東灘煤礦五七采區(qū)3 煤層開采底板水害特征研究

馮魯順

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城273500）

0 引 言

80%左右的工作面底板突水事故發(fā)生在含斷層等地質(zhì)構(gòu)造的位置[1]。斷層帶巖體裂隙較發(fā)育，膠結(jié)程度差，不僅會(huì)影響圍巖的性質(zhì)，降低其強(qiáng)度指標(biāo)及變形模量，而且也使巖體的滲透性質(zhì)發(fā)生改變[2]。斷層周圍巖體應(yīng)力變化也會(huì)引起孔隙水壓的改變，影響地下水流量與水壓力，而水壓的改變又反過來作用巖體應(yīng)力的變化，采動(dòng)斷層在礦壓和地下水壓的共同作用下發(fā)生錯(cuò)動(dòng)活化并伴生裂隙[3]，這些區(qū)域煤層開采時(shí)更容易導(dǎo)致突水事故的發(fā)生。

東灘煤礦中心區(qū)域主采的3 煤層已基本開采完畢，五七采區(qū)開采已提上規(guī)劃。五七采區(qū)內(nèi)斷層十分發(fā)育、密度大，斷層的賦水、導(dǎo)含水性等均需要進(jìn)一步探查，還有3 上煤層露頭分布區(qū)等不利條件，底板水害問題將給煤炭開采造成較大的困難。通過對(duì)兩個(gè)采區(qū)斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度的分區(qū)及風(fēng)氧化帶附近3 煤層底板富水性、阻水性分析研究，可以為采區(qū)內(nèi)3 煤層開采水害防治及合理布置提供重要的參考依據(jù)。

1 煤礦底板水害研究現(xiàn)狀

1.1 帶壓開采底板突水機(jī)理研究

在帶壓開采底板突水機(jī)理研究方面，國外方面有固定梁均荷載強(qiáng)度理論、Hoek-Brown 巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則和臨界能量釋放觀點(diǎn)的底板承載能力評(píng)價(jià)理論等；國內(nèi)較具代表性的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)有薄板結(jié)構(gòu)理論、“下三帶”理論、“關(guān)鍵層”理論及底板移動(dòng)原位張裂和零位破壞理論等[4-7]。這些研究理論從不同角度為揭示煤層采動(dòng)條件下底板突水規(guī)律、底板突水預(yù)測及開采安全性論證、編制開采安全規(guī)程等都提供了重要的理論依據(jù)。

1.2 煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)研究

突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)主要著眼于底板充水因素與底板阻水能力的關(guān)系對(duì)比。在國內(nèi)外應(yīng)用較普遍的突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法分別為相對(duì)隔水層法和突水系數(shù)法。

1.2.1 相對(duì)隔水層厚度法

相對(duì)隔水層厚度是等值隔水層厚度與水壓力值之比。它是基于大量的底板突水實(shí)例的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果提出來的，綜合反映了底板巖層的隔水能力、水壓力作用強(qiáng)度及底板巖層組合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等相關(guān)因素的關(guān)聯(lián)性特征，量值上由式（1）表征：

式中：mi為底板隔水層各分層厚度，m；δi為隔水層各分層阻(隔)水性能的質(zhì)量等值系數(shù)；P為作用于隔水層的水柱壓力，10-1MPa；γ為單位水柱壓力所必要的等值隔水層厚度，簡稱相對(duì)隔水層厚度，m/MPa；mo：底板采動(dòng)變形、破壞形成的無效隔水層厚度，可實(shí)測取得或根據(jù)類似條件礦井經(jīng)驗(yàn)確定。

國外經(jīng)驗(yàn)為相對(duì)隔水層厚度大于1.5m/atm 的情況下，開采過程中基本不突水，而80%～88%的突水都是相對(duì)隔水層厚度小于此值。由此，一般以相對(duì)隔水層厚度≥2m/atm 作為煤層底板突水的臨界條件。

1.2.2 突水系數(shù)法

“突水系數(shù)”常用于作為底板帶壓開采突水預(yù)測預(yù)報(bào)的量化指標(biāo)，其物理意義表征為底板單位厚度隔水層所承受的極限水壓值：

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；P為水壓，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

Ts為臨界突水系數(shù)。如果Ts＞T, 表明底板隔水層穩(wěn)定, 一般不發(fā)生突水現(xiàn)象; 如果Ts≤T, 則很可能發(fā)生底板突水現(xiàn)象。臨界突水系數(shù)是我國學(xué)者基于大量的礦區(qū)底板突水資料得出的，其數(shù)值一般在0.06～0.100MPa/m[8]。

考慮到底板采動(dòng)變形破壞對(duì)底板阻水能力的影響，在式（2）基礎(chǔ)上提出了突水系數(shù)的修正式（3），后作為帶壓開采底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)依據(jù)。

