地下水突水系數(shù)在安全開采評(píng)價(jià)中的應(yīng)用缺陷

賀志宏

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 介休032000)

我國(guó)煤炭資源豐富，是能源組成的重要部分，然而我國(guó)也是世界上煤礦水害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)有60%的煤礦不同程度地受到底板巖溶承壓水的威脅，僅華北地區(qū)受其危害的礦井就有230多個(gè)，造成40%左右的煤炭不能正常開采。采煤工作面或巷道底板隔水層之下巖溶承壓水突水事故占我國(guó)煤礦總突水事故的30%以上。

中國(guó)煤田經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的開采，底板水害日趨嚴(yán)重，如何將這些煤炭從承壓水威脅中解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)，一直是中國(guó)煤礦水害防治技術(shù)研究的重要課題。

煤層底板突水影響因素很多，但主要是含水層的富水性、水壓力以及隔水巖層等。含水層的富水性是發(fā)生底板突水的內(nèi)在因素，它決定著突水水量的大小及突水量的動(dòng)態(tài)特征，水壓力的存在是驅(qū)動(dòng)含水層水流入礦坑的動(dòng)力，而底板破壞所形成的破裂是地下水得以流動(dòng)的通路和咽喉，只有當(dāng)三者同時(shí)存在并達(dá)到某種特殊組合時(shí)，才能發(fā)生底板突水。長(zhǎng)期以來(lái)，研究礦壓、水壓及隔水巖層阻水能力之間的相互關(guān)系成為研究采煤工作面底板是否突水的核心問(wèn)題。突水系數(shù)概念的提出是這一研究成果的典型代表。但從突水系數(shù)研究的過(guò)程可以看出，突水系數(shù)的計(jì)算公式還存在一定的問(wèn)題。

1 突水系數(shù)在煤層帶壓開采中的演變

對(duì)煤層底板水害的研究歷史可直接反映于突水系數(shù)理論的發(fā)展變化過(guò)程，關(guān)于突水系數(shù)值的計(jì)算方法經(jīng)歷了多次變化和修正。

60年代，最早提出的突水系數(shù)就是作用于底板隔水層的水壓與底板隔水層厚度之比值。其表達(dá)式可簡(jiǎn)單地寫為:

式中:Ts為突水系數(shù)(MPa/m);P為作用于隔水層底板的水壓力(MPa);M為底板隔水巖層厚度(m)。

這一公式顯然過(guò)于簡(jiǎn)單，未能考慮采礦等諸多因素的影響。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)全國(guó)部分礦區(qū)突水實(shí)際資料的分析和底板隔水層壓水試驗(yàn)，對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行了修正:

式中:CP為采礦造成的導(dǎo)水裂隙帶厚度(m)。

其它參數(shù)同上。

后來(lái)，又提出了下三帶理論，將煤層底板劃分為礦壓破壞帶、完整隔水帶及原始導(dǎo)高帶。

對(duì)突水系數(shù)公式進(jìn)一步進(jìn)行修正:

式中:MⅠ為礦壓破壞帶厚度(m);MⅡ?yàn)橛行Ц羲畬雍穸?m);MⅢ為原始導(dǎo)升帶厚度(m)。

其它參數(shù)同上。

式(3)較式(1)相比，充分考慮了礦壓及水壓對(duì)底板隔水層的破壞和影響，應(yīng)該說(shuō)更加符合實(shí)際情況，但該公式中仍未考慮底板隔水層是由不同性質(zhì)的巖層復(fù)合而成，且不同巖石有著完全不同的力學(xué)性質(zhì)和抗水壓能力。因此，不能單純以巖層的實(shí)際厚度來(lái)計(jì)算突水系數(shù)，而應(yīng)根據(jù)巖石本身的力學(xué)強(qiáng)度和隔水性能對(duì)實(shí)際厚度進(jìn)行計(jì)算，得出一個(gè)假定巖體強(qiáng)度和隔水性能均一的等效隔水層厚度(Me)。為此，就提出了等效隔水層厚度的計(jì)算公式:

式中:M為底板隔水層的實(shí)際量測(cè)厚度(m);Me為底板隔水層的等效厚度(m);ξ為底板隔水層的強(qiáng)度比值系數(shù);Mi為底板隔水層中某一性質(zhì)巖石的厚度百分底板隔水層中i層巖石的強(qiáng)度比值系數(shù)。

