底板突水系数概念及其应用
基于突水系数法的煤层底板突水危险性评价
基于突水系数法的煤层底板突水危险性评价中国是煤矿开采大国，在煤矿开采过程中经常会有一些危险事故的发生，其中矿井水害是威胁我国煤矿安全开采的主要原因之一。
为有效控制煤层开采导致的煤层底板突水事故，以孙疃煤矿为例，通过对104采区10煤层底板岩性、隔水层特征以及太灰水富水性特征的研究，引入了突水系数法。
比较研究区突水前后的突水系数值，综合评价煤层底板突水危险性。
通过疏放水实验达到安全开采的目的。
结果表明疏放前底板存在突水威胁，疏水后研究区突水系数下降，达到了安全开采的目的。
标签：突水系数；底板突水；危险性评价0 引言近年来，煤矿开采受水害影响严重，尤其是煤层的底板突水，其突水机制复杂且难以预测。
为此，中国包括外国的研究人员通过实地考察，结合资料分析，试图寻找能够有效解决底板突水问题的方法[1]。
突水系数法是其中较为简单的也是使用最为普及的一种方法。
底板突水其实质是在众多的影响条件作用下，煤系地层原本的岩石结构及围岩体系遭到损坏从而导致的地下水动力场失去平衡的现象[2]。
煤层底板突水是一个牵涉到多方面原因的现象，其主要原因是由于水文地质，工程地质，开采条件等的影响所导致的[3]。
孙疃矿区开采煤层主要影响的含水层有太原组地下水岩溶化岩层及含煤沉积岩系砂岩含水层等。
本文在该矿区原有的灰岩水的前提上，通过突水系数法有效的提供了10煤层底板突水危害性的治理方法。
1 矿区概况孙疃煤矿位于安徽省淮北市，其主要的含煤岩层为石炭-二叠系。
整个采区从南至北长约10千米，东西宽约4千米。
其中104采区位于井田北部，其南北分别与102采区与杨柳煤矿相邻，整个采区约有6条勘探线经过，其钻孔主要揭露了太原组地层，以灰岩居多。
本采区构造发育较好，根据10煤层底板的主要岩石性质可知，其煤层底板主要为砂岩，隔水能力较弱。
同时据已有文件记载，104矿区煤层底板突水事件分析中太原组灰岩水和底板砂岩裂隙水是最重要的突水水源[4]。
2 底板突水影响因素分析导致底板突水的原因有很多，世界上很多国家的专家和研究人员都对导致底板突水的原因做了大量的分析与研究，目前认为导致底板突水的原因主要有矿山压力、地质构造、水压力、底板的隔水层特征、工作面开采的宽度和方法等[5]。
底板灰岩水害防治
底板水害防治
3）矿井主要充水含水层以静储水量为主，动态补给 量有限。以静储水量为主的矿井充水含水层发生矿井充 水时，往往是瞬间冲击水量大，后期水量迅速衰减甚至 干枯，当矿井生产诱发该类含水层突（透）水时，往往 在总出水量有限的条件下给矿井带来严重灾害，采用预 先疏水技术可以有效的消减峰值水量而达到消除矿井水 害的目的。
钻孔不少于2个，且钻孔在C33下灰岩内的水平间距 为50～75m。
2、顺层钻孔：
在三灰石门内沿C33上、C33下灰岩施工，孔
深200～500m；三灰石门间距400～ 1000m。
底板水害防治
3、灰岩钻孔施工及管理有关要求：
1）施工前要编制单孔设计和施工安全技术措施；
钻孔终孔层位为C33下灰岩底板，不得进入C34灰岩。
4）煤层底板存在高承压含水层，且煤层与含水层之 间的隔水层厚度较薄，在自然状态下隔水层不能阻抗高 压水的破坏和侵入。在这种条件下，可通过疏放水技术 降低含水层中的压力水头以达到实现带压开采的条件。
底板水害防治
三）局部底板加固疏水降压带压开采
对底板局部构造破碎带（断层破碎带、陷落柱及
影响带等）进行注浆加固，仍然采用疏水降压开采。如
A组煤开采底板水害防治