式中：CP為底板采動(dòng)破壞深度，其他符號(hào)物理意義同前。

至1980 年代，有研究者注意到底板因隔水巖層力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)及巖層組合結(jié)構(gòu)等不同而顯現(xiàn)的阻水能力的明顯差異，在借鑒等值隔水層厚度力學(xué)意義基礎(chǔ)上，提出了考慮底板巖石隔水性能差異的突水系數(shù)計(jì)算公式（4）：

式中：Mi為隔水層底板各分層厚度，m；mi為各分層等效厚度換算系數(shù)，其他符號(hào)含義同前。

上述突水系數(shù)的表征方式由于隔水巖層的界定不同，式（2）中的隔水層厚度包括了其間分布的含水、透水巖層；式（3）和式（4）中的隔水層則是指煤層和充水含水層間隔巖層中的不含水、不透水巖層。

由于突水系數(shù)法明顯、直接反映了突水水動(dòng)力條件與底板阻隔水條件的關(guān)系對(duì)比，與底板突水力學(xué)機(jī)制的理論相符合，且與相對(duì)隔水層厚度有相近的力學(xué)意義，因此，目前已成為我國煤礦帶壓開采底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的基本方法。

2 存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

工作面采動(dòng)底板充水可能性實(shí)際上主要取決于底板巖層的巖性組合及其結(jié)構(gòu)狀態(tài)（主要是巖層完整程度），而現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法只考慮了底板間隔層厚度，對(duì)巖層組合結(jié)構(gòu)及其完整性的影響基本沒有反映出來；另一方面，由于不同礦區(qū)間的地質(zhì)條件差異，根據(jù)實(shí)際水文地質(zhì)條件計(jì)算的突水系數(shù)也差別很大，無法采取一個(gè)共有的標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)底板充水的臨界指標(biāo)。

采用突水系數(shù)法評(píng)價(jià)帶壓開采底板突水危險(xiǎn)性的關(guān)鍵是如何合理確定出突水臨界值，對(duì)于底板突水危險(xiǎn)性研究，構(gòu)造控水性是焦點(diǎn)問題，需要解決的問題涉及兩方面，其一是底板阻水條件的構(gòu)造效應(yīng)，其二是采動(dòng)底板變形引起的斷層導(dǎo)水性活化判別。這也是目前底板帶壓開采安全條件研究中尚未解決的技術(shù)難題和預(yù)探討的發(fā)展趨勢(shì)。

3 五七采區(qū)底板水害研究重點(diǎn)內(nèi)容

3.1 構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)研究

五七采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)根據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)、采掘揭露和物探等資料揭露的斷層進(jìn)行系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析，從工程地質(zhì)力學(xué)角度深入分析斷裂構(gòu)造的控水性，確定構(gòu)造復(fù)雜性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)研究。

1）整理、分析和評(píng)價(jià)五七采區(qū)3 煤帶壓采掘底板主要充水含水層富水性及賦存條件，特別是奧灰含水層賦存條件；

2）采用分形分維方法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行復(fù)雜構(gòu)造程度分區(qū)研究；

3）利用鉆孔資料進(jìn)行頂?shù)装鍘r性結(jié)構(gòu)指數(shù)分區(qū)研究；

4）系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)研究區(qū)東部嶧山邊界斷層及其派生斷層的導(dǎo)含水性及控水性。

3.2 室內(nèi)試驗(yàn)及涌水量預(yù)測研究

1）結(jié)合五七采區(qū)地面施工補(bǔ)勘孔進(jìn)行現(xiàn)場典型層位（標(biāo)志層和斷層及風(fēng)氧化帶）編錄、鉆孔取樣和RQD 統(tǒng)計(jì)分析研究，現(xiàn)場進(jìn)行孔壁觀測試驗(yàn)；

2）進(jìn)行室內(nèi)斷層帶和風(fēng)氧化帶附近巖層巖石的物理、力學(xué)和水穩(wěn)性實(shí)驗(yàn)；

3）建立典型的采掘工程地質(zhì)模型，進(jìn)行底板變形破壞特征的數(shù)字模擬；

4）兩個(gè)采區(qū)的涌水量預(yù)測評(píng)價(jià)研究。

3.3 斷層活化及風(fēng)氧化帶水害綜合研究

1）在研究內(nèi)容以上研究的基礎(chǔ)上，建立3 煤層帶壓開采帶斷層的工程地質(zhì)模型，采用解析或數(shù)值模擬方法進(jìn)行采動(dòng)斷層活化臨界條件模擬研究；

