深部開采底板突水危險評價的應用研究

袁艷平

（晉能控股煤業(yè)集團云岡礦地質(zhì)測量部，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險。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[1]。為保證煤礦安全開采，研究深部開采巖溶裂隙水的運移、富水規(guī)律，科學評價突水危險性，為深部開采有效防治突水危險提供基礎(chǔ)信息。

1 煤層深部開采突水危險

鑒于我國華北地區(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，再到弱；順層方向上巖溶發(fā)育由強到弱[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，底板突水危險發(fā)生的可能性逐漸增大：同時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困難，增加深部高壓、超高壓巖溶裂隙水探測的難度等，使煤礦開采難度增加。

2 深部開采煤層底板突水評價方法

帶壓開采突水性評價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)分析底板突水危險程度的臨界值為0.06～0.15 MPa/m。實踐證明，水壓小于3 MPa 時，采用該方法比較合理。但對于深部開采，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，此時利用突水系數(shù)法評價突水危險不再準確。因此，必須引入另一參數(shù)：單位涌水量q，提出突水危險程度評價新方法：即TS-q 法[4]。文章收集了云岡礦區(qū)204 個突水點資料，如表1所示。包括水壓、相對隔水層厚度、q 值，利用這些數(shù)據(jù)資料，建立TS-q 底板突水危險程度評價法。

表1 云岡礦突水點數(shù)據(jù)統(tǒng)計

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

圖1 云崗礦突水點TS-q

圖2 TS-q 法底板突水危險程度評價

3 TS-q 法的應用

3.1 突水系數(shù)計算公式

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)學計算公式為：

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 為承壓水遞進導升高度[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，應用上述改進公式計算研究區(qū)域的TS值，根據(jù)計算結(jié)果繪制突水系數(shù)等值線，并根據(jù)危險程度的不同進行分區(qū)，如圖4所示。

圖4 研究區(qū)突水系數(shù)等值線及突水危險區(qū)域劃分

觀察突水系數(shù)等值線圖，“1”表示的區(qū)域為突水系數(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)域均為高突水風險區(qū)，其中還存在部分突水系數(shù)大于0.14 的區(qū)域，為極高突水危險區(qū)，不可開采或需采取專項防治措施。

3.2 應用效果分析

綜合研究圖2，TS-q 法底板突水危險程度評價見圖4，研究區(qū)域突水系數(shù)等值線圖及突水危險區(qū)域劃分圖，確定q＜0.01 L/（s·m）時為相對安全區(qū)，得到用TS-q 法評價的突水危險程度分區(qū)圖，如圖5所示。

圖5 TS-q 法評價的研究區(qū)突水危險程度分區(qū)

在引進突水系數(shù)- 單位涌水TS-q 評價法時，不僅考慮了突水系數(shù)，同時也考慮了單位涌水量，加入了含水層富水性因素，擴大了突水安全區(qū)和相對安全區(qū)，是對突水系數(shù)評價法的補充。尤其適合應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的評價，使深部開采高承壓突水危險程度評價更加精準，對深部煤層的安全開采有重要的指導意義。

4 結(jié)論

通過研究應用煤礦深部開采底板突水危險程度評價辦法，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，發(fā)現(xiàn)原有突水系數(shù)法評價高承壓、弱富水的深部開采底板突水危險已不適用。

2）通過分析研究云岡礦204 個突水點數(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評價的改進型突水危險評價辦法Ts-q評價法。

3）利用TS-q 評價法對研究區(qū)底板突水危險程度進行評價，獲得突水危險程度分區(qū)圖。采用TS-q 法，擴大了突水安全區(qū)和相對安全區(qū)，評價結(jié)果更加精確。