承壓水體上開采Ts—q雙因素安全評價方法研究

孫尚云

摘要：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。通過研究淮北臨渙、渦陽礦區(qū)構造地質及太灰水文地質條件，界定了太灰含水層高承壓弱富水的水文地質特征。經統(tǒng)計分析淮北、肥城等礦區(qū)200多個突水點突水系數與隔水層厚度、含水層鉆孔單位涌水量之間的關系，提出了Ts-M、Ts-q承壓水體上開采突水系數安全評價方法，解決了煤礦深部承壓水體上開采安全評價依據不充分、防治水工程量大等問題。

關鍵詞：高承壓水體；弱富水；灰?guī)r含水體；安全評價

中圖分類號：P345文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2015）01-0064-06

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)內松散層含四個含水層組成和三個隔水層組，其中厚0～5662 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，對生產影響小。

太原組地層總厚13181～14401 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4970～6668 m，占地層總厚的48%～60%。單位涌水量q=000035～0389L/（s·m）。太灰距10煤層底板的距離5169～6831 m。太灰水位-309～2057 m，受10煤層長期疏水降壓開采影響，太灰水位已經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，屬全隱伏型礦區(qū)。區(qū)內同樣發(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=0000138～00239 L/（s·m），富水性弱。太灰距10煤層厚763～5898 m，厚度變化較大。太灰水水位原始標高為+2041 m， 現(xiàn)為-6509～1576 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。

生產補勘探資料顯示，渦陽、臨渙礦區(qū)太灰含水層q=000035～0389 L/（s·m），富水性弱～中等。受斷裂構造切割影響，礦區(qū)內多數礦井太灰含水層處于相對封閉的水文地質單元，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”的水文地質特征。

2傳統(tǒng)突水系數法評價方法的缺陷

傳統(tǒng)突水系數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突水系數（Ts）經驗臨界值：006～01 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Ts超過01 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)的突水系數方法評價開采安全性時，多數礦井工作面Ts超過006～01 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。根據傳統(tǒng)突水系數法，為消除10煤層開采突水危險，臨渙、渦陽礦區(qū)多數礦井存在安全治理設計無依據，盲目上工程，安全評價依據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

31斷裂構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)內中小型斷裂構造切割控制，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。endprint

32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，巖體裂隙張開程度與所處的地應力場相關，研究結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系。深部巖溶裂隙含水介質所處的應力場，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。

33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

41Ts-M安全性評價方法

調查發(fā)現(xiàn)在煤層底板隔水層較厚的情況下，采用傳統(tǒng)突水系數法計算的突水系數超過規(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，突水系數即使低于臨界值，仍發(fā)生了底板突水。因此僅用突水系數法評價灰?guī)r水體上開采安全性，往往不能完全解決問題。

在傳統(tǒng)突水系數基礎上，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、突水系數等資料，研究底板灰?guī)r水突水危險性與突水系數、底板隔水層厚度之間的關系，提出突水系數與隔水層厚度關系法，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（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。

根據表1統(tǒng)計情況分析，隔水層厚度M≤30 m時，Ts≤006 MPa/m的突水點占突水點總數的517%，00601 MPa/m的突水點占突水點總數的7%； 隔水層厚度3001 MPa/m的突水點占突水點總數的21%。隔水層厚度M<30m的突水占突水點總數的7479%，隔水層厚度30

將上述數據統(tǒng)計成圖，以隔水層厚度為橫坐標，突水系數為縱坐標，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關系圖。

圖1四礦區(qū)突水點Ts-M特征圖

圖2淮北礦區(qū)未突水工作面Ts-M的關系圖

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， 突水系數臨界值可以達015 MPa/m以上。由圖2得出突水系數與隔水層厚度的函數關系如圖3所示。

Ts= 16000M+002，8

圖3突水系數與隔水層厚度關系圖

42Ts-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（%）

突水特征占總數比例/%Ts<0.04 （MPa·m-1）Ts<0.01 （MPa·m-1）q>2（L·s-1·m-1）q<0.1（L·s-1·m-1）0.110（L·s-1·m-1）

小突水點40.3 4.200.53.236.60.0

中等突水點52.815.3051.40.01.413.0

大、特大突水點6.91.406.90.00.06.9

注：小突水點：Q≤60 m3/h，中等突水點：60600 m3/h

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數據顯示，Ts<（004 MPa·m-1）時，各類突水點都較少，Ts<（001 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），占大中突水點總數的977%； 小突水主要發(fā)生在01

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肥城、焦作、淄博三礦區(qū)突水點Ts-q特征圖

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，突水點大都位于Ts=000～025（MPa·m-1）的范圍內，將縱坐標縮小到0～02（MPa·m-1）的范圍，得到圖4（b）；將縱坐標縮小到00～01（MPa·m-1）的范圍，橫坐標分別放大到0～2、10～50和000～010（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，從突水水量來看，橫坐標越靠近0點，突水水量越?。煌凰禂礣s<004（MPa·m-1）時，小突水點較少；q<01（L·s-1·m-1）時，突水點較少；q<006（L·s-1·m-1）時，無突水點；Ts<004（MPa·m-1），而q>2（L·s-1·m-1）時，中等突水點增多；Ts<001（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，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。

q/（L·s-1·m-1）

圖5Ts-q法相對安全區(qū)示意圖

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Ts。實際應用時，計算工作面的突水系數，再根據灰?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。

圖6Ts-q安全性評價法示意圖

5結論

1） 淮北臨渙、渦陽礦區(qū)構造格局，松散層含隔水層結構，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字形等水文地質特征。

3） 使用突水系數-隔水層厚度法（Ts-M法）結合突水系數-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)的突水系數價法評價水害治理工程依據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，并取得了較好的經濟和安全效益。

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（責任編輯：李麗，范君）endprint