東灘煤礦五七采區3 煤層開采底板水害特征研究

馮魯順

（兗州煤業股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城273500）

0 引 言

80%左右的工作面底板突水事故發生在含斷層等地質構造的位置[1]。斷層帶巖體裂隙較發育，膠結程度差，不僅會影響圍巖的性質，降低其強度指標及變形模量，而且也使巖體的滲透性質發生改變[2]。斷層周圍巖體應力變化也會引起孔隙水壓的改變，影響地下水流量與水壓力，而水壓的改變又反過來作用巖體應力的變化，采動斷層在礦壓和地下水壓的共同作用下發生錯動活化并伴生裂隙[3]，這些區域煤層開采時更容易導致突水事故的發生。

東灘煤礦中心區域主采的3 煤層已基本開采完畢，五七采區開采已提上規劃。五七采區內斷層十分發育、密度大，斷層的賦水、導含水性等均需要進一步探查，還有3 上煤層露頭分布區等不利條件，底板水害問題將給煤炭開采造成較大的困難。通過對兩個采區斷裂構造復雜程度的分區及風氧化帶附近3 煤層底板富水性、阻水性分析研究，可以為采區內3 煤層開采水害防治及合理布置提供重要的參考依據。

1 煤礦底板水害研究現狀

1.1 帶壓開采底板突水機理研究

在帶壓開采底板突水機理研究方面，國外方面有固定梁均荷載強度理論、Hoek-Brown 巖體強度準則和臨界能量釋放觀點的底板承載能力評價理論等；國內較具代表性的學術觀點有薄板結構理論、“下三帶”理論、“關鍵層”理論及底板移動原位張裂和零位破壞理論等[4-7]。這些研究理論從不同角度為揭示煤層采動條件下底板突水規律、底板突水預測及開采安全性論證、編制開采安全規程等都提供了重要的理論依據。

1.2 煤層底板突水危險性評價經驗研究

突水危險性評價主要著眼于底板充水因素與底板阻水能力的關系對比。在國內外應用較普遍的突水危險性評價方法分別為相對隔水層法和突水系數法。

1.2.1 相對隔水層厚度法

相對隔水層厚度是等值隔水層厚度與水壓力值之比。它是基于大量的底板突水實例的統計分析結果提出來的，綜合反映了底板巖層的隔水能力、水壓力作用強度及底板巖層組合結構特點等相關因素的關聯性特征，量值上由式（1）表征：

式中：mi為底板隔水層各分層厚度，m；δi為隔水層各分層阻(隔)水性能的質量等值系數；P為作用于隔水層的水柱壓力，10-1MPa；γ為單位水柱壓力所必要的等值隔水層厚度，簡稱相對隔水層厚度，m/MPa；mo：底板采動變形、破壞形成的無效隔水層厚度，可實測取得或根據類似條件礦井經驗確定。

國外經驗為相對隔水層厚度大于1.5m/atm 的情況下，開采過程中基本不突水，而80%～88%的突水都是相對隔水層厚度小于此值。由此，一般以相對隔水層厚度≥2m/atm 作為煤層底板突水的臨界條件。

1.2.2 突水系數法

“突水系數”常用于作為底板帶壓開采突水預測預報的量化指標，其物理意義表征為底板單位厚度隔水層所承受的極限水壓值：

式中：T為突水系數，MPa/m；P為水壓，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

Ts為臨界突水系數。如果Ts＞T, 表明底板隔水層穩定, 一般不發生突水現象; 如果Ts≤T, 則很可能發生底板突水現象。臨界突水系數是我國學者基于大量的礦區底板突水資料得出的，其數值一般在0.06～0.100MPa/m[8]。

考慮到底板采動變形破壞對底板阻水能力的影響，在式（2）基礎上提出了突水系數的修正式（3），后作為帶壓開采底板突水危險性評價依據。

式中：CP為底板采動破壞深度，其他符號物理意義同前。

至1980 年代，有研究者注意到底板因隔水巖層力學性質、結構狀態及巖層組合結構等不同而顯現的阻水能力的明顯差異，在借鑒等值隔水層厚度力學意義基礎上，提出了考慮底板巖石隔水性能差異的突水系數計算公式（4）：

式中：Mi為隔水層底板各分層厚度，m；mi為各分層等效厚度換算系數，其他符號含義同前。

上述突水系數的表征方式由于隔水巖層的界定不同，式（2）中的隔水層厚度包括了其間分布的含水、透水巖層；式（3）和式（4）中的隔水層則是指煤層和充水含水層間隔巖層中的不含水、不透水巖層。

由于突水系數法明顯、直接反映了突水水動力條件與底板阻隔水條件的關系對比，與底板突水力學機制的理論相符合，且與相對隔水層厚度有相近的力學意義，因此，目前已成為我國煤礦帶壓開采底板突水危險性評價的基本方法。

2 存在問題及發展趨勢

工作面采動底板充水可能性實際上主要取決于底板巖層的巖性組合及其結構狀態（主要是巖層完整程度），而現有評價方法只考慮了底板間隔層厚度，對巖層組合結構及其完整性的影響基本沒有反映出來；另一方面，由于不同礦區間的地質條件差異，根據實際水文地質條件計算的突水系數也差別很大，無法采取一個共有的標準作為評價底板充水的臨界指標。