不難看出，確定有效隔水層厚度的關(guān)鍵在于如何確定不同性質(zhì)巖層的強(qiáng)度比值系數(shù)，對(duì)于這一問(wèn)題目前還缺乏系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究，王夢(mèng)玉教授曾根據(jù)邯鄲地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)資料獲得了下表1所列的強(qiáng)度比值系數(shù)。

在獲得了等效隔水層厚度后，并考慮礦壓和原始水壓的因素所得到新的突水系數(shù)的計(jì)算公式如下:

式(5)對(duì)底板隔水層的分帶性、分層性及其巖性特征都有所考慮，應(yīng)該說(shuō)比前述的幾種突水系數(shù)計(jì)算方法有了很大的改進(jìn)。

但從突水系數(shù)計(jì)算公式的演變過(guò)程來(lái)看，不難看出，其主要研究工作都集中于對(duì)底板隔水層本身結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)上，而對(duì)作用在煤層底板隔水層上的水壓力的研究沒(méi)有涉及。在計(jì)算中我們利用的水壓值為煤層隔水層底板含水層水壓力，而實(shí)際的水壓值應(yīng)為含水層水流在導(dǎo)升帶中劈裂導(dǎo)升后的水壓值，即為殘余水壓(如圖1)。

圖1 底板隔水層不同位置水壓力分布示意圖

由此可見(jiàn)，考慮多種因素的底板隔水層突水系數(shù)的計(jì)算公式應(yīng)為:

式中:PC為為原始水壓導(dǎo)升帶上駐點(diǎn)的殘余水頭壓力;P0為煤層底板含水層原始水壓(MPa);η為含水層水流在隔水層導(dǎo)升帶中遞升過(guò)程中的水頭損耗率;K為隔水層滲透系數(shù)(m/d)。

其它參數(shù)同上。

公式(7)與以上其它計(jì)算公式相比，突水系數(shù)計(jì)算公式有了更進(jìn)一步的改進(jìn)，更能客觀、全面地反映煤層開采實(shí)際條件。它不僅考慮了煤層底板的分帶以及底板巖性組合，而且還考慮了煤層底板的殘余水壓?jiǎn)栴}，使公式更反映條件真實(shí)性，更具有實(shí)用性。對(duì)重新定義受水威脅煤炭資源的概念以及深部煤炭安全開采預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有重要意義。

2 突水系數(shù)在煤層帶壓開采應(yīng)用中存在主要缺陷

多年來(lái)，由于突水系數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)單，易于分析，被大家一直廣泛應(yīng)用于礦井煤層帶壓開采的安全分區(qū)評(píng)價(jià)中，對(duì)煤礦安全開采起到了至關(guān)重要的指導(dǎo)作用。但從突水系數(shù)計(jì)算公式演變過(guò)程可以看出，突水系數(shù)的應(yīng)用還存在諸多問(wèn)題。

在2009年12月1日《煤礦防治水規(guī)定》頒布實(shí)施之前，大家廣泛應(yīng)用的突水系數(shù)計(jì)算公式一般為公式(3)，而且很長(zhǎng)一段時(shí)間被業(yè)內(nèi)認(rèn)可。該公式計(jì)算中考慮了煤層底板采動(dòng)破壞深度及底板隔水層的原始導(dǎo)升高度，與原始公式(1)相比有較大的改進(jìn)。但根據(jù)突水系數(shù)安全分區(qū)臨界值為一統(tǒng)計(jì)值，只與最初原始公式計(jì)算結(jié)果具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而與公式(3)無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系。鑒于以上情況，在《煤礦防治水規(guī)定》中將突水系數(shù)計(jì)算公式修改為公式(1)。

而從突水系數(shù)計(jì)算公式演變過(guò)程來(lái)看，利用公式(1)計(jì)算突水系數(shù)計(jì)算及應(yīng)用存在諸多缺陷:

(1)計(jì)算公式中未考慮煤層底板隔水層實(shí)際存在的采動(dòng)擾動(dòng)破壞深度及原始倒升高度，增大了隔水層厚度，與生產(chǎn)實(shí)際不符，缺乏一定的真實(shí)性;

