14-关于富水构造型底板突水系数计算方法的探讨

第24卷第1期(总第146期)煤㊀矿㊀开㊀采Vol．24No．1(Series No．146) 2019年2月COAL MINING TECHNOLOGY February㊀2019关于富水构造型底板突水系数计算方法的探讨樊振丽1,2(1．天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京100013;2．煤炭科学研究总院开采研究分院,北京100013) [摘㊀要]㊀为了反映底板突水主控因素对评价结果的作用,将承压含水层富水性和地质构造因素引入到改进型突水系数计算公式中,提出含水层富水性影响系数(Kω)和底板完整性系数(K c),并提出了富水构造型突水系数计算公式㊂通过原始突水系数和富水构造系数计算公式评价结果对比,改进的全要素突水系数计算公式可解决富水性和地质构造发育程度不一区域的底板突水评价不准确的问题㊂[关键词]㊀构造突水;底板突水;突水系数;主控因素[中图分类号]TD745．2㊀[文献标识码]A㊀[文章编号]1006-6225(2019)01-0035-05 Calculation Method of Water Bursting Coefficient of Water-rich Tectonic FloorFAN Zhen-li1,2(1．Coal Mining&Designing Department,Tiandi Science&Technology Co．,Ltd．,Beijing100013,China;2．Mining Institute,China Coal Research Institute,Beijing100013,China)Abstract:In order to illustrated the function of the main control coefficient of floor water bursting to evaluation results,confined aqui-fer watery and geological tectonic were introduced to improving water bursting coefficient formula,and confined aquifer watery coeffi-cient Kωand floor integrity coefficient K were all proposed,the formula of watery tectonic water bursting coefficient was put forward,cand compared with two different formula of original water bursting coefficient and watery tectonic coefficient,the inaccurate question of floor water bursting evaluation for the region by the formula,which was about watery and geological different．Key words:tectonic water bursting;floor water bursting;water bursting coefficient;main control