采用突水系數法評價帶壓開采底板突水危險性的關鍵是如何合理確定出突水臨界值，對于底板突水危險性研究，構造控水性是焦點問題，需要解決的問題涉及兩方面，其一是底板阻水條件的構造效應，其二是采動底板變形引起的斷層導水性活化判別。這也是目前底板帶壓開采安全條件研究中尚未解決的技術難題和預探討的發展趨勢。

3 五七采區底板水害研究重點內容

3.1 構造復雜程度分區研究

五七采區地質構造復雜程度分區根據地質、水文地質、采掘揭露和物探等資料揭露的斷層進行系統統計分析，從工程地質力學角度深入分析斷裂構造的控水性，確定構造復雜性定量評價指標，進行構造復雜程度分區研究。

1）整理、分析和評價五七采區3 煤帶壓采掘底板主要充水含水層富水性及賦存條件，特別是奧灰含水層賦存條件；

2）采用分形分維方法對研究區進行復雜構造程度分區研究；

3）利用鉆孔資料進行頂底板巖性結構指數分區研究；

4）系統分析評價研究區東部嶧山邊界斷層及其派生斷層的導含水性及控水性。

3.2 室內試驗及涌水量預測研究

1）結合五七采區地面施工補勘孔進行現場典型層位（標志層和斷層及風氧化帶）編錄、鉆孔取樣和RQD 統計分析研究，現場進行孔壁觀測試驗；

2）進行室內斷層帶和風氧化帶附近巖層巖石的物理、力學和水穩性實驗；

3）建立典型的采掘工程地質模型，進行底板變形破壞特征的數字模擬；

4）兩個采區的涌水量預測評價研究。

3.3 斷層活化及風氧化帶水害綜合研究

1）在研究內容以上研究的基礎上，建立3 煤層帶壓開采帶斷層的工程地質模型，采用解析或數值模擬方法進行采動斷層活化臨界條件模擬研究；

2）根據兗州礦區現場壓滲部分成果進行斷層阻滲性量化評價研究；

3）對兩個采區3 煤層開采典型斷層防水煤柱和風氧化帶煤柱留設進行綜合分析。

在東灘煤礦五七采區3 煤層底板巖層及構造特征研究中，重點是研究斷層活化、風氧化帶富水性、帶壓開采水害等問題，關鍵點一是考慮采動效應和斷層效應的工程地質模型的構建；二是風氧化帶附近巖樣采集及阻滲能力試驗。

4 研究方法及研究可靠性分析

4.1 研究方法

針對東灘煤礦生產接續保證礦井穩產及可持續發展的需要，通過理論分析現場取樣、數值模擬和室內實驗等方法對五七采區帶壓采掘突水問題的安全可行性進行系統研究，建立研究區開采的工程地質模型，分析底板主要充水含水層富水性特征，探討開采擾動應力對斷層活化的臨界條件。

1）理論分析方法。采用分形分維理論對五七采區地質構造復雜程度進行分區，在此基礎上選擇典型斷層進行采動活化力學分析。

2）數值模擬方法。建立研究區開采的工程地質模型，分析底板主要充水含水層富水性特征，探討開采擾動應力對斷層活化的可能性，在此基礎上，選擇典型位置進行現場斷層采掘過程中的跟蹤水壓東灘監測。

3）試驗研究方法。就斷層帶和風氧化帶進行鉆孔取樣，現場進行孔壁觀測試驗，在室內進行物理、力學和水穩性實驗。

4.2 研究可靠性

1）近幾年在兗州礦區較系統對3 煤深部帶壓開采相關底板水害問題的研究，東灘煤礦鄰近的興隆莊和鮑店煤礦都有相類似的水文地質條件和3煤底板采掘突水的實踐研究，均進行了采動底板變形破壞和阻滲性現場實測，積累有大量底板采動變形深度和工作面開采方式方法之間的關聯性總結資料，在合理評價東灘煤礦五七采區突水危險性方面有較豐富的實踐參考價值。

2）東灘煤礦對五七采區進行了多次不同程度的勘探工作，積累了較系統的鉆孔、物探和采掘相關資料，對典型斷層和風氧化帶范圍控制程度較高。

5 經濟、社會效益分析

5.1 經濟效益分析

1）基于研究成果，適時對東灘煤礦預采工作面底板注漿改造方案進行優化、修改和完善，加強對斷層部位的重點超前預警監測，保證工作面的安全帶壓回采?？纱蟠鬁p少了鉆孔工程量和漿液消耗量，底板截滲效果也比較理想，大大節約注漿材料，為安全高效開采提供了重要的技術保障。

2）利用研究成果解決深部延深斷裂區域煤層帶壓安全開采的關鍵問題，豐富深部底板帶壓開采條件評價方法及水害預警技術，保障了礦井的安全生產。

5.2 社會效益及推廣應用前景

東灘煤礦五七采區3 煤通過底板注漿或留設防水煤巖柱進行安全帶壓開采，本成果的應用可大大提高3 煤資源回收率，社會效益顯著；另一方面，研究成果可為類似條件礦區安全帶壓開采提供借鑒，具有廣闊的應用前景。

6 結束語

隨著礦井地質條件復雜程度加深，未來階段東灘煤礦水害問題很大程度上將制約礦井的發展，給采區巷道布置、采掘造成較大的困難。因此，對于煤礦水害問題的治理是刻不容緩的，特別是通過底板水害特征研究，提出相應的防治方法和基礎依據，從而最大化地滿足煤礦井下作業安全及生產方面的需要。