基于五圖雙系數(shù)法的煤層帶壓開采研究

田午子，李 凱

(1.華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201；2.開灤能源化工股份有限公司 范各莊礦業(yè)分公司，河北 唐山 063108)

0 引言

華北型煤田淺部煤炭資源枯竭，礦井開采向深部延伸。隨著開采深度加大，底板奧灰含水層水壓變大，一般為3～4 MPa，高者達8～11 MPa，帶壓開采成為煤礦的主要開采方式。因此，對煤層底板奧灰水突水危險性預測評價尤為重要。目前，最常用的底板突水預測方法有：突水系數(shù)法、五圖雙系數(shù)法、脆弱性指數(shù)法等[1-4]。突水系數(shù)法簡單方便、參數(shù)容易獲取，但該方法考慮因素較少，有一定的局限性；脆弱性指數(shù)法考慮突水因素全面，但需要以往水文地質(zhì)資料充足；而五圖雙系數(shù)法相比突水系數(shù)法考慮因素較為全面，對比脆弱性指數(shù)法不需要過多資料，適宜突水資料相對不全面的礦井。

范各莊礦屬于華北煤田，目前進入深部帶壓開采，受奧灰水威脅較大。由于該礦目前主要采用突水系數(shù)法進行奧灰突水危險性評價，考慮因素不全面，因此，采用五圖雙系數(shù)法對范各莊礦進行帶壓開采評價研究，與突水系數(shù)法進行對比，并提出相應的防治水措施，對礦井深部安全開采提供參考。

1 研究區(qū)概況

范各莊礦屬于華北型煤田，位于開平向斜東南翼南段，區(qū)內(nèi)褶皺、斷層發(fā)育[5，6]。研究區(qū)位于礦井中部單斜構(gòu)造區(qū)和南部的畢各莊向斜區(qū)，東側(cè)以F0斷層為邊界，如圖1所示。

圖1 礦井構(gòu)造綱要及研究區(qū)位置圖

研究區(qū)地層自下而上為奧陶系、石炭系、二疊系、第四系，目前主采下二疊統(tǒng)趙各莊組的12#煤層。區(qū)內(nèi)地層走向變化不大，傾角在15°以下，以小型斷裂構(gòu)造發(fā)育為主，畢各莊向斜和F0斷層為特征。含水層有沖積層含水層、煤系地層砂巖裂隙承壓含水層、奧陶系巖溶裂隙含水層。研究區(qū)為深部開采，奧灰水頭壓力6～9 MPa，受奧灰水威脅較大。

2 帶壓開采評價

研究區(qū)目前主采12#煤層，受奧灰水威脅較大，因此，對12#煤層進行奧灰水帶壓開采評價研究。

2.1 五圖雙系數(shù)法評價

“五圖雙系數(shù)法”是一種煤層底板水害評價的方法。其中，“五圖”是指底板保護層破壞深度等值線圖、底板保護層厚度等值線圖、煤層底板以上水頭等值線圖、有效保護層厚度等值線圖、帶水頭壓力開采評價圖，“雙系數(shù)”是指“帶壓系數(shù)”和“突水系數(shù)”[7]。該方法主要是根據(jù)影響煤層底板突水的四個因素的統(tǒng)計計算，得出“帶壓系數(shù)”和“突水系數(shù)”，再結(jié)合“三級判別”對來煤礦底板是否會發(fā)生突水、發(fā)生突水的形式以及發(fā)生突水時突水量的大小進行判別，綜合分析形成帶水頭壓力開采評價圖，其流程如圖2所示。

圖2 “五圖雙系數(shù)法”評價流程圖流程圖

2.1.1 “前四圖”的生成

(1) 底板保護層破壞深度等值線圖

在煤層回采過程中，煤層底板的巖層會被礦壓等因素破壞，破壞后的巖層具有導水能力，增加突水的可能性[7]。煤層底板保護層破壞深度即開采煤層的底板到采動裂隙帶的最深處的垂直距離。

本次計算底板保護層破壞深度的經(jīng)驗公式來自全國統(tǒng)計資料[8，9]，如下：

h=0.0085H+0.1665a+0.1079L-4.3579

(1)