factors㊀㊀随着我国煤矿开采水平的不断延伸㊁开采深度及强度的增大,许多矿井将面临更加复杂的水文地质条件,特别是华北型煤田下组煤开采受灰岩岩溶承压含水层的威胁日益严重[1-3]㊂目前,对底板水害的评价方法主要有突水系数法㊁脆弱性指数法及五图双系数法等,其中,突水系数法以其简单㊁实用的优点被广泛应用于煤层底板突水危险性评价以及矿井的生产实践中㊂众所周知,突水系数法是以典型大水矿区底板突水资料为基础,经统计分析于1964年焦作水文地质大会提出的,计算式为T=P(水压)/Ms(底板隔水层厚度)㊂煤炭科技及现场工程人员经几十年的实践和研究,认为煤层底板突水是受含水层水压㊁富水性及渗透性㊁底板隔水层厚度㊁矿山压力㊁底板岩层组合以及地质构造等多种因素综合作用的结果,且初始的突水系数计算公式评价结果在不同矿井出现了不适用等情况,因而国内相关科研机构及学者在实践中不断深入研究探讨,使突水[收稿日期]2019-01-04系数计算公式不断得以改进,所考虑的引发底板突水的各项影响因素逐渐接近客观实际[4-5]㊂2018年6月4日,国家煤矿安全监察局印发的‘煤矿防治水细则“将初始公式作为评价底板突水危险性的计算公式,即仅以含水层水压和底板隔水层厚度作为计算要素获取突水系数值㊂笔者认为初始突水系数计算式作为统计意义的经验公式是底板突水综合要素的量值反映,具有相对较好的适用性,但是,该公式毕竟在一些矿区出现了小于突水系数临界值突水或者大于甚至远大于突水系数临界值未突水的情况,鉴于此,从学术角度探讨矿山压力(对应计算要素为底板破坏带深度)㊁底板岩层组合(对应计算要素为等效隔水层厚度)㊁奥灰原始导升带㊁含水层富水性㊁地质构造等作为突水系数计算要素,从而解决特定煤层水文地质条件下的底板突水评价问题是有意义的㊂国内许多学者和科研机构在将底板突水主控因素作为突水系数计算要素方面做了大量工作[6-8]㊂[DOI]10．13532/j．cnki．cn11-3677/td．2019．01．008[基金项目]国家科技重大专项大型油气田开发项目(2016ZX05045007-003,2016ZX05043005);国家自然科学基金资助项目(51704161) [作者简介]樊振丽(1983-),男,河南郑州人,博士,副研究员,主要从事煤矿水害防治㊁ 三下 采煤㊁矿山环境治理等方面的技术应用和研究工作㊂[引用格式]樊振丽．关于富水构造型底板突水系数计算方法的探讨[J].煤矿开采,2019,24(1):35-39．35总第146期煤㊀矿㊀开㊀采2019年第1期目前,较完善的突水系数公式考虑了底板破坏深度㊁有效隔水层厚度㊁奥灰原始导升带㊁奥灰顶部隔水层等计算要素,形成式(1)改进型突水系数计算式[9]㊂PT s =ΣM i ㊃ξi -C -h d +M 0(1)式中,P 为煤层底板隔p 水层承受的水压力,MPa;M i 为底板隔水层中第i 层岩层厚度,m;ξi 为底板隔水层中第i 层岩层等效隔水系数(无岩溶化灰岩㊁泥灰岩为1．3,泥岩㊁泥灰岩㊁黏土㊁页岩为1．0,砂质页岩为0．8,褐煤为0．7,砂岩为0．4,砂㊁砾石㊁碎石㊁岩溶化灰岩㊁垮落裂缝带为0);C 为采矿对底板扰动的破坏深度,m;H d 为承压水p 导升高度,m;M 0为奥灰顶部充填隔水层厚度,m㊂式(1)较全面地体现了底板突水主控因素,但是底板含水层的富水性和地质构造这两大重要因素并未以计算要素的形式出现㊂含水层的富水性呈现不均一性,水压仅是含水层属性的表现因素之一,某区域水压高并不代表其富水性好,若该区域不富水则不易发生底板突水或突水量不大㊂而承压水体上的开采实践证明,构造使得底板相对隔水层变薄,构造区域往往是发生底板突水的危险区㊂煤矿现场钻探反映出,若某区域灰岩含水层富水性差,即使突水系数大也不容易突水;某区域突水系数再小,但是存在断层㊁陷落柱等导水构造,突水危险性骤增㊂因此,本文探讨一种研究思路将含水层富水性和地质构造因素转化为突水系数计算要素,从而解决上述问题㊂1㊀含水层富水性计算要素表征1．1㊀含水层富水性与底板突水的关联分析根据肥城㊁焦作㊁淄博㊁峰峰㊁郑州㊁西山㊁霍州㊁晋北等矿区突水资料的分析[8,10-12],以突水点规模为依据,将突水点单位涌水量与突水量进行关联分析,如表1所示㊂表1㊀突水规模与含水层富水性(q )关联性统计突水规模q ɤ0．05L /(s㊃m)突水次数占比/%q ɤ0．1L /(s㊃m)突水次数占比/%0．