煤矿底板突水评价突水系数_单位涌水量法_乔伟
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]。
综放开采条件下煤层顶板涌(突)水危险性评价
综放开采条件下煤层顶板涌（突）水危险性评价综放开采条件下的煤层顶板涌水，是指在煤矿综采作业过程中，由于地质构造、煤层中水文条件和开采技术等因素的影响，导致煤层顶板产生大量的水涌出。
煤层顶板涌水是煤矿安全生产的一个重要问题，必须对其进行科学的危险性评价，以制定相应的防治措施，确保煤矿工作人员的生命安全和财产安全。
煤层顶板涌水的危险性评价主要包括以下几个方面：1. 涌水量评价：根据煤层水文地质条件和矿井开采水平，评估涌水量的大小。
涌水量大时，可能对矿井的综放作业产生严重的影响，导致充水、冒水等危险情况的发生。
2. 预测涌水时间评价：通过分析矿井开采历史数据和煤层水文地质情况，预测煤层顶板涌水的时间。
及时准确地预测涌水时间，有利于采取相应的防护措施，避免发生事故。
3. 涌水来源评价：分析涌水的来源和渗流路径，判断煤层顶板涌水的可能性和潜在危险。
确定涌水来源后，可以有针对性地采取措施，加强对涌水区域的管理和监测，确保安全生产。
4. 涌水深度评价：评估煤层顶板涌水的深度，即涌水发生的位置。
涌水深度是确定涌水危险性的重要指标，涌水深度大时，可能导致井下的积水现象，威胁到工作人员的安全。
5. 应急预案评价：根据涌水危险性评价结果，制定相应的应急预案。
应急预案应包括煤层顶板涌水的处理方法、人员撤离的路径和方法、救援资源的调配等内容，以应对涌水事故的发生。
在进行煤层顶板涌水危险性评价时，需要充分考虑地质构造、煤层地质、水文地质条件、煤层开采技术和矿井的工作状态等因素。
还需要利用现代科技手段，如数字化矿山、智能化设备和数据分析等，辅助进行涌水危险性评价，提高评价的准确性和科学性。
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 ].煤炭学报,2007,32(11):1121-1126．[2]武㊀强,樊振丽,刘守强,等．基于GIS 的信息融合型含水层富水性评价方法 富水性指数法[J].煤炭学报,2011,36(7):1124-1128．[3]樊振丽,武㊀强,孙晓宇．梧桐庄矿多含水层底板突水危险性评价[J].煤矿开采,2011,16(5):89-93．[4]刘㊀钦,孙亚军,徐智敏．改进型突水系数法在矿井底板突水评价中的应用[J].煤炭科学技术,2011,39(8):107-109．[5]李本军,刘海新,刘晓威．突水系数法在煤矿深部开采中的应用[J].河北工程大学学报(自然科学版),2011,28(3):68-70,90．[6]樊振丽,胡炳南,申宝宏．煤层底板采动导水破坏带深度主控因素分析[J].煤矿开采,2012,17(2):5-7．[7]聂伟涛．突水系数法评价煤层底板带压开采的局限性[J].山西焦煤科技,2013(10):67-69．[8]乔㊀伟,李文平,赵成喜．煤矿底板突水评价突水系数-单位涌水量法[J].岩石力学与工程学报,2011,39(8):107-109．[9]王计堂,王秀兰．突水系数法分析预测煤层底板突水危险性的探讨[J].煤炭科学技术,2011,39(7):106-111．[10]王作宇,刘鸿泉．承压水体上采煤[M].北京:煤炭工业出版社,1993．[11]武㊀强．矿井水灾防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,2002．[12]武㊀强,金玉洁．华北型煤田矿井防治水决策系统[M].北京:煤炭工业出版社,1995．[13]樊振丽．煤矿陷落柱水害特征与防治技术研究[J].煤炭工程,2011,43(8):93-95．[14]天地科技股份有限公司．山西柳林金家庄煤业有限公司下组煤开采底板突水危险性评价报告[R].2017．[15]王计堂,王秀兰．汾源井田主采煤层底板突水危险性分析[J].资源与产业,2012(2):133-137．[16]齐庆新,潘一山,舒龙勇,等．煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构[J].煤炭学报,2018,43(7):1801-1810．[17]樊朋飞．疏水降压技术在西坡煤矿水害防治中的应用[J].