式中，h為底板保護層破壞深度，m；H為工作面開采深度，m；a為煤層傾角，此實例中取13°；L為工作面斜長，m。此實例中L取138m。

據(jù)式1，計算結(jié)果見表1，繪制12#煤層底板保護層破壞深度等值線圖如圖3所示。

表1 12#煤層底板帶壓開采“五圖雙系數(shù)法”評價計算表

圖3 12#煤層底板保護層破壞深度等值線圖

(2) 底板保護層厚度等值線圖

煤層底板保護層是阻止奧灰水涌入采掘空間的屏障[7]，其厚度等于煤層底板標高減去奧灰頂界面標高，計算結(jié)果見表1，繪制12#煤層底板保護層厚度等值線圖，如圖4所示。

圖4 12#煤層底板保護層厚度等值線圖

(3) 煤層底板上的水頭等值線圖

煤層底板上的水頭值取自近三年奧灰觀測孔統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的最大水位減去奧灰頂界面標高，計算結(jié)果見表1，繪制12#煤層底板上的水頭等值線圖，如圖5所示。

圖5 12#煤層底板上的水頭等值線圖

(4) 煤層底板有效保護層厚度等值線圖

煤層底板有效保護層是真正具有阻抗水頭壓力能力且起安全保護作用的部分[7]，其厚度等于保護層厚度減去保護層破壞深度，據(jù)圖3和圖4相減計算，得出有效保護層厚度等值線圖，如圖6所示。

圖6 12#煤層底板有效保護層厚度等值線圖

2.1.2 “雙系數(shù)”計算

(1) 帶壓系數(shù)

帶壓系數(shù)是指每米巖層可以阻抗多大水頭壓力的指標[7，8]，即煤底板總體抗壓強度與保護層厚度的比值。根據(jù)巖層抗壓強度換算表(見表2)，計算出巖層總體抗壓強度，并得出帶壓系數(shù)，計算結(jié)果見表1，繪制帶壓系數(shù)等值線圖，如圖7所示。

表2 巖層抗壓強度換算表[9]

圖7 12#煤層底板帶壓系數(shù)等值線圖

(2) 突水系數(shù)

突水系數(shù)是有效保護層厚度與作用其上的水頭值之比[7，8]，則通過圖5與圖6比值計算，得出突水系數(shù)等值線圖，如圖8所示。

圖8 12#煤層底板突水系數(shù)等值線圖(五圖雙系數(shù)法)

2.1.3 帶水頭壓力開采評價圖

(1) 三級判別

三級判別是與雙系數(shù)配合用來判別突水與否、突水形式和突水量變化的三個指標[7]。由圖6可以得出，研究區(qū)的有效保護層厚度均大于0；水文地質(zhì)資料分析得出，研究區(qū)東部邊界F0大斷層富水性較弱且不導水，區(qū)內(nèi)未見陷落柱等其他連通奧灰的導水構(gòu)造。因此，判定研究區(qū)的突水形式為非直通式突水，即為II級判別[8]。

(2) “帶水頭壓力開采評價圖”的生成

運用比值系數(shù)的方法，將帶壓系數(shù)與突水系數(shù)的比值大于1，定義為安全區(qū)；比值小于1，定義為危險區(qū)[8]。如圖9所示，帶壓開采評價結(jié)果表明，研究區(qū)12#煤層奧灰水帶壓開采評價為安全區(qū)。

圖9 帶壓開采評價分區(qū)圖

2.2 突水系數(shù)法評價

“突水系數(shù)法”中“突水系數(shù)”與“五圖雙系數(shù)法”中“突水系數(shù)”含義不同，“突水系數(shù)法”中“突水系數(shù)”定義為底板隔水層(保護層)承受的奧灰水頭壓力[10]，而“五圖雙系數(shù)法”中“突水系數(shù)”定義為有效保護層厚度與作用其上的水頭值之比[7，8]，區(qū)別在于前者為底板隔水層(保護層)厚度，后者考慮了底板保護層破壞深度的影響，表示為有效保護層厚度。

根據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局《煤礦防治水細則》(2018年)附錄五[10]，突水系數(shù)計算如下：

T=P/M

(2)