1<q ɤ1L /(s㊃m)突水次数占比/%1<q ɤ5L /(s㊃m)突水次数占比/%q >5L /(s㊃m)突水次数占比/%在突水统计总数中占比/%小型突水02．7231．913．93038．56中等突水001．8630．1221．7453．72大型及特大型突水7．727．72注:①小型突水:Q ɤ60m 3/h;②中等突水:60m 3/h<Q ɤ600m 3/h;③大型突水:600m 3/h<Q ɤ1800m 3/h;④特大型突水:Q >1800m 3/h㊂㊀㊀由表1统计可知,当含水层富水性指标q ɤ0．1L /(s㊃m)(传统弱富水性)时,以发生小型突水为主,且突水次数占比较小;发生大型及特大型底板突水时,含水层富水性指标q >5L /(s ㊃m),即在传统的极强富水性含水层(段)时才发生大型及特大型突水;小型突水最易发生在0．1<q ɤ1L /(s ㊃m)区间;中等突水则易发生在q >1L /(s㊃m)时,且在1<q ɤ5L /(s㊃m)区间发生中等规模突水占比最高㊂由此可见底板突水的发生与否和突水点规模与岩溶含水层富水性息息相关㊂若隔水层厚度一定,底板岩层完整的条件下,开采区段底部含水层富水性越强,发生突水的可能性越大,且突水规模越大㊂当使用初始突水系数公式计算值较大时,富水性参数q ɤ0．1L /(s ㊃m)时,底板突水可能性小;另外,统计显示当q ɤ0．05L /(s㊃m)时,即使初始公式突水系数值大,底板仍有极大可能不突水㊂1．2㊀含水层富水性影响系数由岩溶发育特征和富水性对底板突水关联分析结果可知,使用突水系数法评价底板突水危险性时,须考虑含水层富水性特征㊂当含水层富水性弱(q ɤ0．05L /(s㊃m))时,底板基本无突水事故,含水层向采掘空间充水水源和强度不足,这种情况下应弱化突水系数;当含水层富水性参数为0．05<q ɤ1L /(s㊃m)时,以发生小型突水为主,符合现在绝大多数底板突水情况,使用现有突水系数公式较为合理;当含水层富水性参数1<q ɤ5L /(s㊃m)时,多发生中型以上突水,含水层富水性对底板突水的贡献程度大于常规情况;特别是q >5L /(s㊃m)时多发生大型和特大型突水,易发生灾难性后果,应注意防范底板水害,并提供安全预防级别,预测时应增大富水性的影响程度㊂据此提出含水层富水性影响系数(K ω),以反映底板含水层富水性对底板突水危险性评价的贡献,K ω赋值见表2㊂表2㊀不同富水性级别含水层富水性影响系数(K ω)取值级别q /单位涌水量-1)(L㊃(s㊃m)含水层富水性影响系数(K ω)1q ɤ0．050．120．05<q ɤ11．031<q ɤ51．54q >52．536c 樊振丽:关于富水构造型底板突水系数计算方法的探讨2019年第1期㊀注:K ω赋值依据突水系数折减效果及现场突水案例符合程度综合确定,随底板突水样本的增加,应适时修正㊂2㊀地质构造计算要素表征构造因素是底板突水的关键因素和最重要的控制因素[13]㊂初始突水系数计算公式应用时,存在突水系数安全区在构造的影响下突水的情况㊂针对这种情况,提出构造规模指数(S )和构造底板c 完整性系数(K )的概念㊂c 定义标准统计单元格内(1000m ˑ1000m),断层㊁陷落柱和褶皱轴部及其影响区面积占整个单元格的比值为构造规模指数(Structure Scale Index)㊂构造规模指数的表达式:S c =S f +S k +S fa(2)式中,S c 为构造规模指数;S f 为断层规模指数;S k 为岩溶陷落柱规模指数;S fa 为皱褶轴影响指数㊂断层规模指数表达式:n 1ΣL f i ㊃H ii =1S f =(3)S式中,S 为统计单元格面积,m 2;L f i 为第i 条断层落在单元格内走向长度,m;H i 为第i 条断层落差,m;n 1为统计单元格中的断层数㊂岩溶陷落柱规模指数表达式:n 2S k =i Σ=11．