突水系數(shù)法和板模型理論在煤層底板裂隙突水可能性預(yù)測中的應(yīng)用

許繼影，夏青森

(宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

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突水系數(shù)法和板模型理論在煤層底板裂隙突水可能性預(yù)測中的應(yīng)用

許繼影，夏青森

(宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

以袁店煤礦為例，從煤層底板巖石力學(xué)性質(zhì)、底板隔水特征及底板巖性組合三個方面對煤層底板裂隙特征進(jìn)行分析，同時采用突水系數(shù)法和板模型理論兩種方法對煤層底板裂隙突水進(jìn)行預(yù)測。兩種預(yù)測結(jié)果均顯示，在開采條件下煤層底板存在突水的可能性，開采該煤層時要制定合理的防水措施。

突水系數(shù)法；板模型理論；突水；煤層底板裂隙

礦井水害是指各種水源對礦井生產(chǎn)和安全造成的各種影響。形成礦井水害要具備三個要素：一是充水水源，沒有水源就不會產(chǎn)生水害。二是充水通道，沒有通道，再豐富的水源也到不了井下。三是充水水量[1]，水量大小，一定程度上決定著其所引起事故的大小。研究煤層底板突水主要是對煤層底板裂隙突水的可能性進(jìn)行預(yù)測。近年來，底板裂隙突水預(yù)測方法常用的有“下三帶”理論、突水系數(shù)法、板模型理論、巖水應(yīng)力學(xué)等。本文以淮北煤田臨渙礦區(qū)內(nèi)袁店煤礦101和102采區(qū)為例，對采區(qū)內(nèi)開采的10煤層底板裂隙突水可能性進(jìn)行預(yù)測。由水文地質(zhì)條件和鄰礦的水情分析可知，袁店礦井的災(zāi)害性充水水源主要為太原組灰?guī)r(簡稱太灰)含水層和奧陶系灰?guī)r含水層，其中太灰含水層是袁店煤礦101和102采區(qū)主要的設(shè)防含水層。

1 煤層底板裂隙特征

煤層底板巖石的物理力學(xué)性質(zhì)是關(guān)系到煤層底板突水可能性的決定因素。為了評價煤層底板巖石的阻水能力，從巖性角度分析裂隙后期發(fā)育的可能性，本次對10煤層底板巖石進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 10煤層底板巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果表

根據(jù)巖石抗壓強(qiáng)度，可以把巖石簡單劃分為：硬質(zhì)巖石、中硬巖石、軟質(zhì)巖石三種類型。當(dāng)單軸抗壓強(qiáng)度大于60 MPa時，即為硬質(zhì)巖石。由表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，煤層底板的砂巖屬于硬質(zhì)巖石，開采時易形成采動裂隙，進(jìn)一步可能成為導(dǎo)通地下水的通道。

1.1 底板隔水特征

隔水層厚度及底板巖性組合情況與底板阻水性關(guān)系密切，一般來說，隔水層厚度大，底板阻水能力好，突水的可能性就??；反之，隔水層厚度小，底板阻水能力弱，突水的可能性就大。據(jù)研究區(qū)內(nèi)揭露一灰鉆孔統(tǒng)計(jì)，10煤層底至一灰頂正常間距(真厚)為28.95～61.30 m，平均值為44.18 m。101，102采區(qū)范圍內(nèi)底板隔水層整體厚度較厚，但102采區(qū)南端相對較薄。

1.2 隔水底板巖性組成

分析101，102采區(qū)中所有揭露10煤層和一灰鉆孔資料(見表2)。多數(shù)鉆孔揭露一灰直接頂是砂巖(較多分布在102采區(qū))，有3個鉆孔揭露一灰直接頂是泥巖(較多分布在101采區(qū))，其中10煤層底板至一灰頂正常間距(真厚)為28.95～61.30 m，泥巖段厚度為0～54.50 m，砂巖段厚度為2.00～46.04 m，砂泥比為0.04～147.43。在理論上，一般認(rèn)為隔水層泥巖的含量越大，其阻隔水能力越強(qiáng)。

