陜澠煤田底板太原組灰?guī)r突水預(yù)測

林劉軍 何有生

摘 要：文章根據(jù)礦井含水層充水性特征及各礦突水具體情況，對奧灰水、太灰水的突水通道、突水機(jī)理及危害性進(jìn)行了定性分析研究，總結(jié)了一些主要工作經(jīng)驗(yàn)，提出了一些新的理論和方法。

關(guān)鍵詞：陜澠煤田；底板突水；太原組灰?guī)r

1 底板突水的預(yù)測

陜澠煤田大量的實(shí)際資料表明，所有煤礦底板突水都是發(fā)生在底板最薄弱、應(yīng)力最大的地方。我們以采場底板最弱點(diǎn)在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中破壞時(shí)的巖體最小抗張強(qiáng)度k0作為整個(gè)底板的強(qiáng)度，將本身強(qiáng)度不均一的采場底板簡化為一個(gè)強(qiáng)度等于底板最弱點(diǎn)在外力作用下的巖體最小抗張強(qiáng)度K0的理想的“均質(zhì)弱板”，則此“均質(zhì)弱板”中任一點(diǎn)在外力作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力值，應(yīng)與采區(qū)底板最弱點(diǎn)在同樣的外力作用下而產(chǎn)生的應(yīng)力值相同或近似。然后將載荷加上去，研究其應(yīng)力分布，找出其最大應(yīng)力點(diǎn)。此最大應(yīng)力點(diǎn)在理想的“均質(zhì)弱板”中產(chǎn)生的力學(xué)作用，應(yīng)與采區(qū)底板中最弱點(diǎn)在與采場最大應(yīng)力點(diǎn)相會合時(shí)的力學(xué)作用相同或近似。如此理想的“均質(zhì)弱板”能夠承受此最大應(yīng)力而不至于進(jìn)一步破裂，則采區(qū)底板將不會突水，否則會發(fā)生突水。[1]

根據(jù)以上理論，根據(jù)推理的公式來預(yù)測研究區(qū)的底板突水情況：

Po=2Ko（1/Lx2+1/Ly2）h2+（r底cosa-1）h-Q

式中：Po-臨界水頭壓力（Mpa）；Ko-底板巖體最小抗張強(qiáng)度（Mpa）；Lx-采區(qū)走向跨度，亦即采煤工作面至冒落物壓實(shí)點(diǎn)的距離（M）；Ly-采區(qū)傾斜跨度亦即工作面長度（M）；r底-底板巖體的平均容重t/m3；h-相對隔水底板厚度（M）；Q-礦山壓力（指向上作用于懸頂區(qū)底板的二次側(cè)壓力及地應(yīng)力）（Mpa）；a-煤層傾角（度）

它的曲線為一個(gè)不通過原點(diǎn)，在P軸上有負(fù)截距C的拋物線，如下：

所選用的這個(gè)方法，可以說是目前最科學(xué)、最新、最嚴(yán)密、最符合實(shí)際的，它全面考慮了各種因素對計(jì)算結(jié)果的影響。在此圖中：

（1）凡是P，H坐標(biāo)位于拋物線右上方的采區(qū)，，均可能發(fā)生底鼓、破裂，但是突水現(xiàn)象只能發(fā)生在h軸的右邊，左邊則只破裂而不突水；P，H坐標(biāo)位于左下方的采區(qū)，既不會發(fā)生底鼓和破裂，也不會突水。

（2）之所以會出現(xiàn)底鼓、破裂的突水，是水頭壓力和礦山壓力共同作用的結(jié)果；P軸上的負(fù)截距C，即為礦山壓力Q（包括地應(yīng)力）之值。當(dāng)P=0時(shí)，h=h0，即為礦山壓力對底板的破壞深度（m）。

（3）當(dāng)其它條件相同時(shí)，ho是隨著Ko的降低而呈直線減小。故底板突水多發(fā)生在破碎帶及斷層附近。

（4）ho是隨著Lx或Ly的增大，而是似雙曲線關(guān)系減小的，故改變采煤方法，縮小懸頂區(qū)的跨度，可使臨界區(qū)現(xiàn)象有上方移動，擴(kuò)大安全區(qū)，縮小突水區(qū)，將部分可能突水的采區(qū)，轉(zhuǎn)化為不突水。

（5）該圖可以起到預(yù)測新礦區(qū)的開采能否突水、指導(dǎo)合理降壓等作用。

根據(jù)本區(qū)的實(shí)際情況，我們預(yù)測的數(shù)值選取如下：

（1）Ko=1.90Mpa此值的確定是根據(jù)煤層底板巖石的抗壓強(qiáng)度的大小和其厚度而定。在這個(gè)值的確定方面，應(yīng)該綜合考慮這兩個(gè)因素的和諧，即要是厚度比較大而穩(wěn)定的巖層，又要是抗張強(qiáng)度最小的。在這里取該值，一是砂質(zhì)泥巖的厚度在40M左右，可以代表抗張強(qiáng)度最小的巖層，另外其強(qiáng)度小于灰?guī)r、砂巖。

