承壓水體上開采Ts－q雙因素安全評價方法研究

孫尚云

(淮北礦業(yè)股份有限責任公司，安徽 淮北 235000)

淮北礦區(qū)位于華北煤田東南緣，屬華北型煤田，臨渙、渦陽礦區(qū)位于該礦區(qū)南西塊段。該區(qū)開采的二疊系下統(tǒng)山西組10 煤層受下伏太原組灰?guī)r水突水威脅。隨著淮北礦區(qū)淺部煤炭資源日益枯竭，礦井持續(xù)延深，10 煤層下伏太灰水水壓不斷攀升，高承壓灰?guī)r含水體上帶壓超限開采問題也日益凸顯。采用傳統(tǒng)的突水系數(shù)法預測評價深部煤層底板突水的危險性常偏于保守［1－4］，造成煤礦防治水工程量大，水害治理成本高，預測準確性低，傳統(tǒng)的突水系數(shù)法已不能完全適應煤礦深部開采。

1 淮北臨渙、渦陽礦區(qū)水文地質(zhì)特征

臨渙礦區(qū)位于臨渙區(qū)童亭短軸背斜東西兩翼，屬于全隱伏型礦區(qū)，發(fā)育松散層孔隙含水層、煤系砂巖裂隙含水層、太原組灰?guī)r含水層和奧陶系灰?guī)r含水層。區(qū)內(nèi)松散層含四個含水層組成和三個隔水層組，其中厚0～56.62 m 的第四含水層直接覆蓋在煤系地層之上，對煤礦淺部開采有一定影響;二疊系煤系砂巖含水層為礦井直接充水水源，由于砂巖裂隙發(fā)育不均一，一般富水性弱，以靜儲量為主，補給不足，對生產(chǎn)影響小。

太原組地層總厚131.81～144.01 m，巖性為石灰?guī)r夾薄層碎屑巖、泥巖和薄煤層互層的海陸交替相沉積，共含灰?guī)r9～15 層，灰?guī)r總厚度49.70～66.68 m，占地層總厚的48%～60%。單位涌水量q=0.00035～0.389L/(s·m)。太灰距10 煤層底板的距離51.69～68.31 m。太灰水位－ 309～20.57 m，受10 煤層長期疏水降壓開采影響，太灰水位已經(jīng)較開采初期下降了約320 m，其中臨渙、海孜、童亭、袁店一井等礦井在10 煤層開采區(qū)太灰水已疏干至基巖面以下，其中童亭陳樓塊段太灰水位標高－380 m 左右，袁店一井102 采區(qū)太灰水位標高約－300 m，全區(qū)太灰水位南高北低，太灰水已形成由礦區(qū)南部集中向北部臨渙、海孜、童亭三對礦井徑流的趨勢。

渦陽礦區(qū)為新開發(fā)礦區(qū)，位于豐縣口孜集斷裂、亳州斷裂、板橋斷裂和宿北斷裂圈閉的孤立斷塊內(nèi)，屬全隱伏型礦區(qū)。區(qū)內(nèi)同樣發(fā)育松散層孔隙含水層、煤系砂巖裂隙含水層、太原組灰?guī)r含水層和奧陶系灰?guī)r含水層。區(qū)內(nèi)松散層第四含水層對淺部煤層開采有一定影響;二疊系煤系砂巖含水層為礦井直接充水水源，富水性弱～中等，對開采影響較小。

太原組灰?guī)r厚約75 m，共有9～15 層，巖性主要為生物碎屑灰?guī)r夾薄層細粒砂巖、粉砂巖和泥巖，灰?guī)r累計厚度40 m 左右，q= 0.000138～0.0239 L/(s·m)，富水性弱。太灰距10 煤層厚7.63～58.98 m，厚度變化較大。太灰水水位原始標高為+20.41 m，現(xiàn)為－65.09～15.76 m，水位變化幅度較小，與該礦區(qū)太灰水尚未得到充分疏放有關(guān)。