集团公司生产部 程爱民 二二0一二年十月
底板水害防治
一、A组煤开采底板水害防治技术
A组煤开采底板水害防治技术分为底 板注浆改造、疏水降压带压开采（疏干开 采）、底板局部注浆加固疏水降压带压开 采、加强工作面和矿井强排水开采等。
底板水害防治
一）A组煤底板注浆改造 1、注浆
注浆是通过专门的设备、管路、工程，将预先配制好 的浆液或骨料注入含水层、隔水层中的空隙、断裂破碎带、 岩溶陷落柱、井巷或突（出）水点等，并使之与围岩固结 成不透水（或微透水）的、具有一定强度的整体，从而起 到堵塞过水通道、充填导含水空隙、降低受注岩体渗透性、 增大岩石强度和隔（阻）水作用的一种技术方法。该技术 可广泛地应用于封堵井下突水点以恢复被淹矿井、阻截含 水层水对矿井充水的补给以减少矿井排水量、变含水层为 隔水层以增加煤层顶底板有效隔水层的厚度、隔断连接充 水水源与矿井之间的导水通道以避免矿井突发性突水灾害 等。
煤层底板突水理论现状研究
煤层底板突水理论现状研究我国的煤炭资源的开采受水害威胁严重，尤其是随着开采深度、开采强度、开采速度、开采规模的增加和扩大，来自底部灰岩发育的裂隙岩溶高承压水的威胁日趋严重，煤层底板在采动的影响下其破坏也日趋加剧，许多矿井突水事故与之密切相关。
矿井突水机制是一个涉及采矿工程、工程地质、水文地质、岩体力学、岩体水力学、渗流力学等多门学科的理论课题，弄清楚突水理论机制对于防范底板突水以及底板岩层控制与管理具有重要的理论意义和实际应用价值。
2.底板突水理论研究2.1底板相对隔水层[1]早在20世纪初，欧洲的一些学者就注意到煤矿开采过程中底板隔水层的作用，并从若干次底板突水资料中认识到，只要煤层底板有隔水层，突水次数就少，突水量也小，隔水层越厚则突水次数及突水量越少。
20世纪40年代至50年代，匈牙利韦格弗伦斯第一次提出“底板相对隔水层”的概念。
他指出，煤层底板突水不仅与隔水层厚度有关，而且还与水压力有关。
突水条件受相对隔水层厚度的制约。
相对隔水层厚度是等值隔水层厚度与水压力值之比。
同时提出，在相对隔水层厚度大于1.5m/atm的情况下，开采过程中基本不突水，而80%～88%的突水都是相对隔水层厚度小于此值。
由此，许多承压水上采煤的国家引用了相对隔水层厚度大于2m/atm就不会引起煤层底板突水的概念。
这期间前苏联学者B.斯列萨列夫将煤层底板视作两端固定的承受均布载荷作用的梁，并结合强度理论，推导出底板理论安全水压值的计算公式。
20世纪70年代至80年代末期，很多国家的岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性时，研究了底板的破坏机理。
其中最有代表性的是C.F.Santos(桑托斯)，Z.T.Bieniawski(宾尼威斯基)。
他们基于改进的Hoek-Brown岩体强度准则，引入临界能量释放点的概念分析了底板的承载能力。
2.2突水系数理论我国的底板突水规律研究始于20世纪60年代，当时注意到匈牙利底板相对隔水层理论在实践中的应用，在焦作矿区水文地质大会中，以煤科总院西安勘探分院为代表，提出了采用突水系数作为预测预报底板突水与否的标准。
煤矿底板突水评价突水系数_单位涌水量法_乔伟
0.12
81
一、二、三灰、断层
9
淮北杨庄煤矿
III616 工作面
5.50
0.11
未出水
一、二、三灰
10
淄博黑山煤矿
1088 工作面
6.23
0.13
未出水
奥灰
