煤层底板隔水层阻抗高压水侵入机理及其控制因素_虎维岳

第36卷 第6期 煤田地质与勘探Vol. 36 No.6 2008年12月COAL GEOLOGY & EXPLORA TIONDec. 2008收稿日期: 2008-03-03基金项目: 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2006CB20220005)作者简介: 虎维岳(1963—)，男，甘肃镇原人，博士，研究员，博士生导师，主要从事水文地质与工程地质科研、教学和技术服务工作.文章编号: 1001-1986(2008)06-0038-04煤层底板隔水层阻抗高压水侵入机理及其控制因素虎维岳, 田 干, 李抗抗(煤炭科学研究总院西安研究院，陕西 西安 710054)摘要: 通过专门设计的物理模型，模拟了不同水文地质与工程地质性质的阻水岩层对其底板高压水侵入过程的阻抗能力，以及不同水压条件下高压水侵入导升过程中的水头损耗。

得出了高压水在侵入导升带内的水头损耗分布特点及数量特征；研究了高压水在其上覆阻水岩层中的侵入高度及其最终驻点的残余水头压力；重新评价和改进了突水系数的计算方法。

结果表明：隔水层的原始导高带对含水层水头具有较大的消减作用，作用于有效隔水层的实际水头压力远小于含水层的水头压力。

关 键 词：高压水；侵入导升；水头损耗；残余水压 中图分类号：TD741 文献标识码：AThe resistant mechanism and control factors of coal seam flooraquiclude to high pressure water intrusionHU Wei-yue, TIAN Gan, LI Kang-kang(Xi ′an Branch , China Coal Research Institute , Xi ′an 710054, China )Abstract: The resisting capacity of different rocks to high pressure water intrusion and the water head loss duringits intrusion were modeled and studied by a physical model. The relationships between the water head loss and water resistant rock, water pressure of aquifer were established. The maximum height of water intrusion in different water resistant rock and the residual water pressure in terminal intrusion point were given. The calculation method of water inrush coefficient from coal seam floor was given according to the experiment information. The results show that aquiclude of coal seam floor has obvious elimination to water head, and the actual water pressure exert-ing to the effective water resistant layer is lower than that of aquifer.Key words: high pressure water; intrusion; water head loss; residual water pressure当煤层底板隔水层之下赋存有高承压水时，在煤层开采之前，高压水对其上覆隔水层的顶托力与上覆岩层的自重力处于一定的力平衡状态。

一旦煤层被开采后，在煤层采空区与高压含水层之间隔水层的受力条件会发生明显改变，即作用于其底面高压水的顶托力依然存在，而作用其顶面的来自于上覆岩层的自重力不能完全传递下来。

这样，煤层底板隔水层在非平衡力的作用下容易产生破坏而失去其隔水能力，从而导致底板之下高压水涌入采煤工作面形成底板突水事故。

因此，矿井水文地质工作者对煤层底板高压水突水条件的研究就集中于对底板高压水的顶托力与其上覆隔水层的阻抗力之间相互关系上。

关于底板隔水层在采矿扰动条件下阻抗其下部高压水侵入的能力及其阻抗机理，目前尚没有统一的认识和成熟的理论。

大量资料表明，隔水层能否阻抗底部高压水的侵入突破，主要取决于承压含水层水压的大小以及有效隔水岩层的强度、厚度和岩性特征。

在岩性变化不大的情况下，隔水层的厚度起着主要作用，因此产生了用斯列萨列夫公式计算的临界隔水层厚度(M L )和临界突水压力(H L )来预测和评价煤层底板突水的可能性[1]。

临界突水水压值(H L )是指能使一定厚度的隔水层底板保持稳定而不被突破所能承受的最大水压值；而临界隔水层厚度是指在一定的水压力作用下，能够保持稳定而不被突破所需要的最小隔水层厚度。

基于同样的思想，人们又提出了突水系数的基本概念，最早提出的突水系数就是作用于隔水层底第6期虎维岳等: 煤层底板隔水层阻抗高压水侵入机理及其控制因素·39 ·面的水压力P与隔水层厚度M之比值，即T=P/M[2]。

而判别是否突水的突水系数临界值则是依据大量的突水实测资料统计得出。

后来，在实际生产应用过程中，人们发现当工作面回采后，煤层底板隔水层上部一定厚度因采矿扰动而被破坏，不具备隔水能力；而隔水层底部一突水系数概念被广泛应用于工作面底板高压水突出可能性的分析预测。