生產(chǎn)補勘探資料顯示，渦陽、臨渙礦區(qū)太灰含水層q=0.00035～0.389 L/(s·m)，富水性弱～中等。受斷裂構(gòu)造切割影響，礦區(qū)內(nèi)多數(shù)礦井太灰含水層處于相對封閉的水文地質(zhì)單元，補給和徑流條件差，水循環(huán)微弱。因礦井延深，太灰水壓高。井上下抽(放)水試驗資料顯示，含水層富水性弱，水位(壓)衰減快，有明顯的“V”字型降落漏斗特征，疏降效果差。由此可見臨渙、渦陽礦區(qū)10 煤層開采具有灰?guī)r水壓高，Ts超過安全臨界值;太灰含水層富水性弱，工作面開采基本無水或涌水量很小，即具有“高承壓弱富水”的水文地質(zhì)特征。

2 傳統(tǒng)突水系數(shù)法評價方法的缺陷

傳統(tǒng)突水系數(shù)法采用工作面底板水壓值P與隔水層厚度M的比值，評價工作面開采安全性，由國內(nèi)大量灰?guī)r水體上開采工作面突水資料統(tǒng)計分析得出全國范圍內(nèi)突水系數(shù)(Ts)經(jīng)驗臨界值:0.06～0.1 MPa/m。該公式中的水壓和底板隔水層厚度可通過地面及井下探查獲得，計算較為方便。

但在工作面開采過程中，常出現(xiàn)工作面突水系數(shù)Ts超過0.1 MPa/m 甚至更高時，工作面實際出水量很小，甚至無水等情況。而在部分礦區(qū)有時又出現(xiàn)突水系數(shù)值未超過安全臨界值，由于隔水層厚度小，仍發(fā)生突水現(xiàn)象。因此，傳統(tǒng)的突水系數(shù)法評價工作面開采安全性時，未考慮含水層富水性有一定缺陷。

淮北臨渙、渦陽礦區(qū)10 煤層灰?guī)r水體上開采安全評價利用傳統(tǒng)的突水系數(shù)方法評價開采安全性時，多數(shù)礦井工作面Ts超過0.06～0.1 MPa/m的安全臨界值，處于超限帶壓開采狀態(tài)具有突水危險性。但實際開采情況是，臨渙、渦陽礦區(qū)在10 煤層開采歷史上僅孫疃礦發(fā)生過1 次80 m3/h 的太灰中等突水。根據(jù)傳統(tǒng)突水系數(shù)法，為消除10 煤層開采突水危險，臨渙、渦陽礦區(qū)多數(shù)礦井存在安全治理設(shè)計無依據(jù)，盲目上工程，安全評價依據(jù)不充分和防治水工程量大等問題。

3 區(qū)深部太灰含水層富水性減弱原因分析

3.1 斷裂構(gòu)造切割控制及松散層第三隔水層阻隔所致

臨渙、渦陽礦區(qū)受周邊蔡山－南坪斷層、豐渦斷層、板橋斷層、宿北斷層等大斷裂及區(qū)內(nèi)中小型斷裂構(gòu)造切割控制，形成了一個個較為孤立封閉的斷塊，使其與外圍失去了水力聯(lián)系，造成太灰含水層補徑排條件差。同時區(qū)內(nèi)太灰含水層埋藏深，松散層第三隔水層直接覆蓋于基巖之上，該隔水層厚度大，分布穩(wěn)定，隔水性能良好，阻隔了上部含水層與其聯(lián)系，區(qū)內(nèi)部分區(qū)域雖發(fā)育有第四含水層，且直接覆于煤系地層之上，但“四含”厚度較小，分布不穩(wěn)定，富水性弱，對太灰水的補給有限。

3.2 埋深對太灰含水層富水性影響

巖體滲透性與裂隙張開程度有關(guān)，巖體裂隙張開程度與所處的地應力場相關(guān)，研究結(jié)果顯示地應力隨著埋深的增加呈線性規(guī)律增加，因此巖體的滲透性和埋深之間存在對應關(guān)系。深部巖溶裂隙含水介質(zhì)所處的應力場，隨著埋深的增加，垂向和水平主應力都相應增加，地應力的增加減小了裂隙的張開度，裂隙的張開度減小導致巖溶發(fā)育的水動力環(huán)境變差，從而影響了巖溶裂隙含水介質(zhì)的富水性，使深部巖溶裂隙含水層的富水性和過水能力減弱。

3.3 淺部煤層疏降開采影響

臨渙礦區(qū)10 煤層開采采取疏水降壓－限壓開采的方法，通過長期的疏放開采臨渙礦區(qū)部分礦井太灰水位已下降至－309 m，較開采初期下降了約320 m，有效降低了灰?guī)r水壓，改變了太灰含水層補徑排條件，減弱了含水層富水性。