滩和兴隆庄煤矿进行下组煤勘探时，在不同深度孔 深处取样利用声发射方法进行了地应力测量，并对 奥灰含水层进行了不同深度处的抽水试验，获得了 不同深度处的地应力值(见表 3)和不同深度处奥灰含 水层的钻孔单位涌水量、水压值(见表 4)。
表 4 不同深度处奥灰含水层单位涌水量和水压 Table 4 Unit inflow and water pressure of aquifer in
Ordovician limestone at different depths
测试深度/m
单位涌水量/(L·(s·m)－1)
水压/MPa
544.79
摘要：在突水系数 Ts 基础上，引入反映充水含水层富水性的指标——单位涌水量 q，并在大量突水实例统计分析 基础上，对突水危险性与突水系数、充水含水层富水性之间的关系进行深入研究，得到一些规律性的认识；提出
评价底板突水危险性的新方法：突水系数–单位涌水量法，作为突水系数法的补充，可为含水层富水性较弱而突
板突水危险性。
2 突水系数法的局限性
我国煤矿开采，对于底板水危害程度评价普遍 使用突水系数法计算底板临界隔水层厚度，此方法 是从长期的、大量的突水实际资料的统计分析中得 出的一种规律性的认识，并作为基本规定列入规程 规范和煤矿防治水条例中。几经变革，计算公式较 为完善，见表 1[11]。
该公式中 2 个重要指标为水压和相对隔水层厚 度，这 2 个指标是评价底板突水危险性的关键因素， 包含了含水层和隔水层双重信息，公式简单实用， 但是在反映含水层性质这一方面，仅仅考虑了水压， 没有考虑 q 值这一关键因素，而且在深部开采中， 许多矿区的安全开采深度已经远远超出现行煤矿规 程中所规定的 Ts 值指标，在突水系数超过 0.10 甚至 0.15 的一些开采工作面(肥城查庄煤矿 91002 面，奥 灰 Ts = 0.16；白庄煤矿 10404 面，奥灰 Ts = 0.17； 淄博矿区一些工作面徐灰突水系数 Ts = 0.35，奥灰 Ts = 0.18 等)，但开采中实际出水量较小，或经过采 取治理措施后实现了安全开采(见表 2)。
突水系数法在王家沟煤矿底板突水评价中的应用
从上述两式中可 以看 出， 在其他条件不变 时， Ｐ 惯 性 与Ｃ ２ ／ ３ ． ￣ （ ） 成正 比 ， Ｐ 黏 性 与 ｃ ｌ ／ ２ ｘ ｄ Ｕ 成 正 比 。 当浓 度
矿物颗粒在螺旋分选机 中是 以粒群形 式存在的 ， 其比单个颗粒在螺旋分选机 内的受 力情况 更加复杂 ， 还需要考虑到颗粒间的相互碰撞、 摩擦等 因素。另外 水流 的流 态也 会发 生变 化 ， 固 体颗 粒 的 加入 ， 会减 弱 水 流的紊流程度 。粒群在流膜 中的运动形式主 要表现为 以下两个方面 ： 一方面是悬浮 ， 在泥沙运动学中前者称 为悬移质运动。二是沿底面滑动或滚动 ， 称为推移质 运 动 。其 中粒 群沿 底面 滑 动 的原 理 与单 个 矿粒 沿底 面 滑动的原理是相似的， 不过 对极 细的矿泥 还要考虑矿 粒间的黏结力和矿粒 与底面的附着力的作用。粒群在 流膜 中悬浮除 了水 流作用外 ， 还有颗粒层 间剪切产生 的分 散压 （ 斥力） 。 根据最小应力原则 ， 任 何受到应 力的物体具有将 其结构重新排列 ， 来释放这个应 力的趋势 。当悬浮液 中固体颗粒连 续受到剪切时 ， 垂直 于剪 切方向将产生 种分散压 ， 使颗粒具有向两侧膨胀的倾向， 以降低切 应力。分散压的大小达到使相 当一部分的运动颗粒在 分散压与重力间平衡 ， 保持悬浮状态。这 就是拜格诺 提出的颗粒层 间剪 切松散原理 ， 它较正确地解释 了层 流中大量颗粒能保持悬浮的原因。 拜格诺通过试验提 出计算分散压 的计算 公式 ， 见 式 ３—２ ４ 、 ３—２ ５ 。认为分散压 Ｐ主要是固体浓度 入 为线性浓度 ， 即颗粒直径与颗粒间径向平均分离距离