2 底板裂隙突水預(yù)測

底板裂隙是否突水，不僅取決于底板隔水層的阻水能力，更主要取決于承壓含水層的水頭壓力。而突水量的大小(突水強(qiáng)度)則取決于含水層的富水性。在此，重點(diǎn)討論在自然水頭壓力作用(非疏降開采情況)下，根據(jù)突水系數(shù)法和板模型理論預(yù)測底板裂隙突水可能性的問題。

表2 10煤層底至一灰頂砂泥巖厚度統(tǒng)計(jì)表

2.1 突水系數(shù)法預(yù)測突水可能性

突水系數(shù)計(jì)算公式為[2]

T=P/M。

(1)

式中：T——突水系數(shù)(MPa/m)，P——底板隔水層承受的水壓(MPa)，M——底板隔水層厚度(m)。 據(jù)研究區(qū)內(nèi)04-69，06-26孔太灰水抽水試驗(yàn)，袁店煤礦平均靜止水位標(biāo)高為+18.869 m，研究區(qū)10煤層開采水平為-470～-748 m，結(jié)合淮北煤田各生產(chǎn)礦井實(shí)測資料，炮采和機(jī)采對煤層底板破壞深度分別為8～10 m和12 m。

修正后的突水系數(shù)計(jì)算公式為[3]

TS=0.0098×(18.869+h)/M。

(2)

式中：TS——修正后的突水系數(shù)(MPa/m)，h——開采水平，M——底板隔水層厚度(m)。

結(jié)合揭露灰?guī)r鉆孔數(shù)據(jù)，計(jì)算出101，102采區(qū)內(nèi)太灰水突水系數(shù)(見表3)，同時估算礦井后期擬開采水平在-300～-750 m之間時太灰水的突水系數(shù)值(見表4)。

表3 采區(qū)太灰水突水系數(shù)計(jì)算表

表4 太灰水突水系數(shù)估算表

從表4可以看出，不同開采水平和不同隔水層厚度，突水系數(shù)之間差異比較大。根據(jù)《礦井水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB12719-91)及《煤礦防治水規(guī)定》，就國內(nèi)實(shí)際資料看，正常塊段突水系數(shù)TS應(yīng)不大于0.1 MPa/m，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)TS應(yīng)不大于0.06 MPa/m。綜合分析，研究區(qū)10煤層開采突水系數(shù)幾乎都超過了0.06 MPa/m，尤其10煤層底板受五溝-楊柳斷層及F4，DF14，F(xiàn)2斷層影響，突水系數(shù)變得很大，其中06-26孔突水系數(shù)達(dá)到0.165 5 MPa/m，是0.06MPa/m的2.76倍。2.2 板模型理論預(yù)測突水可能性

在采動影響下，采動導(dǎo)水裂隙帶和導(dǎo)升帶起不到阻隔承壓水的作用，因此底板巖層是否發(fā)生突水，主要取決于有效隔水層保護(hù)帶的厚度和本身的承載能力，在承壓水的作用下，隔水層會像薄板一樣產(chǎn)生彎曲變形[4]。

根據(jù)彈塑性理論，以巖體抗剪強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度為破壞準(zhǔn)則，薄板模型的底板隔水帶巖層能承受的極限水壓力計(jì)算公式分別為[5]

以巖體抗剪強(qiáng)度為破壞準(zhǔn)則：

p1=A1h22τ0+γh>p。

(3)

以巖體抗拉強(qiáng)度為破壞準(zhǔn)則：

p2=A2h22σT+γh>p。

(4)

(5)

(6)

式中：p1，p2——極限水壓力；p——實(shí)際水壓；K1，K2——安全系數(shù)；h2——底板隔水層帶的厚度；τ0——底板巖層的平均抗剪強(qiáng)度；γ，v——底板巖層的容重和泊松比；σT——底板巖體的平均抗拉強(qiáng)度；Lx，Ly——研究區(qū)域的長和寬，其中Lx=max(Lx，Ly)。

據(jù)表1可知，煤層底板巖體的抗拉強(qiáng)度低于其抗剪強(qiáng)度，因此，在本研究中利用巖體抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則公式計(jì)算[6]。