因此，臨渙、渦陽礦區(qū)太灰含水層受斷裂構(gòu)造切割，孤立封閉，補徑排條件差;太灰含水層埋深大，受深部水平地應力增加影響，裂隙率、滲透性逐漸減弱;以及淺部煤層的疏水降壓開采和松散層第三隔水層的阻隔等綜合作用，造成深部太灰含水層富水性減弱。

4 高承壓弱富水灰?guī)r水體上開采安全性評價方法

4.1 Ts-M 安全性評價方法

調(diào)查發(fā)現(xiàn)在煤層底板隔水層較厚的情況下，采用傳統(tǒng)突水系數(shù)法計算的突水系數(shù)超過規(guī)定臨界值，也未發(fā)生較大突水甚至沒有突水;在局部煤層底板隔水層較薄時，突水系數(shù)即使低于臨界值，仍發(fā)生了底板突水。因此僅用突水系數(shù)法評價灰?guī)r水體上開采安全性，往往不能完全解決問題。

在傳統(tǒng)突水系數(shù)基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計分析肥城、焦作和淄博礦區(qū)［6］及淮北礦區(qū)的242 個突水點資料，包括含水層富水性、突水點水壓、隔水層厚度、突水系數(shù)等資料，研究底板灰?guī)r水突水危險性與突水系數(shù)、底板隔水層厚度之間的關(guān)系，提出突水系數(shù)與隔水層厚度關(guān)系法，即Ts－M法來評價灰?guī)r含水體上開采的安全性，作為傳統(tǒng)突水系數(shù)法的補充，為高承壓弱富水含水層深部開采底板突水安全評價提供依據(jù)(見表1)。通過收集淮北礦區(qū)部分帶壓開采未突水工作面的資料(見表2)，利用上述資料，研究不同隔水層厚度下，底板突水的規(guī)律。

表1 淮北、肥城、焦作、淄博礦區(qū)突水點情況統(tǒng)計

表2 淮北礦區(qū)突水工作面調(diào)查統(tǒng)計

根據(jù)表1 統(tǒng)計情況分析，隔水層厚度M≤30 m時，Ts≤0.06 MPa/m 的突水點占突水點總數(shù)的51.7%，0.06 ＜Ts≤0.1MPa/m 的突水點占突水點總數(shù)的16.1%，Ts＞0.1 MPa/m 的突水點占突水點總數(shù)的7%;隔水層厚度30 ＜M≤60 m 時，Ts≤0.06 MPa/m 的突水點占突水點總數(shù)的7.43%，0.06 ＜Ts≤0.1 MPa/m 的突水點占突水點總數(shù)的15.7%、Ts ＞0.1 MPa/m 的突水點占突水點總數(shù)的2.1%。隔水層厚度M＜30m 的突水占突水點總數(shù)的74.79%，隔水層厚度30 ＜M≤60 m 的突水點占25.21%。

將上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計成圖，以隔水層厚度為橫坐標，突水系數(shù)為縱坐標，分別繪制出圖1 四礦區(qū)突水點Ts－M特征圖和圖2 淮北礦區(qū)帶壓開采未突水工作面Ts－M關(guān)系圖。

然后將四礦區(qū)突水工作面與淮北礦區(qū)未突水工作面Ts－M的關(guān)系，投放在同一坐標圖上，見圖3，其中棱形點代表突水工作面，方形點代表未突水工作面。由圖3 可見，以圖中折線為分界，突水工作面多位于折線上方，未突水工作面位于折線下方。隔水層厚度大于80 m 的工作面，突水系數(shù)臨界值可以達0.15 MPa/m 以上。由圖2 得出突水系數(shù)與隔水層厚度的函數(shù)關(guān)系如圖3所示。

4.2 Ts-q 安全性評價方法

礦井發(fā)生突水的必要條件是水源和通道，在底板充水含水層富水性很弱的情況下，此時的含水層可視為隔水層，由于沒有充水水源，即使突水系數(shù)超過規(guī)定臨界值，工作面往往不會發(fā)生突水甚至沒有突水，因此引入反應充水含水層富水性的指標，鉆孔單位涌水量q，通過統(tǒng)計分析肥城礦區(qū)、焦作礦區(qū)和淄博礦區(qū)的216 個突水點資料(見表3)，提出了突水系數(shù)與鉆孔單位涌水量評價法，即Ts－q法來評價灰?guī)r水體上開采安全性。