山西煤炭,2018(1):23-27．[18]杨延文．霍州煤电庞庞塔煤矿矿井充水条件及突水危险性评价[J]．内蒙古煤炭经济,2018(11):108-110,69.[19]陈㊀超,宋正宇,石小蒙．张双楼矿区9#煤层底板突水危险性分析及防治[J].中国煤炭,2012(4):103-106．[20]常海雷．奥灰顶部相对隔水性及其在底板突水评价中的应用[J].中国煤炭,2018(8):131-135．[21]李宏杰,马㊀君,姜㊀鹏,等．准格尔煤田岩溶水文地质特征及水害防治技术[J].煤矿安全,2018(9):246-251．[22]李金松．导水裂隙带影响下的煤层稳定性及安全开采措施研究[J].山东煤炭科技,2018(8):153-155,162．[责任编辑:徐乃忠]39。
华北下组煤底板突水及涌水量预测方法浅析
华北下组煤底板突水及涌水量预测方法浅析
杜金龙;曾健勇
【期刊名称】《中国煤炭地质》
【年(卷),期】2011(023)009
【摘要】华北地区下组煤资源丰富,却深受奥灰水困扰,有必要进行煤层底板突水评价及矿井涌水量预测.文章首先简要介绍了常见的底板突水评价及矿井涌水量预测方法,指出了各自的优缺点及适用条件.之后以显德汪矿9#煤层为例开展案例研究,研究结果表明:矿区中南部可划为底板突水危险区；若将突水危险区-200m水平奥灰水压降至安全水压,预测涌水量为2 000m3/h;目前实际开采9*煤突水过渡区,在使用必要的注浆措施后,发现回采是安全可行的.本研究在提升煤炭资源保障能力、延长矿山开采年限和加强煤炭安全生产方面具有理论与实践意义.
【总页数】4页(P38-41)
【作者】杜金龙;曾健勇
【作者单位】中国煤炭地质总局勘查总院,北京丰台100039;冀中能源股份有限公司显德汪矿,河北邢台054100
【正文语种】中文
【中图分类】P641.4+.61;TD742+.1
【相关文献】
1.南屯煤矿下组煤十三采区底板突水危险性分区与评价 [J], 王冰渡
2.湖下深部开采下组煤底板突水危险性分区分级预测 [J], 王思栋;邓涛;张历峰;孙
家利;吴焘;史永理;宋桂芸
3.基于GIS和脆弱性指数法的下组煤底板突水危险性评价 [J], 刘中伟
4.山西南阳矿奥陶系岩溶水赋存运移特征\r及下组煤底板突水危险性评价 [J], 李志有;郑刚
5.永红井田下组煤层有效隔水层及底板突水危险性评价研究 [J], 李鹏
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山西霍宝干河煤矿煤层底板突水评价与预测预报研究
山西霍宝干河煤矿煤层底板突水评价与预测预报研究煤层底板水害因其剧烈的致灾性引起了国内外广泛研究与关注。
近年来,作为山西焦煤霍州煤电集团主力生产矿井之一的霍宝干河煤矿,其主采煤层(上组2#和下组10#煤层)开采正受到煤层底板承压含水层水的巨大威胁。
针对以上问题,为控制煤层底板承压含水层水对该矿主采煤层开采构成的威胁,文中综合运用水文地质钻探、抽水试验、水文测井、岩与水试样测试、煤层底板破坏理论计算和有限元RFPA-2D数值模拟分析、“脆弱性指数法”和“五图双系数法”煤层底板突水评价等技术方法,对该矿2#和10#主采煤层在其底板石炭系太原群灰岩和奥陶系灰岩含水层水源威胁下的底板突水危险性进行了评价区划,并与实际开采揭露的水文地质条件进行了对比与完善,优选了适合相似地质条件下相关问题的综合评价技术与方法,并提出了针对具体评价结果和煤层回采实际揭露水文地质条件的煤层底板水害评价方法与防控措施,为保障矿山的安全开采提供了重要技术支持。
通过以上相关研究,其主要成果如下:⑴通过水文地质钻探、抽水试验、水文测井和岩、水试样分析测试和相关理论计算等工作方法与技术手段,查明了矿井边界断层性质及其对矿井开采的威胁,预测了未来开采矿井涌水量,查明了石炭系太原群灰岩(K2灰岩)和奥陶系灰岩的厚度、岩性和富水性等特征,即:K2灰岩属弱富水性含水层,而奥陶系灰岩属强富水性含水层;查明了主采煤层(上组2#煤和下组10#煤,下同)与其底板主要承压含水层的隔水层厚度、岩性、岩石力学指标和阻水性能等特征,查明了主要煤层底板各主要承压含水层之间的水力联系,即奥灰含水层在局部通过垂向构造补给K2灰岩含水层,是K2灰岩含水层的主要补给来源。
