袁艷平

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云岡礦地質(zhì)測(cè)量部，山西 大同 037000）

華北地區(qū)煤礦深部開采，普遍存在奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層突水的風(fēng)險(xiǎn)。云岡礦隨著開采深度的增加，煤層基底奧灰水水壓增加，開采作業(yè)受到高承壓奧灰水的威脅，極易發(fā)生突水危險(xiǎn)[1]。為保證煤礦安全開采，研究深部開采巖溶裂隙水的運(yùn)移、富水規(guī)律，科學(xué)評(píng)價(jià)突水危險(xiǎn)性，為深部開采有效防治突水危險(xiǎn)提供基礎(chǔ)信息。

1 煤層深部開采突水危險(xiǎn)

鑒于我國(guó)華北地區(qū)礦井開采深度的迅速增加，有的煤礦奧陶系灰?guī)r巖溶特征，其在穿層方向、 順層方向上呈現(xiàn)出隨開采深度的增加而發(fā)生相應(yīng)變化的規(guī)律，主要表現(xiàn)為：隨深度增加穿層方向上巖溶發(fā)育由弱到強(qiáng)，再到弱；順層方向上巖溶發(fā)育由強(qiáng)到弱[2]。含水層隨著開采深度增加也表現(xiàn)出：順層向深部徑流，巖溶水破壞底板隔水層的能力增加，底板突水危險(xiǎn)發(fā)生的可能性逐漸增大：同時(shí)開采深度增加后地面物探技術(shù)易受干擾、 井下鉆孔遇高承壓巖溶水后鉆進(jìn)困難，增加深部高壓、超高壓巖溶裂隙水探測(cè)的難度等，使煤礦開采難度增加。

2 深部開采煤層底板突水評(píng)價(jià)方法

帶壓開采突水性評(píng)價(jià)的一般方法是突水系數(shù)法[3]。根據(jù)相關(guān)規(guī)程，突水系數(shù)分析底板突水危險(xiǎn)程度的臨界值為0.06～0.15 MPa/m。實(shí)踐證明，水壓小于3 MPa 時(shí)，采用該方法比較合理。但對(duì)于深部開采，由于奧灰水水壓增大，底板承壓隨之增加，突水系數(shù)已超出臨界值0.15 MPa/m，此時(shí)利用突水系數(shù)法評(píng)價(jià)突水危險(xiǎn)不再準(zhǔn)確。因此，必須引入另一參數(shù)：?jiǎn)挝挥克縬，提出突水危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)新方法：即TS-q 法[4]。文章收集了云岡礦區(qū)204 個(gè)突水點(diǎn)資料，如表1所示。包括水壓、相對(duì)隔水層厚度、q 值，利用這些數(shù)據(jù)資料，建立TS-q 底板突水危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)法。

表1 云岡礦突水點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

據(jù)表1和圖1，小突水點(diǎn)集中在q＜0.1 L/（s·m）時(shí)，q 值越小突水量越小，突水系數(shù)TS＜0.04 MPa時(shí)小突水點(diǎn)也不多； 中等突水點(diǎn)主要出現(xiàn)在TS＜0.04 MPa 和q＞2 L/（s·m）間；大突水點(diǎn)主要集中在0.02 MPa＜TS＜0.1 MPa 和q＞16 L/（s·m），由此可得TS-q 法底板突水危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)，如圖2所示。其橫坐標(biāo)為TS，縱坐標(biāo)為q。根據(jù)該圖，可大致判斷開采區(qū)突水危險(xiǎn)程度。

圖1 云崗礦突水點(diǎn)TS-q

圖2 TS-q 法底板突水危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)

3 TS-q 法的應(yīng)用

3.1 突水系數(shù)計(jì)算公式

研究區(qū)域云岡礦奧陶系灰?guī)r裂隙巖溶含水層富水情況如圖3所示。

圖3 云岡礦域奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層富水情況

突水系數(shù)TS的一般數(shù)學(xué)計(jì)算公式為：

式中：P 為含水層水壓；M 為隔水層厚度。

其中T = TS為臨界值，低于TS值為安全，高于TS值為突水發(fā)生。通過研究煤層底板隔水層可以發(fā)現(xiàn)，隔水層可分為承壓水原始導(dǎo)升帶、中間完整帶、底板破壞帶三帶，稱之為下三帶理論。結(jié)合原突水系數(shù)公式和下三帶理論，改進(jìn)突水系數(shù)公式為：

式中：Ci為底板破壞深度；d 為承壓水遞進(jìn)導(dǎo)升高度[4-5]。

根據(jù)在研究區(qū)收集的勘探鉆孔揭露奧灰水水壓和隔水層情況，應(yīng)用上述改進(jìn)公式計(jì)算研究區(qū)域的TS值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制突水系數(shù)等值線，并根據(jù)危險(xiǎn)程度的不同進(jìn)行分區(qū)，如圖4所示。

圖4 研究區(qū)突水系數(shù)等值線及突水危險(xiǎn)區(qū)域劃分

觀察突水系數(shù)等值線圖，“1”表示的區(qū)域?yàn)橥凰禂?shù)小于0.1 MPa 的區(qū)域，其他部分均大于0.1 MPa。大于0.1 MPa 的區(qū)域均為高突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，其中還存在部分突水系數(shù)大于0.14 的區(qū)域，為極高突水危險(xiǎn)區(qū)，不可開采或需采取專項(xiàng)防治措施。

3.2 應(yīng)用效果分析

綜合研究圖2，TS-q 法底板突水危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)見圖4，研究區(qū)域突水系數(shù)等值線圖及突水危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖，確定q＜0.01 L/（s·m）時(shí)為相對(duì)安全區(qū)，得到用TS-q 法評(píng)價(jià)的突水危險(xiǎn)程度分區(qū)圖，如圖5所示。

圖5 TS-q 法評(píng)價(jià)的研究區(qū)突水危險(xiǎn)程度分區(qū)

在引進(jìn)突水系數(shù)- 單位涌水TS-q 評(píng)價(jià)法時(shí)，不僅考慮了突水系數(shù)，同時(shí)也考慮了單位涌水量，加入了含水層富水性因素，擴(kuò)大了突水安全區(qū)和相對(duì)安全區(qū)，是對(duì)突水系數(shù)評(píng)價(jià)法的補(bǔ)充。尤其適合應(yīng)用于深部巖溶裂隙含水層“高承壓、弱富水”的煤層底板突水危險(xiǎn)的評(píng)價(jià)，使深部開采高承壓突水危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)更加精準(zhǔn)，對(duì)深部煤層的安全開采有重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

通過研究應(yīng)用煤礦深部開采底板突水危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)辦法，得出以下結(jié)論：

1）通過分析華北地區(qū)煤礦深部開采的奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層的地質(zhì)特征、 煤層底板高承壓等特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)原有突水系數(shù)法評(píng)價(jià)高承壓、弱富水的深部開采底板突水危險(xiǎn)已不適用。

2）通過分析研究云岡礦204 個(gè)突水點(diǎn)數(shù)據(jù)資料，引入單位涌水量，得出適用于深部煤層開采底板突水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的改進(jìn)型突水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)辦法Ts-q評(píng)價(jià)法。

3）利用TS-q 評(píng)價(jià)法對(duì)研究區(qū)底板突水危險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，獲得突水危險(xiǎn)程度分區(qū)圖。采用TS-q 法，擴(kuò)大了突水安全區(qū)和相對(duì)安全區(qū)，評(píng)價(jià)結(jié)果更加精確。