shù)的方法，將帶壓系數(shù)與突水系數(shù)的比值大于1，定義為安全區(qū)；比值小于1，定義為危險(xiǎn)區(qū)[8]。如圖9所示，帶壓開(kāi)采評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)12#煤層奧灰水帶壓開(kāi)采評(píng)價(jià)為安全區(qū)。

圖9 帶壓開(kāi)采評(píng)價(jià)分區(qū)圖

2.2 突水系數(shù)法評(píng)價(jià)

“突水系數(shù)法”中“突水系數(shù)”與“五圖雙系數(shù)法”中“突水系數(shù)”含義不同，“突水系數(shù)法”中“突水系數(shù)”定義為底板隔水層(保護(hù)層)承受的奧灰水頭壓力[10]，而“五圖雙系數(shù)法”中“突水系數(shù)”定義為有效保護(hù)層厚度與作用其上的水頭值之比[7，8]，區(qū)別在于前者為底板隔水層(保護(hù)層)厚度，后者考慮了底板保護(hù)層破壞深度的影響，表示為有效保護(hù)層厚度。

根據(jù)國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局《煤礦防治水細(xì)則》(2018年)附錄五[10]，突水系數(shù)計(jì)算如下：

T=P/M

(2)

式中，T為突水系數(shù)，MPa·m-1；P為底板隔水層承受的奧灰水頭壓力，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

據(jù)式(2)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，繪制12#煤層底板突水系數(shù)等值線圖，如圖10所示。

表3 12#煤層底板帶壓開(kāi)采“突水系數(shù)法”評(píng)價(jià)計(jì)算表

圖10 12#煤層底板突水系數(shù)等值線圖(突水系數(shù)法)

《煤礦防治水細(xì)則》(2018)規(guī)定，底板受構(gòu)造破壞的地段突水系數(shù)一般不得大于0.06 MPa·m-1，隔水層完整無(wú)斷裂構(gòu)造破壞的地段不得大于0.1 MPa·m-1 [10]。研究區(qū)煤層底板受構(gòu)造破壞，故選擇0.06 MPa·m-1作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。由圖10可知，研究區(qū)內(nèi)12#煤層底板奧灰突水系數(shù)都小于0.06 MPa·m-1，屬于安全區(qū)。

2.3 結(jié)果對(duì)比

由于突水系數(shù)法簡(jiǎn)單方便、參數(shù)容易獲取等特點(diǎn)，是目前該礦最常用的奧灰突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法，但該方法考慮因素較少，只考慮了奧灰水頭壓力和隔水層厚度兩個(gè)因素，有一定的局限性。五圖雙系數(shù)法加入了帶壓系數(shù)的概念，考慮了奧灰水頭壓力、隔水層厚度、底板破壞深度、有效隔水層厚以及巖層抗壓強(qiáng)度等多個(gè)因素，與突水系數(shù)法相比，準(zhǔn)確性相對(duì)較高。由于隔水層厚度較大，底板破壞深度影響較小，以及研究區(qū)未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)通奧灰的導(dǎo)水構(gòu)造，使得兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果一致，均表明研究區(qū)12#煤層帶壓開(kāi)采評(píng)價(jià)為安全區(qū)。

3 防治水工作建議

經(jīng)五圖雙系數(shù)法和突水系數(shù)法研究表明，研究區(qū)12#煤層為奧灰水帶壓開(kāi)采安全區(qū)。雖然目前區(qū)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)巖溶陷落柱等導(dǎo)通奧灰的導(dǎo)水構(gòu)造，但在工作面回采時(shí)仍然需要重視，進(jìn)行一定的防治水工作。

(1) 工作面回采前，加強(qiáng)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探。采用物探進(jìn)行探測(cè)，依據(jù)探查結(jié)果，再確定是否用鉆探補(bǔ)充勘探，鉆探設(shè)計(jì)終孔層位應(yīng)選擇開(kāi)采煤層底板下部滿足安全隔水厚度的適當(dāng)含水層位，依據(jù)本區(qū)域特點(diǎn)，控制終孔層位選擇在穿過(guò)K3為宜。若探查孔有水，需進(jìn)行水化學(xué)特征分析。

(2) 回采前對(duì)探查孔進(jìn)行封孔，但應(yīng)在工作面回采影響范圍外留有觀測(cè)孔，以K3灰?guī)r及12煤底板砂巖含水層為指示層，在工作面回采期間結(jié)合水害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指示層含水層水量、水壓、水溫、水質(zhì)等參數(shù)變化情況，發(fā)現(xiàn)有底板高承壓水參與或有出水征兆時(shí)，立即停采，采取相應(yīng)措施。

4 結(jié)論

(1) 研究區(qū)煤層下伏奧灰含水層，水壓6～9 MPa，目前進(jìn)入深部開(kāi)采，受奧灰水威脅較大，煤層回采前需要進(jìn)行帶壓開(kāi)采評(píng)價(jià)研究。

(2) 雖然五圖雙系數(shù)法較突水系數(shù)法相比考慮因素較為全面，但由于研究區(qū)隔水層厚度較大，底板破壞深度影響較小，以及暫未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)通奧灰的導(dǎo)水構(gòu)造，使得兩種方法結(jié)果一致，均表明研究區(qū)12#煤層奧灰水帶壓開(kāi)采屬于安全區(qū)。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要較為全面的考慮多種突水因素，結(jié)合礦井實(shí)際水文地質(zhì)條件，選擇適宜的評(píng)價(jià)方法，做到較為準(zhǔn)確分析奧灰突水隱患。

(3) 盡管目前的水文地質(zhì)資料以及計(jì)算分析，研究區(qū)不受奧灰水威脅，但在回采前對(duì)工作面也應(yīng)加強(qiáng)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探工作，回采期間做好以K3灰?guī)r及12煤底板砂巖含水層為指示層的監(jiān)測(cè)工作，確保安全生產(chǎn)。