⑵运用有限元RFPA-2D软件对上组2号煤开采造成的底板矿压破坏范围进行了数值模拟分析,并将其模拟结果与理论计算及周边矿井原位实测经验值及成果进行了对比分析。
即:在考虑随工作面长度推进和工作面不同采宽时的该煤层底板矿压破坏深度为约14m,小于理论公式及现场实测成果的22~25m,为确保后续评价成果安全性,将经理论公式计算和周边矿井原位实测成果作为后续评价主要依据。
水文地质学部分实用公式
1、 突水系数《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘察评价标准》（MT/T1091-2008）附录E（1）适用于水文地质条件简单、含水层富水性较弱、补给条件差的矿区Ts 突水系数MPa/mP 隔水层承受的水压，MPaCp 采矿对底板隔水层的扰动破坏厚度，m M 底板隔水层厚度，m（2）水文地质条件复杂、含水层富水性较强、补给条件较好的矿区。
含义同上。
2、 地下径流模数=集水面积平均流量 单位：2km s /L ⋅3、矿井涌水量：一、水文地质比拟法预算矿井涌水量 原理和应用条件：水文地质比拟法就是利用地质和水文地质条件相似、开采方法基本相同的开采矿区或生产矿井的排水资料，来预计勘探矿区或新建矿井的涌水量。
应用前提是勘探矿区的地质、水文地质条件与开采矿区或生产矿井基本相似，老矿井要有较长期的水量观测资料，以保证涌水量与各影响因素之间数学关系表达式的可靠性。
一般而言，水文地质比拟法主要适用于条件比较简单，充水岩层的透水性比较均一的孔隙或裂隙充水矿床，特别是用于已有多年生产历史的矿井。
根据上水平的实际排水资料预测延伸水平的涌水量或根据生产采区的排水资料预测延伸水平的涌水量，效果更好。
计算方法：（1）富水系数比拟法：根据0p P Q K =K p 为富水系数，Q 0为一定时期内从矿井排出的总水量，m 3； P 0为同时期内的矿石开采量，t ； 得出：Q=K p ·P原来的生产矿井的K p 值乘以同时期新矿井的设计开采量P ，即得新矿井的涌水量（2）单位涌水量比拟法：根据地下水符合层流或紊流状态，选择下述公式：层流000S F Q q =紊流0000S F Q q =F 0、S 0、Q 0分别为老矿井的开采面积、水位降深和排水量。
所以新矿井的涌水量Q 比拟计算式为F 、S 分别为新矿井的设计开采面积和水位降深。
既非层流又非稳流，改进公式：m 和n为待定系数，根据经验通过计算或曲线拟合确定，或用最小二乘法求得。
矿井防治水文常用计算公式
矿井防治水文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。
煤层底板突水评价及涌水量预测方法研究
能源技术与管理2021年第46卷第1期140Energy Technology and Management Vol.46No.l+oi:10.3969/j.issn.1672-9943.2021.01.049煤层底板突水评价及涌水量预测方法研究宋忠亮1,邓新刚2,陈玉海2(1.枣庄矿业(集团)有限责任公司地质测量处，山东枣庄277000；2.枣矿集团柴里煤矿，山东枣庄277000)［摘要］重"介绍了断裂构造发育区底板承压水突水危险性评估方法，并结合相关法规标准，运用突水系数法和安全隔水层厚度比值系数法等多种方法综合进行安全评价，指导制定针对性防范承压水突水措施，保证了工作面安全回采,取得了较好的效果。
［关键词］承压含水层；断层发育；突水防范；安全评估［中图分类号］TD74［文献标识码］B%文章编号］1672-9943(2021)01-0140-020引言目前国内外已经积累了大量的煤矿底板水防治经验，从研究煤层底板突水机理到煤层底板突水的预测预报,都取得了大量的成果。
近年来,随着开采深度的增大，灰岩水害威胁日益严重，已经岀现过几次大的底板水害事故,但煤矿水文地质条件都不尽相同，各有其特殊性，采取何种底板水防治，到煤开采。
从底板水层考虑，三灰水水害的特征为煤层底板至含水层面的水层，采煤破底板三灰水突水。
，面采大量水开采的，防面事故［1-5］o矿煤矿23下614面处于3条40~360m层成的地。
该工作面开采3层煤，走向长在1264.5~1268.4m,倾向长在84.5~195.2m，面积为194622m2,煤层度 1.80~5.60m(平度3.60m)。