對于袁店煤礦101采區(qū)1011工作面，取工作面沿傾斜方向的寬度Lx=150 m，走向長度取采面煤壁到采空區(qū)基本壓實(shí)的距離Ly=140 m，底板巖層總厚度取52 m計(jì)算，開采水平為-748 m，底板水壓力取2.0 MPa，底板破壞深度按13.7 m計(jì)算，故有效隔水層厚度為38.3 m。底板巖體的抗拉強(qiáng)度為σT=3.12 MPa，容重γ=2 706 N/m3，取安全系數(shù)為1.2，將以上參數(shù)帶入公式(4)中，計(jì)算得到：p2=2.895 3 MPa>2.0 MPa。

對于袁店煤礦102采區(qū)1021工作面，取工作面沿傾斜方向的寬度Lx=140 m，走向長度取采面煤壁到采空區(qū)基本壓實(shí)的距離Ly=120 m，底板巖層總厚度取48 m計(jì)算，開采水平為-470 m，底板水壓力取為2.0 MPa，底板破壞深度按13.7 m計(jì)算，故有效隔水層厚度為34.3 m。底板巖體的抗拉強(qiáng)度為σT=3.12 MPa，容重γ=2 706 N/m3，取安全系數(shù)為1.2，將以上參數(shù)帶入公式(4)中，計(jì)算得到：p2=2.339 9 MPa>2.0 MPa。

根據(jù)板模型理論計(jì)算結(jié)果可知，在101和102采區(qū)開采時底板存在突水的可能性。

3 結(jié)論

(1)通過分析袁店煤礦10煤層底板巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、底板隔水特征及底板巖性，得出巖體屬硬質(zhì)巖石，開采易形成采動裂隙，底板巖性組合多為砂巖段，這為地下水提供了良好的富水空間。

(2)采用突水系數(shù)法和板模型理論兩種方法，對10煤層底板裂隙突水可能性進(jìn)行預(yù)測，均得出在開采條件下底板存在突水的可能性，因此深部開采10煤層需要采取嚴(yán)格的灰?guī)r水防治措施。

[1] 武強(qiáng)，張志龍，馬積福.煤層底板突水評價的新型實(shí)用方法Ⅰ——主控指標(biāo)體系的建設(shè)[J].煤炭學(xué)報，2007，32(1)：42-47.

[2] 王計(jì)堂，王秀蘭.突水系數(shù)法分析預(yù)測煤層底板突水危險性的探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(7)：106-111.[3] 李忠建，魏久傳，郭建斌，等.運(yùn)用突水系數(shù)法和模糊聚類法綜合評價煤層底板突水危險性[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37(1)：24-26.

[4] 郝延錦，吳立新，戴華陽.用彈性板理論建立地表沉陷預(yù)計(jì)模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(s1)：2958-2962.

[5] 李肖音，高峰，鐘衛(wèi)平.基于板模型的采場頂板破斷機(jī)理分析[J].采礦與安全工程學(xué)報，2008，25(2)：180-183.

[6] 李偉利，葉麗萍.基于板模型對采場底板破壞與突水機(jī)理研究[J].煤炭技術(shù)，2011，30(1)：88-89.

(責(zé)任編校：白麗娟)

On the Application of Water Inrush Coefficient Method and Plate Model Theory in the Prediction of Water Inrush Potential in Coal Seam Floor Cracks

XU Ji-ying， XIA Qing-sen

(School of Resources and Civil Engineering， Suzhou University， Suzhou 234000，China)

With Yuandian Coal Mine as an example， the authors of this paper have analyzed the characteristics of coal seam floor cracks from three aspects: the mechanical properties， the waterproofness and the lithological combination of the coal seam floor. They have also predicted the water inrush from coal seam floor cracks with the water inrush coefficient method and plate model theory. The results of the two predictions show that there is possibility of water inrush from coal seam floor cracks under mining conditions， and precautionary measures should be taken when the coal seam is mined.

water inrush coefficient； plate model theory； water inrush

宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心開放課題(2015SZXTZXKF03)；宿州學(xué)院校級科研項(xiàng)目(2014YKF03)；國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(20151039019)

許繼影(1986-)，女，安徽淮北人，助教，碩士，主要從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)研究。

X936；TD745+.21

A

1672-349X(2016)06-0021-04

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.06.006