里必井田承压水带压开采评估

任亚峰

(中煤华晋集团晋城能源有限公司，山西 晋城 048200)

0 引言

我国煤矿水害事故时有发生，其中煤层底板承压水突出是发生水害事故的原因之一。为了减少该类事故的发生，需要对底板突水的危险性进行准确评价，但是，由于底板突水机理的复杂性，突水影响因素的多样性，使得底板突水的预测预报一直成为研究的难点和热点问题[1-3]。煤层底板突水是一个受多种因素影响的复杂系统，在进行危险性评价时，要考虑多个因素的影响，如断层构造底板抗压强度、有效隔水层厚度、奥灰含水层水压、破坏深度、奥陶系灰岩渗透系数等[4-7]。

长期以来，众多学者和现场工程技术人员对煤层底板突水预测等方面做了深入研究，主要评价方法有斯列萨列夫公式法、突水系数法和武强的脆弱性指数(五图-双系数)法等，还有其他学者和科研工作者提出的各种支持性理论、模型等[8-11]。为此，主要采用突水系数法对里必井田承压水带压开采进行评估。

1 井田概况

里必井田位于山西省沁水县东约7 km，属于沁水煤田晋城矿区，主要开采煤层为3#和15#煤层，煤层埋深400～1 400 m，目前矿井正处于基建期。

1.1 井田地层及煤层概况

地层概况：井田地层由老至新为奥陶系中统上马家沟组、峰峰组；石炭系中统本溪组，上统太原组；二叠系下统山西组、下石盒子组和上统上石盒子组、石千峰组；三叠系刘家沟组、和尚沟组；第四系更新统及全新统。

煤层概况：对里必井田内的36个钻孔进行统计分析，3#煤、15#煤煤层底板标高统计结果生成等值线图，3#煤、15#煤煤层底板标高等值线分别如图1、图2所示。根据统计结果，3#煤底板标高范围在-106.8～330.47 m之间，15#煤底板标高范围在-204.04～+250.94 m之间，底板标高变化较大。从3#煤、15#煤底板标高等值线图中可看出，井田内3#煤、15#煤底板标高分布均呈现北东方向较低，南西方向较高的特点。

图2 15#煤底板标高等值线图

1.2 井田主要含水层

含水层划分：研究区内的主要含水层自上而下可分为第四系冲洪积孔隙含水层，三叠系砂岩裂隙含水层，二叠系砂岩裂隙含水层，石炭系层间岩溶裂隙含水层，奥陶系岩溶裂隙含水层。其中奥陶系岩溶裂隙含水层的富水性中等，对3#和15#煤开采影响较大。

奥灰含水层：井田内共有12个钻孔揭露奥灰含水层，奥灰含水层顶板标高统计结果显示，奥灰顶板标高范围在-87.75～+196.838 m；奥灰水压等值线如图3所示。整体趋势也是呈现北东方向低，南西方向高的特点。井田内5个钻孔对奥灰含水层进行了观测，得到奥灰水位标高分别为684.298 m、681.126 m、669.417 m、639.77m、630.35m。

图3 奥灰水压等值线图

2 常规突水系数法评价

为充分利用钻孔资料，对未揭露奥灰含水层的钻孔，其15#煤至奥灰的距离采用已揭露钻孔中15#煤至奥灰含水层的平均厚度34.55 m的方式来处理。在奥灰水压值处理时，偏安全考虑，对未揭露奥灰含水层的钻孔中奥灰水位标高拟采用684.298 m。由此进行相关参数的计算，最后，利用常规突水系数法公式分别计算出各钻孔相应的突水系数。

2.1 3#煤突水危险性评价

计算结果：利用突水系数法公式计算结果表明，3#煤底板隔水层厚度在108.04～131.79 m，奥灰含水层中作用在奥灰顶板的水压为4.679～9.229 MPa，3#煤的突水系数T值为0.041 0～0.070 MPa/m。3#煤底板隔水层厚度和突水系数等值线如图4所示。

a-底板隔水层厚度；b-突水系数图4 3#煤底板隔水层厚度和突水系数等值线图

评价分析：依据《煤矿防治水规定》，就全国实际资料看，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m，正常块段不大于0.1 MPa/m。对于3#煤，在远离构造发育的区域可视为正常块段，当其突水系数大于或等于0.1 MPa/m时突水可能性较大，而3#煤的突水系数T值为0.041 0～0.070 MPa/m，正常块段内突水的可能性较小；但在断层周围或陷落柱附近等底板受构造破坏块段开采时，仍然存在底板突水的可能性。此外，矿区东北部为深部采区，突水系数普遍大于0.06 MPa/m，存在一定的底板突水威胁，尤其是在断层、陷落柱附近开采时，更具有底板突水的可能性。

2.2 15#煤突水危险性评价

计算结果：利用突水系数法公式计算结果表明，15#煤至奥灰含水层的距离即15#煤底板隔水层厚度在14.55～44.28 m，奥灰含水层中作用在奥灰顶板的水压为4.679～9.229 MPa，15#煤的突水系数T值为0.134 4～0.504 9 MPa/m。15#煤底板隔水层厚度和突水系数等值线分别如图5所示。