一
增加时 ， 分散压会 随之 增加。但 当容积浓度在 小范围 内变化时 ， 对矿浆 的黏度 及颗粒在矿 浆内的颗 粒碰撞 概率影响不大 ， 分散压上升的幅度也不明显 ， 即对整个 分选过程影 响不大 。当容积浓度大幅增加时 ， 分散压 随之出现较大的增 加。且 当浓度增加 到某一范 围时 ， 颗粒在矿浆中的存在形式发生变化。由于黏度大 的原 因， 一些颗粒会黏结成团运动 ， 会破坏颗粒按 比重分层 的过程 ， 明显 降 低液流 的 环 流对 矿 物 颗粒 的作 用 ， 选 别 次数大幅降低 ， 对分选过程产生不利影响。
预防矿井底板突水的_下三带_理论及其发展与应用
第18卷第4期山东矿业学院学报(自然科学版)Vol.18№4 1999年12月Journal of Shandong Institute of Mining and T echnology(Natural Science)Dec.1999 文章编号:1000-2308(1999)04-0011-08预防矿井底板突水的“下三带”理论及其发展与应用Ξ李白英(山东科技大学特殊开采研究所)摘 要:总结了二十年来“下三带”理论的发展和应用,对“下三带”的概念、形成、确定方法、测定数据、效果评价等均作了系统深入的论述。
“下三带”理论经过二十余年的理论研究和生产实践已发展得日趋完善,该理论在承压水上安全开采评价及防治矿井底板突水灾害中起了重要作用。
本文旨在促进对该理论的深入理解,更好地推广应用,为矿井安全生产服务。
关键词:下三带;底板导水破坏深度;承压水导高;保护层;阻水带;底板突水中图分类号:TD745+.2 文献标识码:A 我国是世界上矿井水文地质条件中最复杂的国家,相应也是矿井突水灾害发生最频繁、突水量最大,危害最严重的国家。
我们与矿井水害已斗争了五十年,虽然在防治理论与技术上已取得很大进展,但岩溶承压水对矿井安全生产的威胁仍相当严重。
“下三带”理论就是为此而提出并在安全开采评价及指导水害防治中起了重要作用。
经过二十余年的深入研究和生产实践,该理论及其配套技术已日趋成熟和完善,并将收入规程指导生产应用。
为此,撰写此文,对该理论作较系统深入地论述,以便更好地掌握,促进推广应用。
1 “下三带”理论的概念自1979年开始,经过七年深入开采煤层底板内部进行综合观测,并结合模拟实验、电算分析等各项研究成果发现:开采煤层底板岩层也与采动覆岩类似存在着“三带”,故称之为“下三带”以示与覆岩中“三带”的区别。
“下三带”从煤层底面至含水层顶面分为:(1)底板导水破坏带(h1);(2)保护带(h2);(3)承压水导升带(h3)。
煤矿常用计算公式及其应用范围
矿井水文地质常用计算公式目录一、突水系数公式： (1)二、底板安全隔水层厚度(斯列沙辽夫公式)： (2)三、防水煤柱经验公式： (2)四、老空积水量估算公式： (3)五、明渠稳定均匀流计算公式： (4)六、矿井排水能力计算公式： (4)㈠矿井正常排水能力计算： (4)㈡抢险排水能力计算： (5)㈢排水扬程的计算： (5)㈣排水管径计算： (5)㈤排水时间计算： (6)㈥水仓容量： (6)七、矿井涌水量计算： (6)八、矿井水文点流量测定计算方法： (7)㈠容积法： (7)㈡淹没法： (7)㈢浮标法： (7)㈣堰测法： (7)九、浆液注入量预算公式： (8)十、常用注浆材料计算公式及参数： (9)㈠普通水泥主要性质： (9)㈡水泥浆配制公式： (9)㈢水玻璃浓度 (10)㈣粘土浆主要参数： (10)十一、钻探常用计算公式： (10)十二、单孔出水量估算公式： (11)十三、注浆压力计算公式： (11)十三、冒落带导水裂隙带最大高度经验公式表 (12)十四、煤层底板破坏深度计算公式 (12)十五、巷道洞室围岩塑性破坏圈厚度计算 (14)一、突水系数公式：㈠定义：每米有效隔水层厚度所能承受的最大水压值。