但大量的采掘与突水资料证明，应用突水系数概念预测的突水条件与实际情况有较大差别。

最突出的问题就是现行公式计算的突水系数往往偏大于实际情况，也就是利用突水系数理论预测的突水工作面，在回采过程中并未发生突水。

通过对突水系数计算公式的分析，不难发现其存在下列缺陷：a. 当把煤层底板隔水层划分为3带，并在突水系数的计算公式中减去采矿扰动破坏带厚度和高压水侵入带(原始导升带)厚度后，使得计算所引用的隔水层厚度明显减小。

b.当计算公式中不考虑高压水侵入带(原始导升带)厚度时，作用于有效隔水层底面的高压水顶托力不应该取含水层中的水头压力，而应该选用作用于有效隔水层底面的残余水压力。

残余水压力是指含水层中的高压水在上覆隔水层中经侵入导升消减后所剩余的水压力。

因此，残余水压力要小于含水层中的水压力。

c.隔水层底部的高压水侵入带(原始导升带)厚度与含水层水压力、隔水层岩性等多种因素有关。

目前尚没有成熟有效的方法来确定该带的厚度，因此在计算公式中对该带厚度的取值缺乏依据。

压水侵入机理及其控制因素。

图2 实验模型原理图Fig.2 The main principle of experiment model2主要实验结果第一组实验模型中，隔水层的渗透系数K = 0.067 m/d，分别在6种不同含水层水压的条件下，观测记录了承压水在上覆隔水层中的侵入导升高度、残余水头压力及其水头消减值随侵入导升高度的变化规律。

主要实验结果见图3和图4。

· 40 ·煤田地质与勘探 第36卷图3 水头消减值随导升高度变化曲线图Fig.3 The relationship between water pressure loss andits intrusion height图4 隔水层中残余水头随导升高度变化曲线图Fig.4 The relationship between residual water head andintrusion height in aquiclude第二组实验模型中，隔水层的渗透系数K ＝0.026 m/d ，分别在8种不同含水层水压的条件下，观测记录了承压水在上覆隔水层中的侵入导升高度、残余水头压力及其水头消减值随侵入导升高度的变化规律。

主要实验结果见图5和图6。

图5 水头消减值随导升高度变化曲线图Fig.5 The relationship between water pressure loss and itsintrusion height图6 隔水层中残余水头随导升高度变化曲线图Fig.6 The relationship between residual water head andintrusion height in aguiclude第三组实验模型中，隔水层的渗透系数K ＝0.017 5 m/d ，分别在17种不同含水层水压的条件下，观测记录了承压水在上覆隔水层中的侵入导升高度、残余水头压力及其水头消减值随侵入导升高度的变化规律。

主要实验结果见图7和图8。

图7 水头消减值随导升高度变化曲线图Fig.7 The relationship between water pressure loss and itsintrusion height图8 隔水层中残余水头随导升高度变化曲线图 Fig.8 The relationship between residual water head andintrusion height in aquiclude当含水层水压为0.6 MPa 时，含水层水在不同隔水层材料中侵入不同高度时的残余水压分布情况如图9所示第6期虎维岳等: 煤层底板隔水层阻抗高压水侵入机理及其控制因素· 41 ·图9 残余水头与隔水层渗透性能关系图Fig.9 The relationship between residual water head andpermeability of aquiclude3 结论与认识a. 高承压水在上覆隔水层中存在明显的侵入导升现象。

同时，高压水在对隔水层的侵入导升过程中伴随着水头损失。

b. 高压水在侵入导升过程中的压力水头损耗率(单位侵入导升高度所消减的压力水头)随总导升高度的增加呈递增规律。

也就是说，压力水头在高压水侵入导升过程中的损耗率呈现出非线性变化，随导升过程的进行，其衰减速度越来越快。

c. 在相同的含水层水头压力条件下，其上覆隔水层的渗透性越差，则其阻水能力越强，水流在其侵入导升过程中水头压力损耗就越大[3]。

由实验数据分析可知，压力水头损耗与岩层渗透系数大小的数量特征关系式为：14.9690.0906e K η−=(式中：η为高压水在隔水层中侵入导升的压力水头损耗率；K为隔水层的渗透系数)。

d. 高压水在侵入导升过程中，随着水头压力的消减，导升现象会终止于隔水层中的某一位置，从而形成最大侵入导升高度M Ⅲ和对应终点的残余水压P C 。