2）根據(jù)兗州礦區(qū)現(xiàn)場壓滲部分成果進(jìn)行斷層阻滲性量化評(píng)價(jià)研究；

3）對(duì)兩個(gè)采區(qū)3 煤層開采典型斷層防水煤柱和風(fēng)氧化帶煤柱留設(shè)進(jìn)行綜合分析。

在東灘煤礦五七采區(qū)3 煤層底板巖層及構(gòu)造特征研究中，重點(diǎn)是研究斷層活化、風(fēng)氧化帶富水性、帶壓開采水害等問題，關(guān)鍵點(diǎn)一是考慮采動(dòng)效應(yīng)和斷層效應(yīng)的工程地質(zhì)模型的構(gòu)建；二是風(fēng)氧化帶附近巖樣采集及阻滲能力試驗(yàn)。

4 研究方法及研究可靠性分析

4.1 研究方法

針對(duì)東灘煤礦生產(chǎn)接續(xù)保證礦井穩(wěn)產(chǎn)及可持續(xù)發(fā)展的需要，通過理論分析現(xiàn)場取樣、數(shù)值模擬和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)五七采區(qū)帶壓采掘突水問題的安全可行性進(jìn)行系統(tǒng)研究，建立研究區(qū)開采的工程地質(zhì)模型，分析底板主要充水含水層富水性特征，探討開采擾動(dòng)應(yīng)力對(duì)斷層活化的臨界條件。

1）理論分析方法。采用分形分維理論對(duì)五七采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行分區(qū)，在此基礎(chǔ)上選擇典型斷層進(jìn)行采動(dòng)活化力學(xué)分析。

2）數(shù)值模擬方法。建立研究區(qū)開采的工程地質(zhì)模型，分析底板主要充水含水層富水性特征，探討開采擾動(dòng)應(yīng)力對(duì)斷層活化的可能性，在此基礎(chǔ)上，選擇典型位置進(jìn)行現(xiàn)場斷層采掘過程中的跟蹤水壓東灘監(jiān)測。

3）試驗(yàn)研究方法。就斷層帶和風(fēng)氧化帶進(jìn)行鉆孔取樣，現(xiàn)場進(jìn)行孔壁觀測試驗(yàn)，在室內(nèi)進(jìn)行物理、力學(xué)和水穩(wěn)性實(shí)驗(yàn)。

4.2 研究可靠性

1）近幾年在兗州礦區(qū)較系統(tǒng)對(duì)3 煤深部帶壓開采相關(guān)底板水害問題的研究，東灘煤礦鄰近的興隆莊和鮑店煤礦都有相類似的水文地質(zhì)條件和3煤底板采掘突水的實(shí)踐研究，均進(jìn)行了采動(dòng)底板變形破壞和阻滲性現(xiàn)場實(shí)測，積累有大量底板采動(dòng)變形深度和工作面開采方式方法之間的關(guān)聯(lián)性總結(jié)資料，在合理評(píng)價(jià)東灘煤礦五七采區(qū)突水危險(xiǎn)性方面有較豐富的實(shí)踐參考價(jià)值。

2）東灘煤礦對(duì)五七采區(qū)進(jìn)行了多次不同程度的勘探工作，積累了較系統(tǒng)的鉆孔、物探和采掘相關(guān)資料，對(duì)典型斷層和風(fēng)氧化帶范圍控制程度較高。

5 經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

1）基于研究成果，適時(shí)對(duì)東灘煤礦預(yù)采工作面底板注漿改造方案進(jìn)行優(yōu)化、修改和完善，加強(qiáng)對(duì)斷層部位的重點(diǎn)超前預(yù)警監(jiān)測，保證工作面的安全帶壓回采?？纱蟠鬁p少了鉆孔工程量和漿液消耗量，底板截滲效果也比較理想，大大節(jié)約注漿材料，為安全高效開采提供了重要的技術(shù)保障。

2）利用研究成果解決深部延深斷裂區(qū)域煤層帶壓安全開采的關(guān)鍵問題，豐富深部底板帶壓開采條件評(píng)價(jià)方法及水害預(yù)警技術(shù)，保障了礦井的安全生產(chǎn)。

5.2 社會(huì)效益及推廣應(yīng)用前景

東灘煤礦五七采區(qū)3 煤通過底板注漿或留設(shè)防水煤巖柱進(jìn)行安全帶壓開采，本成果的應(yīng)用可大大提高3 煤資源回收率，社會(huì)效益顯著；另一方面，研究成果可為類似條件礦區(qū)安全帶壓開采提供借鑒，具有廣闊的應(yīng)用前景。

6 結(jié)束語

隨著礦井地質(zhì)條件復(fù)雜程度加深，未來階段東灘煤礦水害問題很大程度上將制約礦井的發(fā)展，給采區(qū)巷道布置、采掘造成較大的困難。因此，對(duì)于煤礦水害問題的治理是刻不容緩的，特別是通過底板水害特征研究，提出相應(yīng)的防治方法和基礎(chǔ)依據(jù)，從而最大化地滿足煤礦井下作業(yè)安全及生產(chǎn)方面的需要。