(2)計(jì)算公式中只考慮了煤層底板隔水層的厚度，而對(duì)隔水層自身的特性(如強(qiáng)度、滲透性、阻水性等)未加考慮，不論隔水層的強(qiáng)度大小如何、滲透性及阻水性強(qiáng)弱，只要煤層底板隔水層厚度相等，底板受水壓力一樣，則突水系數(shù)值也就一樣，缺乏一定的科學(xué)性;

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，煤層底板隔水層存在原始導(dǎo)升高度時(shí)，含水層水流在隔水層導(dǎo)升過(guò)程中存在一定的壓力損耗(如圖2)，而實(shí)際作用在煤層底板隔水層上的水壓力為含水層水導(dǎo)升后的殘余水壓力Pc，而不是P0。

圖2 隔水層中殘余水頭隨導(dǎo)升高度變化曲線圖(滲透系數(shù)K=0.067 8m/d)

(4)由于突水系數(shù)計(jì)算未考慮隔水層自身特性，不論隔水層強(qiáng)度及阻水性如何，而煤層開采安全性是一樣的，因此，利用公式(1)計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)煤層帶壓開采安全性對(duì)實(shí)際生產(chǎn)存在一定的誤導(dǎo)和安全隱患。

3 突水系數(shù)計(jì)算公式選擇、參數(shù)獲取及存在問(wèn)題

從突水系數(shù)計(jì)算公式演變過(guò)程中可以看出，計(jì)算公式(7)較為完善，并越來(lái)越嚴(yán)密，更加切合實(shí)際，對(duì)礦井安全生產(chǎn)更具有指導(dǎo)意義。

3.1 公式(7)中各參數(shù)的獲取

(1)殘余水壓Pc可利用原始導(dǎo)升高度隔水層的滲透系數(shù)計(jì)算獲得。

(2)底板隔水層厚度應(yīng)根據(jù)鉆孔資料利用強(qiáng)度比值系數(shù)對(duì)地層進(jìn)行有效折算后使用。強(qiáng)度比值系數(shù)可根據(jù)表1進(jìn)行選取。

(3)底板破壞深度一是可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式計(jì)算，二是根據(jù)區(qū)域或條件相似礦井在井下利用注水試驗(yàn)等方法實(shí)測(cè)獲取。建議采用礦區(qū)帶壓開采礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以便更有效指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)。

(4)原始導(dǎo)升高度可根據(jù)底板隔水層探查鉆孔資料和物探資料進(jìn)行實(shí)測(cè)分析求取。

3.2 不足及存在問(wèn)題

(1)公式(7)計(jì)算及參數(shù)獲取稍顯繁雜。

(2)計(jì)算結(jié)果無(wú)與之對(duì)應(yīng)帶壓開采安全分區(qū)臨界值。這也是目前公式無(wú)法推廣使用的關(guān)鍵問(wèn)題所在。臨界值需要根據(jù)近幾年全國(guó)礦井突水資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析獲得。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)目前《煤礦防治水規(guī)定》突水系數(shù)計(jì)算存在諸多不足，且對(duì)煤礦安全開采評(píng)價(jià)存在一定安全隱患。

(2)新的突水系數(shù)計(jì)算方法更加嚴(yán)密精確、科學(xué)合理，更加切合實(shí)際，對(duì)煤炭開采水害防治具有重要意義。

(3)突水系數(shù)對(duì)礦井帶壓開采評(píng)價(jià)具有重要的指導(dǎo)作用。雖然計(jì)算公式在不斷更新，但其還存在一定的不足及問(wèn)題，今后需進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。

[1]田干.煤層底板隔水層阻抗高壓水侵入機(jī)理研究[D].中煤科工集團(tuán)西安研究院.2005.8.

[2]田干.突水系數(shù)計(jì)算公式的演變與實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭工程.2010(5):99－102.

[3]煤科總院西安分院.華北型煤礦奧灰?guī)r溶水綜合防治工業(yè)性試驗(yàn)科研報(bào)告[R].1995.

[4]虎維岳.礦山水害防治理論與方法[M].煤炭工業(yè)出版社.2005.9.