（2）Lx、Ly兩項(xiàng)數(shù)值根據(jù)實(shí)測的工作面長度帶入即可。

（3）H在這里可以取二1煤的底面到奧陶系灰?guī)r的頂板的厚度，一般為75m左右。如果是預(yù)測太原組灰?guī)r的突水情況就取煤層底板倒太灰頂板的厚度即可，一般為16m左右。在取數(shù)值的過程中，一定要根據(jù)附近的鉆孔實(shí)際全面的分析，應(yīng)該把鄰近的鉆孔全部考慮在內(nèi)，以使所取的數(shù)值更加切近預(yù)測點(diǎn)的真實(shí)厚度。

（4）R底 ，對于該區(qū)的實(shí)際情況，經(jīng)過加權(quán)平均計(jì)算得底板巖體的平均容重為2.376t/m3。

（5）a的值在該區(qū)一般為20度，這樣（r底cosa-1）的值經(jīng)濟(jì)算得為1.233。

（6）Q可以在井下直接測定，但要注意的是此處的礦山壓力為作用于懸頂區(qū)底板的二次側(cè)壓力及地應(yīng)力。如果這些數(shù)值無法取得的話，可以用別的數(shù)據(jù)代替，但一定要有科學(xué)依據(jù)。

經(jīng)過數(shù)值的獲取，就可以計(jì)算出某個(gè)工作面底板的臨界水頭壓力，如果此處的實(shí)際水頭壓力大于臨界水頭壓力就會發(fā)生突水，否則即為安全。

2 巖體結(jié)構(gòu)與底板突水的研究

對研究區(qū)的一些鉆孔進(jìn)行了分析，如圖1，從圖中可以看出二1煤到奧陶系灰?guī)r之間，自上二下可以劃分為：泥巖段，砂巖段（含煤層），泥巖段，灰?guī)r段，泥巖段，砂巖段，和灰?guī)r段。為了清楚表達(dá)起見，各層段巖性均做了合并，并以主要巖性作為該層段的巖性，從圖中可以看出奧陶系灰?guī)r到二1煤的最小距離為50米，因下段為泥巖，故而在此處“原始導(dǎo)高”可以認(rèn)為不存在。二1煤下面為泥巖，導(dǎo)水裂隙帶的導(dǎo)水高度可以忽略不計(jì)。

圖1煤層底板對比圖

根據(jù)實(shí)際情況對該研究區(qū)取臨界突水系數(shù)Ts=0.5（0.1Mpa/m）；作為評價(jià)底板突水的下線，經(jīng)計(jì)算，在該地區(qū)奧灰水不能突破底板隔水層進(jìn)入礦井。即使二1煤下面為砂巖，會產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶，按此計(jì)算，導(dǎo)水裂隙帶的高度只有11米左右，除去導(dǎo)水裂隙帶的高度，其突水系數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.5（0.1Mpa/m），因此在該區(qū)奧灰水不回直接突破底板隔水層進(jìn)入礦井。

有以上的描述可以分析知中型主要影響太原組灰?guī)r的突水。如觀音堂八號井二部突水見，63年3月7日，巷道沿C3灰?guī)r掘進(jìn)時(shí)，巷頂開始滴水，隨著巷道的開掘，滴水逐漸加大，變?yōu)榱芩?，次日巷道?nèi)灰?guī)r發(fā)現(xiàn)溶隙，淋水加大，3月9日14點(diǎn)，距巷頂1米處突水。巷道是沿C3灰?guī)r掘進(jìn)，隨著巷道的掘進(jìn)，逐漸接近一條近南北向的斷層，且巷道內(nèi)C3灰?guī)r溶隙發(fā)育，而斷層下盤為砂巖，砂泥巖，成為較好的阻水層，斷層水沿灰?guī)r溶隙瀉出，造成了突水。巷道突水后，經(jīng)過五天的觀測，涌水量由120m3/h逐漸變小為30m3/h，巷道用水泵進(jìn)行排水，至4月5日涌水量測得3.5m3/h，巷道繼續(xù)掘進(jìn)。到后來涌水量穩(wěn)定在1.5-2.0m3/h左右。[2][3]

由于太原組灰?guī)r的富水性不均一，補(bǔ)給量不大，突水一般不會很大，而且以靜儲量為主。在研究區(qū)內(nèi)，小型斷層較多，但是它造成的突水一般對礦井影響不大，小斷層突水主要是滯發(fā)性突水，水量不大。

3 主要結(jié)論

3.1 在煤系地層中，軟、硬巖層相間組合在一起，構(gòu)成了各種不同的煤巖層組和形式，這種組合對煤系地層中節(jié)理的發(fā)育及含水性具有重要的影響。在研究的過程中，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，首次提出了巖體結(jié)構(gòu)與突水之間的關(guān)系。

3.2 礦區(qū)的構(gòu)造以小型正斷層為主，而且分布不均，根據(jù)以往研究工作基礎(chǔ)，結(jié)合三維地震資料，定性的研究了斷層與突水之間的聯(lián)系。

參考文獻(xiàn)

[1]張長文，付斌，等.礦井突水問題得研究[J].煤炭科技，2004.5.

[2]吳新民，彭應(yīng)熙.觀音堂煤礦礦井地質(zhì)報(bào)告，1989.

[3]義馬煤業(yè)公司工程堪察分公司.曹窯煤礦深部生產(chǎn)勘探技術(shù)報(bào)告，2004.4.