开采煤层层灰岩含水层，过新水为0.3MPa,上距开采煤层间距仅在20.46~36.06m,水文地质条件相。
煤层底灰灰含水层，煤层岀现浸润渗水现象，水质化验奥灰水质相近。
为查清水文地质条件，保证开采期三灰含水层水不突水事故，保障面开采期间的产，运用突水数法水层度值数法等多种法底三灰突水风险合评价，为面类似水文地质条件面防治水积累了丰富的经验。
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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)。
第 28 卷 第 12 期 2009 年 12 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.28 No.12 Dec.，2009
煤矿底板突水评价突水系数–单位涌水量法
乔 伟，李文平，赵成喜
(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008)
收稿日期：2009–03–16；修回日期：2009–05–19 基金项目：国家自然科学基金重点项目(40572160) 作者简介：乔 伟(1984–)，男，2006 年毕业于中国矿业大学地质工程专业，现为博士研究生，主要从事岩土工程、水文地质与工程地质方面 的研究工作。E-mail：qweiqlm@
第 28 卷 第 12 期
乔 伟，等. 煤矿底板突水评价突水系数–单位涌水量法
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带”理论应用于底板突水评价；孔海陵和陈占清[9]用 突水因数分析了突水危害性；中国生等[10]把突变理 论应用于底板突水预测；目前，现场实用最多的仍 为突水系数法。焦作、峰峰、淄博、肥城、淮北等 矿区进行下组煤开采已有 40 余年的历史。早期开采 时，一般深度较小，奥灰对开采工作面底板隔水层 的水压一般都小于 3 MPa(大部分为 1～2 MPa)；经 过长期的开采实践和科学研究，相关专家和学者们 编制了《矿井水文地质规程》(1984 年)和《煤矿防治 水工作条例》(1986 年)，明确用突水系数 Ts(底板充水 含水层水压除以隔水层厚度)来分析评价底板突水 危害程度，其临界值为 0.06～0.15 MPa/m(防治水条 例为 0.06～0.10 MPa/m)。开采实践验证，在一般水 压下(小于 3 MPa)，用突水系数来评价开采的安全 性，基本符合实际，这是中国煤矿水文地质学家及 相关专业技术人员对煤矿开采水害防治的巨大理论 和技术贡献。随着开采深度的逐渐增大，奥灰的水 压逐渐增高；深部开采中，底板岩层在高围压下卸 荷产生底板破坏带，加之奥灰导升带高度，由水压 除以相对隔水层厚度得到的突水系数远远大于规范 规程中所规定的上限值。但是在某些井田，下组煤 埋深可达 1 200 m，奥灰亦处于向斜构造的核部，奥 灰水水压达 7.3～13.0 MPa，为底板超高承压水，突 水系数达 0.144～0.256 MPa/m，最小值亦超过规范 安全开采突水系数上限，由于奥灰岩层位于深部， 在高围压条件下，裂隙不发育，且没有强迳流带，富 水性差，钻孔单位涌水量为 0.01～0.10 L/(s·m)，含 水层连通性不强。突水系数法评价开采危险性已经 不能完全适用于深部开采，本文拟在突水系数方法 的基础上，引入含水层富水性指标——单位涌水量(q 值)，作为突水系数法的补充，建立 Ts-q 法来评价底
M imi − CP
Ts = p /(m − a − bH )
Ts 为突水系数 p 为水压值(MPa) m 为隔水层厚度(m)
CP 为矿压破坏底板深度(m)
m0 为等效隔水层厚度(m) Mi 为隔水层底板各分层真厚度(m)
mi 为各分层等效厚度换算系数 a，b 均为待定系数 H 为采深(m)
焦作防治水会战 首次发现并采用
水系数较大的深部开采底板突水安全评价提供参考依据。
关键词：采矿工程；突水系数的单位涌水量法；富水性；深部开采
中图分类号：TD 823.84
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2009)12–2466–09