㈡公式：Ts＝P/(M-Cp-Dg)式中：Ts—突水系数（MPa/m）；P—隔水层承受的水压（MPa）；M—底板隔水层厚度（m）；Cp—采矿对底板隔水层的扰动破坏深度（m）；Dg—隔水层中危险导高（m）。
㈢公式主要用途：1.确定安全疏降水头；2.反映工作面受水威胁程度。
富水区或底板受构造破坏块段Ts大于0.06MPa/m；正常块段大于0.1MPa/m为受水威胁。
㈣参数取值依据：Ts—常用工作面最大突水系数。
一般按工作面最高水压，最薄有效隔水层厚度计算，或者对工作面分块段计算最大突水系数，取最大一个值作为工作面的最大突水系数。
P—最大水压的取值，一般根据工作面内或附近井下或地面钻孔观测水位与工作面最低标高计算而得，水压值计算至含水层顶面。
突水系数法在煤矿工作中的应用与意义
突水系数法在煤矿工作中的应用与意义摘要：突水系数法作为较早的评价煤矿底板水害威胁程度的方法，具有其明显的适用性与局限性，本文详细介绍了突水系数法的重要性与该方法的产生和发展，并以平朔集团井工三矿为例，建立各个主采煤层的突水系数模型，更为直观的明确各个主采煤层底板受到的水害威胁，对于煤矿的一线工作具有重要的实际意义。
关键词：突水系数；煤层底板；煤矿安全开采与世界其他国家煤矿开采地质条件相比，我国煤矿开采地质条件较为复杂[1]，存在“五大自然灾害”[2]。
近年来，随着深部煤层的开采，煤矿底板突水问题日益突出，严重制约着煤矿的安全生产。
因此，煤层底板突水机理的研究对煤矿的防治水工作具有重要意义。
1突水系数法的重要性在上个世纪50年代末期，受到匈牙利学者韦格弗伦斯提出的底板相对隔水层的影响，我国部分矿区开始采用突水系数的概念[3]，并于1964年的焦作水文会战中，提出利用煤层底板隔水层所承受的水压值与底板隔水层有效厚度的比值来评价突水危险性，即现在的突水系数法[4]。
我国于2009年颁布了《煤矿防治水规定》用以指导煤矿防治水工作，其中明确提出了突水系数法的使用及其临界值[5]。
同时，在2018年颁布的《煤矿防治水细则》中再次强调了突水系数的作用，并有相应附表进行详细叙述[6]。
由此可见，无论是煤矿一线的防治水工作中还是国家官方指导文件中，突水系数都具有重要的意义，对煤矿防治水工作进一步研究的有很大的帮助。
2 突水系数公式的演化突水系数法从提出到目前的几十年时间内得到了极大的发展与补充，并根据含水层特性，隔水层特性以及采动破坏研究成果发展出不同的经验公式。
本文中，笔者主要介绍突水系数法发展中重要的三次修正[7-8]：1、第一次修正是由煤炭科学研究院西安煤田地质研究所于1979年提出的修改：T=P/(M-CP)。
主要变化内容为将隔水层的厚度替换为隔水层总厚度减去矿压破坏带深度CP后的厚度。
2、第二次修正出现在1992年《煤矿安全规程》修编中，突水系数修改为煤层底板隔水层所承受的水压值与底板隔水层有效厚度的比值，表达公式为T=P/(M-CP -Z)，其中底板有效隔水层厚度为总厚度M减去煤层底板矿压破坏深度CP 和隔水层底板的自然承压导升高度Z后的值。