五圖雙系數(shù)法在煤層底板承壓水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

王立仁

摘 要：在煤礦資源日益匱乏的現(xiàn)實(shí)條件下，深部煤層開采面臨的形勢(shì)越發(fā)嚴(yán)峻，奧灰?guī)r溶突水問題越發(fā)凸顯。以大同塔山煤礦為例，利用五圖雙系數(shù)法對(duì)承壓煤層進(jìn)行突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，以期能為9號(hào)煤層安全開采提供有益支撐。

關(guān)鍵詞：五圖雙系數(shù)法;承壓水;突水;煤礦安全

中圖分類號(hào)：TD745 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）17-0071-03

Abstract： Under the realistic condition of increasingly scarce coal resources， the situation of deep coal seam mining is more and more serious， and the problem of water inrush from Ordovician limestone karst is more and more prominent. Taking Tashan Coal Mine in Datong as an example， this paper evaluated the water inrush risk of confined coal seam by using the method of five charts and two coefficients， in order to provide beneficial support for safe mining of No. 9 coal seam.

Keywords： five-figure double coefficient method;confined water;water inrush;coal mine safety

塔山井田分上下兩個(gè)煤組開采，其中深部的9號(hào)煤層底板等高線值在+955～+1 040m，下部的奧灰?guī)r溶水最高水位在+978m～+1 052m。9號(hào)煤層開采時(shí)大部分區(qū)域?qū)儆诔袎洪_采。因此，為了確保9號(hào)煤層開采安全，指導(dǎo)防治水工作的開展，需要對(duì)9號(hào)煤層底板奧灰水突水危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 水文地質(zhì)概況

塔山井田東側(cè)以煤層露頭為邊界，煤層露頭以東出露寒武-奧陶系灰?guī)r，大氣降水為地下含水層補(bǔ)充水源。井田內(nèi)含煤區(qū)域位于徑流區(qū);井田南側(cè)邊界為地下巖溶水分水嶺;井田西側(cè)以及北側(cè)邊界人為劃定，井田內(nèi)含（隔）水巖層向井田外自然延展，無明顯水力邊界。由于井田內(nèi)巖溶水總體流向?yàn)樽阅蠔|流向北西，因此井田西側(cè)及北側(cè)為排泄邊界。

2 五圖雙系數(shù)法概述

“五圖雙系數(shù)法”是一種常用于對(duì)承壓水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的技術(shù)方法，其中最重要的工作需要圍繞“五圖”“雙系數(shù)”和“三級(jí)判別”來進(jìn)行[1，2]。具體的“五圖”“雙系數(shù)”以及“三判別”如表1所示[3，4]。

3 評(píng)價(jià)應(yīng)用

3.1 9號(hào)煤層底板破壞帶深度等值線

采用式（1）經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)9號(hào)煤層開采之后對(duì)底板造成的破壞深度進(jìn)行確定：

（1）

其中：h表示9號(hào)煤層底板破壞深度（底板導(dǎo)水帶深度）（m）;[L]表示回采工作面傾向斜長(zhǎng)度（m）;[H]表示工作面采深（m）;[a]表示9號(hào)煤層傾角（°）。根據(jù)公式（1）綜合確定9號(hào)煤層底板破壞深度，具體如圖1所示。

3.2 底板保護(hù)層厚度等值線

9號(hào)煤層與下部的奧陶系含水層之間的隔水層巖性粉砂巖、呈灰白色砂質(zhì)泥巖、泥巖以及中、細(xì)砂巖為主，隔水層下部主要以泥巖為主，含鋁質(zhì)土[5]。具體的9號(hào)煤層底板隔水層厚度變化如圖2所示。從圖2可知，井田內(nèi)9號(hào)煤層底板隔層厚度為30～54m，總體呈自西南向東北逐漸變大的趨勢(shì)。

3.3 煤層底板以上水頭等值線

井田內(nèi)9號(hào)煤層底板標(biāo)高為+955～+1 040m，巖溶水水位標(biāo)高為+978m～+1 052m。通過對(duì)比，各鉆孔9號(hào)煤層底板標(biāo)高也均低于巖溶水位標(biāo)高，故9號(hào)煤層在可采區(qū)內(nèi)全區(qū)帶壓（見圖3）。

3.4 有效保護(hù)層厚度等值線

9號(hào)煤層有效保護(hù)層厚度（[H有效]）是煤層頂板保護(hù)層厚度（[H保護(hù)]）減去煤層開采后底板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度（h），即

（2）

有效保護(hù)層厚度能抵抗下部承壓含水層水頭壓力，對(duì)煤層開采起到主要的保護(hù)作用。具體的9號(hào)煤層有效保護(hù)層厚度（[H有效]）等值線如圖4所示。

3.5 帶壓系數(shù)