2S s i ㊃h i(4)S式中,S 为第i 个岩溶陷落柱横截面面积,m 2;h i 为第i 个陷s i 落柱垂高,m;n 2为统计单元格中的岩溶陷落柱个数㊂褶皱轴影响指数表达式:n 3ΣL fa i ㊃D ii =1S fa =(5)S式中,L fa i 为第i 个褶皱轴落在单元格中走向长度,m;D i 为第i 个褶皱翼核垂高,m;n 3为统计单元格中的褶皱轴个数㊂将式(3)~(5)代入式(2)中,可得:n 1n 2n 3S =i Σ=1L f i ㊃H i +i Σ=11．2S s i ㊃h i +i Σ=1L fa i ㊃D i(6)c S利用式(6)计算出井田全部构造规模指数后,将各个统计单元格构造规模指数进行归一化处理,评价井田受构造影响程度㊂归一化公式为:S -min(S c i )S 1=c i (7)c imax(S c i )-min(S c i )归一化的构造规模指数反映了不同区块对底板突水的构造控制程度,利用突水系数法进行突水危险性评价时,主要体现在构造对底板隔水层完整性影响系数参数中㊂底板隔水层完整性系数(K )反映了构造对底板突水相对隔水层完整性的影响程度,K c 值越大,底板越破碎,抵抗水压的能力越差,越易发生底板突水㊂不同构造规模指数下底板完整性系数见表3㊂表3㊀构造规模指数与底板完整性系数取值影响级别构造规模指数S 1c底板完整性系数K c无构造影响S 1=c 01一般影响S 1c ɤ0．250．6中等影响0．25<S 1c ɤ0．50．5严重影响0．5<S 1c ɤ10．253㊀富水构造型突水系数全要素计算式将含水层富水性和地质构造作为突水系数法的计算要素,在公式(1)的基础上提出富水构造型突水系数计算公式:K ω㊃PT qC =(8)K c ㊃(ΣM i ㊃ξi -C p -h d +M 0)该公式不仅考虑了含水层水压㊁相对隔水层厚度㊁底板采动破坏带㊁承压水导升带和奥灰含水层顶部隔水层,还将岩溶含水层富水性和构造影响这两个重要因素纳入底板突水评价中,形成全计算要素的突水系数计算式㊂4㊀初始突水系数与富水构造型突水系数评价结果对比4．1㊀评价区概况河东煤田离柳矿区某矿刚进入下组煤开采,主采太原组9号煤,煤层平均采厚4m,采用长壁后退式综采一次采全高采法,全部垮落法管理顶板,9号煤层开采主要受底板奥灰水害威胁㊂煤层底板隔水层承受的奥陶系灰岩含水层水压变化范围为0．52~3．42MPa,水压等值线如图1所示;奥陶系峰峰组富水性极不均匀,浅埋区强于深埋区,富水性大部区域属中等级别,即0．1<q ɤ1L /(s㊃m)㊂下组煤大巷掘进时,在初始突水系数计算的安全区内发现岩溶陷落柱4个,其中3个涌水,涌水量为10~60m 3/h㊂煤层底板下伏太原组㊁本溪组和奥陶系峰峰组地层,煤层底板距奥灰峰峰组含水层57．3~67．5m,如图2所示㊂下组煤至奥陶系峰峰组顶界地层以泥岩类地层为主,较软弱,易受采动影响而破坏形成采动破坏带㊁层间离层裂隙,但是,在不受构造影响的情况下,该段隔水层隔水性能良好,37总第146期煤㊀矿㊀开㊀采2019年第1期图1㊀9号煤层底板隔水层所受奥灰含水层水压等值线是抵抗底板突水的重要地质屏障㊂图2㊀9号煤层至奥灰含水层间隔水层厚度等值线4．2㊀初始突水系数计算式评价利用初始突水系数公式T s =M P计算9号煤层突水系数,结果显示全井田各钻孔突水系数值为0．009~0．061MPa /m㊂据‘煤矿防治水细则“,底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0．06MPa /m,正常块段不大于0．1MPa /m 的标准评价,9号煤层正常块段一般不会突水,构造块段9号煤层仅在井田南部ZK3钻孔附近区域突水系数值为0．061MPa /m,构造发育区域存在突水危险(图3)㊂图3㊀煤层突水系数等值线4．3㊀富水构造型突水系数计算式评价利用富水构造型突水系数法进行评价,需逐步分析各计算要素的取值,除了水压通过地勘资料获得外,其他计算要素要根据采区或钻孔信息进行获取㊂(1)含水层富水性系数K ω:井田范围奥陶系峰峰组含水层富水性处于0．