突水系數法和板模型理論在煤層底板裂隙突水可能性預測中的應用

許繼影，夏青森

(宿州學院 資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000)

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突水系數法和板模型理論在煤層底板裂隙突水可能性預測中的應用

許繼影，夏青森

(宿州學院 資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000)

以袁店煤礦為例，從煤層底板巖石力學性質、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行分析，同時采用突水系數法和板模型理論兩種方法對煤層底板裂隙突水進行預測。兩種預測結果均顯示，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行預測。近年來，底板裂隙突水預測方法常用的有“下三帶”理論、突水系數法、板模型理論、巖水應力學等。本文以淮北煤田臨渙礦區內袁店煤礦101和102采區為例，對采區內開采的10煤層底板裂隙突水可能性進行預測。由水文地質條件和鄰礦的水情分析可知，袁店礦井的災害性充水水源主要為太原組灰巖(簡稱太灰)含水層和奧陶系灰巖含水層，其中太灰含水層是袁店煤礦101和102采區主要的設防含水層。

1 煤層底板裂隙特征

煤層底板巖石的物理力學性質是關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育的可能性，本次對10煤層底板巖石進行了力學試驗，試驗結果見表1。

表1 10煤層底板巖石力學性質試驗成果表

根據巖石抗壓強度，可以把巖石簡單劃分為：硬質巖石、中硬巖石、軟質巖石三種類型。當單軸抗壓強度大于60 MPa時，即為硬質巖石。由表1試驗結果可以看出，煤層底板的砂巖屬于硬質巖石，開采時易形成采動裂隙，進一步可能成為導通地下水的通道。

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，突水的可能性就小；反之，隔水層厚度小，底板阻水能力弱，突水的可能性就大。據研究區內揭露一灰鉆孔統計，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采區范圍內底板隔水層整體厚度較厚，但102采區南端相對較薄。

1.2 隔水底板巖性組成

分析101，102采區中所有揭露10煤層和一灰鉆孔資料(見表2)。多數鉆孔揭露一灰直接頂是砂巖(較多分布在102采區)，有3個鉆孔揭露一灰直接頂是泥巖(較多分布在101采區)，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，一般認為隔水層泥巖的含量越大，其阻隔水能力越強。

2 底板裂隙突水預測

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(突水強度)則取決于含水層的富水性。在此，重點討論在自然水頭壓力作用(非疏降開采情況)下，根據突水系數法和板模型理論預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計表

2.1 突水系數法預測突水可能性

突水系數計算公式為[2]

T=P/M。

(1)

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

修正后的突水系數計算公式為[3]

TS=0.0098×(18.869+h)/M。

(2)

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

結合揭露灰巖鉆孔數據，計算出101，102采區內太灰水突水系數(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值(見表4)。

表3 采區太灰水突水系數計算表

表4 太灰水突水系數估算表

從表4可以看出，不同開采水平和不同隔水層厚度，突水系數之間差異比較大。根據《礦井水文地質工程地質勘探規范》(GB12719-91)及《煤礦防治水規定》，就國內實際資料看，正常塊段突水系數TS應不大于0.1 MPa/m，底板受構造破壞塊段突水系數TS應不大于0.06 MPa/m。綜合分析，研究區10煤層開采突水系數幾乎都超過了0.06 MPa/m，尤其10煤層底板受五溝-楊柳斷層及F4，DF14，F2斷層影響，突水系數變得很大，其中06-26孔突水系數達到0.165 5 MPa/m，是0.06MPa/m的2.76倍。2.2 板模型理論預測突水可能性

在采動影響下，采動導水裂隙帶和導升帶起不到阻隔承壓水的作用，因此底板巖層是否發生突水，主要取決于有效隔水層保護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生彎曲變形[4]。

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

以巖體抗剪強度為破壞準則：

p1=A1h22τ0+γh>p。

(3)

以巖體抗拉強度為破壞準則：

p2=A2h22σT+γh>p。

(4)

(5)

(6)

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

據表1可知，煤層底板巖體的抗拉強度低于其抗剪強度，因此，在本研究中利用巖體抗拉強度準則公式計算[6]。

對于袁店煤礦101采區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基本壓實的距離Ly=140 m，底板巖層總厚度取52 m計算，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計算，故有效隔水層厚度為38.3 m。底板巖體的抗拉強度為σT=3.12 MPa，容重γ=2 706 N/m3，取安全系數為1.2，將以上參數帶入公式(4)中，計算得到：p2=2.895 3 MPa>2.0 MPa。

對于袁店煤礦102采區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基本壓實的距離Ly=120 m，底板巖層總厚度取48 m計算，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計算，故有效隔水層厚度為34.3 m。底板巖體的抗拉強度為σT=3.12 MPa，容重γ=2 706 N/m3，取安全系數為1.2，將以上參數帶入公式(4)中，計算得到：p2=2.339 9 MPa>2.0 MPa。

根據板模型理論計算結果可知，在101和102采區開采時底板存在突水的可能性。

3 結論

(1)通過分析袁店煤礦10煤層底板巖石的物理力學性質、底板隔水特征及底板巖性，得出巖體屬硬質巖石，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行預測，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煤層需要采取嚴格的灰巖水防治措施。

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

[2] 王計堂，王秀蘭.突水系數法分析預測煤層底板突水危險性的探討[J].煤炭科學技術，2011，39(7)：106-111.[3] 李忠建，魏久傳，郭建斌，等.運用突水系數法和模糊聚類法綜合評價煤層底板突水危險性[J].礦業安全與環保，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計模型[J].巖石力學與工程學報，2006，25(s1)：2958-2962.

[5] 李肖音，高峰，鐘衛平.基于板模型的采場頂板破斷機理分析[J].采礦與安全工程學報，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理研究[J].煤炭技術，2011，30(1)：88-89.

(責任編校：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

宿州區域發展協同創新中心開放課題(2015SZXTZXKF03)；宿州學院校級科研項目(2014YKF03)；國家大學生創新創業訓練項目(20151039019)

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

X936；TD745+.21

A

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

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.06.006