表3 肥城、焦作、淄博三礦區(qū)突水點所占比例統(tǒng)計表 (%)

綜合三礦區(qū)216 個突水點資料，其中小突水點87 個;中等突水點114 個;大及特大突水點15 個。表3 數(shù)據(jù)顯示，Ts＜(0.04MPa·m－1)時，各類突水點都較少，Ts＜(0.01 MPa·m－1)時，沒有突水點;大中突水主要集中在q＞2(L·s－1·m－1)，占大中突水點總數(shù)的97.7%;小突水主要發(fā)生在0.1＜q＜2(L·s－1·m－1)，q＜0.1(L·s－1·m－1)時，突水點較少，只有小突水點，點總數(shù)的3.2%。

同樣以q值為橫坐標，以Ts值為縱坐標，得到三礦區(qū)突水點Ts－q特征圖如圖4所示。

圖4(a)顯示，小突水點主要分布在q＜2(L·s－1·m－1)的范圍內(nèi)，突水點大都位于Ts=0.00～0.25(MPa·m－1)的范圍內(nèi)，將縱坐標縮小到0～0.2(MPa·m－1)的范圍，得到圖4(b);將縱坐標縮小到0.0～0.1(MPa·m－1)的范圍，橫坐標分別放大到0～2、1.0～5.0 和0.00～0.10(L·s－1·m－1)之間，得到圖4(c)、4(d)和圖4(e)。

圖4 顯示:小突水點多位于直線q=2(L·s－1·m－1)左側(cè)，從突水水量來看，橫坐標越靠近0 點，突水水量越小;突水系數(shù)Ts＜0.04(MPa·m－1)時，小突水點較少;q＜0.1(L·s－1·m－1)時，突水點較少;q＜0.06(L·s－1·m－1)時，無突水點;Ts＜0.04(MPa·m－1)，而q＞2(L·s－1·m－1)時，中等突水點增多;Ts＜0.01(MPa·m－1)時，突水點很少。

通過以上圖解，可得出一條折線，折線與縱、橫坐標軸之間區(qū)域的突水點突水量＜60(m3·h－1)，考慮一定的安全系數(shù)，適當縮小折線與坐標軸之間的范圍，得到折線A，折線A 與縱、橫坐標軸之間的區(qū)域作為底板突水安全性評價的相對安全區(qū)域如圖5所示。

由此得到灰?guī)r水體上開采安全性評價新方法:Ts－q法如圖6所示，其橫坐標為含水層富水性指標q，縱坐標為突水系數(shù)Ts。實際應用時，計算工作面的突水系數(shù)，再根據(jù)灰?guī)r含水層富水性指標q，填繪在Ts－q安全性評價法示意圖上，得到對應的一點，當此點位于折線A 與坐標軸之間時，即認為工作面無突水危險，當工作面位于圖中空白區(qū)時，則具有突水危險，并隨著q值或Ts值增大，即距離折線A 距離愈大則突水危險性愈高。

5 結(jié)論

1)淮北臨渙、渦陽礦區(qū)構(gòu)造格局，松散層含隔水層結(jié)構(gòu)，太灰含水層埋藏條件和10 煤層開采方法是臨渙、渦陽礦區(qū)太灰含水層形成典型高承壓弱富水水文地質(zhì)特征的主要因素。

2)高承壓弱富水灰?guī)r含水層具有水壓高，工作面開采突水系數(shù)超過安全臨界值;富水性弱，抽放水試驗，抽(放)水量較小，水位降深大，疏降漏斗呈V 字形等水文地質(zhì)特征。

3)使用突水系數(shù)－隔水層厚度法(Ts－M法)結(jié)合突水系數(shù)－單位涌水量法(Ts－q法)，評價灰?guī)r水體上開采安全性，解決了煤礦深部開采高承壓、弱富水灰?guī)r含水體上開采傳統(tǒng)的突水系數(shù)價法評價水害治理工程依據(jù)不充分及防治水工程量大等問題。該評價方法在淮北礦區(qū)已得到廣泛的推廣應用，并取得了較好的經(jīng)濟和安全效益。

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