05<q ɤ1L /(s ㊃m)区间,据表2取值标准,富水性影响系数K ω取值为1㊂(2)底板完整性系数K :井田构造简单,仅c 在井田西南部9号拐点区域发育有4条断层,东部9号煤层大巷掘进时发现了4个陷落柱,根据井田构造发育情况,划分评价网格,计算构造规模指数㊁底板完整性系数[14]㊂(3)等效隔水层厚度ΣM i ㊃ξi :根据各钻孔煤层至奥灰含水层不同岩性地层的分层厚度㊁等效隔水系数,计算获取各钻孔的等效隔水层厚度㊂9号煤层距离峰峰组顶界等效隔水层分布如图4所示㊂图4㊀9号煤层至奥灰等效隔水层厚度等值线由图2和图4可知,9号煤层有效隔水层厚度较实际煤层底板至奥灰顶界面之间的相对隔水层厚度均有折减,但折减幅度不大,说明下组煤底板至奥灰含水层泥岩类地层比重大,底板岩层具有良好的隔水性能㊂(4)底板破坏带深度C :根据‘建筑物㊁水体㊁铁路及主要井巷煤柱设与压煤开采规范“,留p 考虑采深㊁倾角和工作面斜长因素,底板采动破坏带深度计算公式:C =0．0085H +0．1665α+0．1079L -4．3579(9)式p 中,H 为开采深度,m;α为煤层倾角,(ʎ)㊂断层带附近的采动导水破坏带深度比正常岩层中增大约0．5~1．0倍㊂9号煤层平均埋深约373m;煤层倾角平均5ʎ;工作面斜长200m㊂代入式(9)计算可得9号煤层底板破坏深度约21．23m㊂(5)奥灰承压水导升带高度h d :承压水导升带的存在与奥灰含水层之上地层的原生裂隙关系密切,若该层原生裂隙越发育,则承压水导升带越高,反之则相反㊂该矿奥灰含水层之上为本溪组泥岩㊁铝土岩类隔水层,原生裂隙不发育,承压水越过隔水层而导升的可能性小,因此,这里取承压水导升带高度为0㊂(6)奥灰含水层顶部充填隔水层厚度M 0:根据钻探资料,钻孔进入奥灰含水层后,多数钻孔即38樊振丽:关于富水构造型底板突水系数计算方法的探讨2019年第1期出现大小不一的涌水量,可见本矿奥灰顶部风化带充填不好,无充填隔水层存在,故M 0取值为0㊂将以上取值代入公式(8)计算各钻孔的富水构造型突水系数,通过插值运算,绘制煤层底板突水危险性分区图(图5)㊂图5㊀富水构造型突水系数等值线由图5可知,富水构造型突水系数法评价结果突出了富水性㊁构造的影响,与初始突水系数法评价结果相比,该评价结果预警意义显著㊂正常块段突水危险区有3个,其中Ⅰ区受水压和断层影响明显,突水系数突破了0．1MPa /m 的临界值;Ⅱ区主要受断层影响,突水系数明显增大;Ⅲ区受陷落柱影响显著㊂矿井采掘工程表明,若依据原始突水系数评价结果,下组煤开拓大巷属安全区,但实际上出现巷道底板突水现象,而富水构造型突水系数法可以对该情形进行预测,是该方法的优势所在㊂5　结束语(1)煤层底板突水是多重地质㊁采矿因素综合影响的结果㊂初始突水系数计算式采用水压和隔水层厚度2个计算要素反映众多影响因素对底板突水的作用结果,在水压低㊁采动影响适中等历史背景条件下具有其合理性和实用性,但是其并非普适于各个矿井㊂随着深部开采㊁地质复杂矿井㊁富水性不均底板等矿井的增多,进行多计算要素形式的探讨研究是有实践意义的㊂(2)探索性地将底板含水层的富水性和地质构造对底板突水的作用,以量化的计算要素形式纳入突水系数的计算,提出含水层富水性系数和底板完整性系数及其计算方法㊂(3)富水构造型突水系数法所反映的含水层富水性和构造区威胁,均是基于已探明的水文地质条件和构造分布而形成的评价结果,因此,矿井应进一步查明未采区水文地质条件,采用先进探测技术对含水层富水性㊁地质构造进行探查,查明其富水性和导水性特征,进而进一步修正突水系数法的评价结果㊂[参考文献][1]武㊀强,张志龙,张生元,等．煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅱ 脆弱性指数法[J 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