评价分析：依据《煤矿防治水规定》，就全国实际资料看，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m，正常块段不大于0.1 MPa/m。15#煤突水系数T值为0.13～0.50 MPa/m，全部大于0.1 MPa/m，具有较大的底板突水威胁，依照《煤矿防治水规定》，该煤层全区域都具有突水的可能性。为保证安全开采，必须采取相应的防治水措施。

3 等效厚度突水系数法评价

3.1 岩石等效厚度

计算方法：由于煤层底板隔水层是由不同性质的岩层复合而成，不同岩石有着完全差异的力学性质和抗水压能力，因此不能以单纯的岩层实际厚度来计算突水系数，而应根据岩层本身的抗压强度和隔水能力对实际厚度进行计算，得出一个假定岩体强度和隔水能力均一的等效岩体隔水厚度(M′)。等效岩层厚度法计算的突水系数考虑了不同性质岩层的岩石强度和阻水能力，计算更接近生产实际，结果更可靠。则新的突水系数计算公式见式(1)。

(1)

式中：P—煤层底板隔水层承受的水压，MPa；M′—煤层底板隔水层等效厚度，m。

可看出，确定不同性质岩层的强度比值系数是确定有效隔水层厚度的关键所在，但对于这一问题目前还缺乏系统的理论和科学的实验研究，煤炭科学总院西安研究院王梦玉教授研究奥陶水压岩层资料[12]，总结了以下岩层强度等效系数，见表1。

a-底板隔水层厚度；b-突水系数图5 15#煤底板隔水层厚度和突水系数等值线图

表1 岩石强度等效系数表

计算结果：将隔水层中的各种岩性岩层厚度换算成相应的等效厚度，进而累加生成隔水层等效厚度，然后再利用突水系数法，使用公式(1)计算出3#煤和15#煤等效厚度突水系数。15#煤至奥灰之间的等效厚度是采用已经揭露的奥灰钻孔资料中等效厚度的平均值21.115 m作为未揭露奥灰钻孔的等效厚度。

3.2 3#煤突水危险性

计算结果：通过岩层等效厚度计算，可得3#煤至奥灰含水层之间的等效厚度为68.51～92.61 m，利用突水系数法公式计算出的3#煤突水系数T′为0.055 4～0.101 3 MPa/m。绘制3#煤的等效厚度及突水系数T′的等值线图，如图6所示。

a-底板等效厚度；b-突水系数T′图6 3#煤的等效厚度及突水系数T′的等值线图

评价分析：通过等效隔水层厚度计算3#煤突水系数，其采区内的绝大部分区域的突水系数均大于0.06 MPa/m，在构造发育地段，存在一定的底板突水威胁。在井田东北部区域内，突水系数已接近0.1 MPa/m，加之断层、陷落柱等地质构造的影响，会存在较大的突水威胁。因此在实际开采过程中，应预先采取合适的防治水措施，加大重视力度，保证煤矿的安全开采。

3.3 15#煤突水危险性

计算结果：通过岩层等效厚度计算，可得出15#煤至奥灰含水层之间的等效厚度为10.1～30.95 m，利用突水系数法公式计算出的15#煤突水系数T′为0.203～0.727 MPa/m。绘制15#煤的等效厚度及突水系数T′的等值线图，如图7所示。

a-底板等效厚度；b-突水系数T′图7 15#煤的等效厚度及突水系数T′的等值线图

评价分析：根据《煤矿防治水规定》，15#煤层开采突水系数T′值仍然全部大于临界突水系数0.1 MPa/m，最大值甚至达到0.727 MPa/m，正常情况下，奥灰突水威胁性较大，必须采取相应的防治水措施，以实现安全开采。

4 结论

(1)在正常块段内，奥灰水对于3#煤的开采影响不大，但是在局部构造及陷落柱发育地段以及采区东北部区域仍然存在一定的突水可能性，在这些区段开采时应加大重视力度，必要时采取相应的防治措施。

(2)对于15#煤，根据突水系数法评定大部分区域具有较大突水危险性，随着煤层的开采深度增大，加之煤矿开采过程中的底板破坏带的发育，奥灰水对15#煤开采具有较大的威胁，因此煤层开采前必须采取相应的防治水措施，以保证煤矿的安全开采。

(3)等效岩层厚度法计算的突水系数考虑了不同性质岩层的岩石强度和阻水能力，计算更接近生产实际，结果更可靠。但由于缺乏确定不同性质岩层的有效隔水层厚度的系统理论和实验研究，等效厚度突水系数结果还不够精确，还需深入研究，方可更好地指导生产。

(4)突水评价采用了最早提出的突水系数计算公式，该公式未考虑到采煤的诸多影响因素，如开采造成底板裂隙，底板隔水层厚度变薄等。因此，该评价可能与实际生产现场存在差异，只有对突水系数法进行进一步优化后，才能使评价结果更精确。