通過底板等效泥巖隔水層厚度計(jì)算出隔水層的總體抗壓強(qiáng)度，利用公式（3）計(jì)算得出帶壓系數(shù)。

（3）

式中：T表示帶壓系數(shù)（MPa/m）;[P總]表示隔水層的總體抗壓強(qiáng)度（MPa）;[H有效]表示煤底有效隔水層厚度（m）。

當(dāng)帶壓系數(shù)大于突水系數(shù)時(shí)為安全區(qū)，帶壓系數(shù)小于突水系數(shù)時(shí)為危險(xiǎn)區(qū)。具體的帶壓系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

3.6 突水系數(shù)

“五圖雙系數(shù)法”突水系數(shù)計(jì)算公式為：

（4）

式中：[Ts]表示突水系數(shù)（MPa/m）;[P]表示9號(hào)煤層底板隔水層受到的靜水壓力（MPa）;[H有效]表示底板有效隔水層厚度（m）。

具體計(jì)算出的9號(hào)煤層底板突水系數(shù)如表3所示。

3.7 三級(jí)判別

3.7.1 Ⅰ級(jí)判別。由上述分析，井田內(nèi)9號(hào)煤層X1陷落柱附近區(qū)域也可能發(fā)生直通式突水;9號(hào)煤層底板有效隔水層厚度為15.14～37.53m，平均23.73m，正常塊段發(fā)生直通式突水的可能性小。因此，在斷層發(fā)育區(qū)域發(fā)生直通式突水的可能性也較小。

3.7.2 Ⅱ級(jí)判別。通過帶壓系數(shù)與突水系數(shù)的對(duì)比可知，各鉆孔9號(hào)煤層的帶壓系數(shù)均大于突水系數(shù)，因此，根據(jù)帶壓系數(shù)判別，各煤層發(fā)生非直通性突水的可能性小。

根據(jù)突水系數(shù)判別，9號(hào)煤層可采區(qū)內(nèi)突水系數(shù)為0.026 0～0.046 3MPa/m，小于構(gòu)造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06MPa/m，因此，9號(hào)煤底板巖溶水非直通式突水可能性小。井田內(nèi)發(fā)生非直通式突水的突水形式主要為開采過程中巖溶水有可能通過原始導(dǎo)升帶、斷層活化裂隙和底板采動(dòng)破壞裂隙以組合通道方式突水。

3.7.3 Ⅲ級(jí)判別。根據(jù)Ⅰ、Ⅱ級(jí)判別結(jié)果，各煤層發(fā)生直通式和非直通式突水的可能性都小?？傮w而言，由于井田內(nèi)寒武-奧陶系巖溶水富水性弱，煤層底板承壓水頭小于1MPa，一旦發(fā)生突水，在初期突水量可能較大，而后會(huì)逐漸減小，井田靠近區(qū)域巖溶水的排泄區(qū)，并可接受東部灰?guī)r裸露區(qū)的補(bǔ)給，因此，后期突水量將會(huì)穩(wěn)定，穩(wěn)定水量較小，但不易衰竭。從平面上煤層底板帶壓狀況來看，在井田東北部，水壓由西南向東北變大，突水量也呈自西南向東北增大的趨勢(shì)。

4 9號(hào)煤層帶壓開采評(píng)價(jià)分區(qū)圖

由三級(jí)判別可知，由于陷落柱可直接導(dǎo)通巖溶含水層，井田西北角的X1陷落柱附近區(qū)域可能發(fā)生直通式突水，其余區(qū)域9號(hào)煤層發(fā)生直通式和非直通式突水概率都比較低。

由于X1陷落柱具有導(dǎo)水性，且與下部的承壓含水層（奧灰水）之間有水力聯(lián)系，X1陷落柱影響范圍附近區(qū)域的突水危險(xiǎn)性為直通式，其他區(qū)域無突水危險(xiǎn)性。但是，在對(duì)9號(hào)煤層開采期間，應(yīng)強(qiáng)化物探以及鉆探工作，防止其他隱伏構(gòu)造導(dǎo)水，從而影響9號(hào)煤層開采安全。9號(hào)煤層帶壓開采評(píng)價(jià)分區(qū)如圖5所示。

5 結(jié)論

通過采用五圖雙數(shù)法對(duì)塔山井田9號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，9號(hào)煤層底板奧灰水的突水系數(shù)（T）為0.027 2～0.045 9MPa/m，小于突水的臨近判定指標(biāo)（0.06MPa/m）。由于X1陷落柱具有導(dǎo)水性，因此，在X1陷落柱附近發(fā)生直通式突水的可能性比較高，其余區(qū)域突水概率比較低，但是，煤炭開采時(shí)也應(yīng)重視物探及鉆探工作，確保開采工作安全進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

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