WATER INRUSH COEFFICIENT-UNIT INFLOW METHOD FOR WATER INRUSH EVALUATION OF COAL MINE FLOOR
3 Ts-q 评价方法初步探讨
3.1 含水层富水性与深度关系现场试验 裂隙的发育往往与地应力有关，地应力越大裂
隙闭合程度越大，则含水条件越差，垂直方向最大 主应力往往根据深度和岩层重度的乘积计算得到。 为了了解一定区域同一裂隙岩溶含水层不同深度内 的富水性差异，进行现场试验是非常必要的。在东
年代 20 世纪 60 年代前 20 世纪 70 年代末 20 世纪 80 年代初 20 世纪 80 年代中期
1引言
我国煤矿床水文地质条件复杂，特别是岩溶水 经常突入矿坑危害生产安全，华北型煤田下组煤(太 原组煤)开采，普遍受到煤系地层基底奥灰承压含水 层的威胁。我国相关领域的专家和学者对底板突水
问题进行了大量的研究，武 强等[1～3]提出了主控指 标体系建设方法、脆性指数法以及 GIS 与 ANN 耦 合技术等新型实用方法；李 丽和程久龙[4]应用信息 融合对底板突水预测；尹会永等[5]用多源信息复合 的方法评价底板突水；石秀伟等[6]建立了基于 GIS 的煤层底板突水预测模型；雷贵生和韩德品[7]用电 法探测了底板潜在突水构造；于小鸽等[8]将底板“四
0.024 233
考虑矿上压力活动因素
考虑隔水层岩石结合特点， 隔水性能因素 考虑埋藏深度在 隔水层中的作用
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岩石力学与工程学报
2009 年
表 2 国内部分底板高突水系数工作面实施开采情况 Table 2 Mining condition of some working faces with high water inrush coefficient in China
QIAO Wei，LI Wenping，ZHAO Chengxi
(School of Resources and Earth Science，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China)
Abstract：Based on the water inrush coefficient Ts，the unit inflow q，an index reflecting water bearing of the aquifer，is introduced. Based on statistical analysis of a large number of examples of water inrush，the relationships between water inrush potential，water inrush coefficient，and the water-enriched properties of aquifer are further researched. The achieved laws of water inrush are discussed. And a new method for evaluating risk of floor water inrush is put forward. The method of water inrush coefficient-unit inflow method can be a supplement for evaluating water inrush coefficients. The achieved results can be provided for evaluating water inrush risk of floor in deep mining of some mining areas，in which the water-enriched properties of aquifer are not obvious but water inrush coefficient is larger. Key words：mining engineering；water inrush coefficient-unit inflow；water-enriched properties；deep mining