式中，T為突水系數(shù)，MPa·m-1；P為底板隔水層承受的奧灰水頭壓力，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

據(jù)式(2)計算結(jié)果見表3，繪制12#煤層底板突水系數(shù)等值線圖，如圖10所示。

表3 12#煤層底板帶壓開采“突水系數(shù)法”評價計算表

圖10 12#煤層底板突水系數(shù)等值線圖(突水系數(shù)法)

《煤礦防治水細則》(2018)規(guī)定，底板受構(gòu)造破壞的地段突水系數(shù)一般不得大于0.06 MPa·m-1，隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞的地段不得大于0.1 MPa·m-1 [10]。研究區(qū)煤層底板受構(gòu)造破壞，故選擇0.06 MPa·m-1作為評價指標。由圖10可知，研究區(qū)內(nèi)12#煤層底板奧灰突水系數(shù)都小于0.06 MPa·m-1，屬于安全區(qū)。

2.3 結(jié)果對比

由于突水系數(shù)法簡單方便、參數(shù)容易獲取等特點，是目前該礦最常用的奧灰突水危險性預測方法，但該方法考慮因素較少，只考慮了奧灰水頭壓力和隔水層厚度兩個因素，有一定的局限性。五圖雙系數(shù)法加入了帶壓系數(shù)的概念，考慮了奧灰水頭壓力、隔水層厚度、底板破壞深度、有效隔水層厚以及巖層抗壓強度等多個因素，與突水系數(shù)法相比，準確性相對較高。由于隔水層厚度較大，底板破壞深度影響較小，以及研究區(qū)未發(fā)現(xiàn)導通奧灰的導水構(gòu)造，使得兩種方法評價結(jié)果一致，均表明研究區(qū)12#煤層帶壓開采評價為安全區(qū)。

3 防治水工作建議

經(jīng)五圖雙系數(shù)法和突水系數(shù)法研究表明，研究區(qū)12#煤層為奧灰水帶壓開采安全區(qū)。雖然目前區(qū)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)巖溶陷落柱等導通奧灰的導水構(gòu)造，但在工作面回采時仍然需要重視，進行一定的防治水工作。

(1) 工作面回采前，加強水文地質(zhì)補充勘探。采用物探進行探測，依據(jù)探查結(jié)果，再確定是否用鉆探補充勘探，鉆探設(shè)計終孔層位應選擇開采煤層底板下部滿足安全隔水厚度的適當含水層位，依據(jù)本區(qū)域特點，控制終孔層位選擇在穿過K3為宜。若探查孔有水，需進行水化學特征分析。

(2) 回采前對探查孔進行封孔，但應在工作面回采影響范圍外留有觀測孔，以K3灰?guī)r及12煤底板砂巖含水層為指示層，在工作面回采期間結(jié)合水害監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測指示層含水層水量、水壓、水溫、水質(zhì)等參數(shù)變化情況，發(fā)現(xiàn)有底板高承壓水參與或有出水征兆時，立即停采，采取相應措施。

4 結(jié)論

(1) 研究區(qū)煤層下伏奧灰含水層，水壓6～9 MPa，目前進入深部開采，受奧灰水威脅較大，煤層回采前需要進行帶壓開采評價研究。

(2) 雖然五圖雙系數(shù)法較突水系數(shù)法相比考慮因素較為全面，但由于研究區(qū)隔水層厚度較大，底板破壞深度影響較小，以及暫未發(fā)現(xiàn)導通奧灰的導水構(gòu)造，使得兩種方法結(jié)果一致，均表明研究區(qū)12#煤層奧灰水帶壓開采屬于安全區(qū)。因此，在實際應用過程中，需要較為全面的考慮多種突水因素，結(jié)合礦井實際水文地質(zhì)條件，選擇適宜的評價方法，做到較為準確分析奧灰突水隱患。

(3) 盡管目前的水文地質(zhì)資料以及計算分析，研究區(qū)不受奧灰水威脅，但在回采前對工作面也應加強水文地質(zhì)補充勘探工作，回采期間做好以K3灰?guī)r及12煤底板砂巖含水層為指示層的監(jiān)測工作，確保安全生產(chǎn)。