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第 37 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 37 No.4 2009 年 8 月 COAL GEOLOGY water inrush from coal seam floor; coal mining with water pressure; water inrush coefficient; critical water inrush coefficient 煤层底板突水在华北石炭−二叠系煤田采煤过 程中经常发生。形成底板突水的水源主要是奥陶系 岩溶裂隙含水层或与其有水力联系的石炭系薄层灰 岩含水层，而突水通道则往往是断层、陷落柱、裂 隙密集带或其它薄弱带。由于奥灰含水层厚度大， 岩溶裂隙发育，富水性强，因此一旦发生突水，大 部分情况是灾难性的。随着煤炭工业的快速发展， 华北的许多煤矿已进入或正在进入下组煤开采阶 段。与上组煤比较，下组煤埋藏深，距奥陶系灰岩 强含水层近，煤层底板承受的水压大，因此开采下 组煤更容易发生底板突水事故。 为了预测煤层底板突水，国内外学者进行了大 量的试验和研究，提出了很多理论和学说[1-5]，其中 突水系数理论得到广泛应用 [4,6-10]， 对评价和预测煤 矿底板突水起到了积极作用。但由于历史和其他原 因，在实际防治水工作中关于突水系数的计算、临 界突水系数的确定等方面还存在一些值得探讨和研 究的问题。本文在阐述了带水压开采和突水系数的 基础上，给出了突水系数的各种计算公式及公式中 有关参数的取值和确定方法，详细说明了临界突水 系数的由来和应用条件，提出了计算突水系数的新 公式。新公式考虑了水压、隔水层厚度、底板破坏 深度、导升高度和奥灰顶部相对隔水段厚度等诸多 因素，为今后计算和统计分析确定突水系数新的临 界值奠定了基础。 1 带压开采基本概念 带水压开采简称带压开采， 又称承压水上开采 第 4 期 刘其声 关于突水系数的讨论 35 主要指采掘工程采煤工作面和掘进巷道等位于煤 层底板含水层的承压水位以下的一种作业状态。图 1 中，ABC 代表上组煤，DEF 代表下组煤，上组煤的 AB 部分和下组煤的全部处于奥灰承压水位以下， 因 此是带压开采，而上组煤的 BC 部分位于奥灰承压 水位以上是非带压开采。我国北方的许多矿区，如 晋城的寺河矿和成庄矿，潞安的王庄矿情况大体如 此。当奥灰含水层受大气降水补给明显时，带压区 的范围可以发生变化。 图 1 带压开采和非带压开采示意图 Fig 1. Mining with water pressure and mining without water pressure 目前评价带压区内掘进巷道和回采工作面底板 突水危险程度最常用的方法是突水系数法和斯列萨 列夫公式。对于巷道或沿地层倾向跨度小的采掘空 间可用如下斯列萨列夫公式[11-12]来评价 22 p p 8 4 LLK HL t K γγ− ， 1 式中 t 为安全隔水层厚度， m； L 为巷道底板宽度， m；γ为底板隔水层的平均容重，t/m3；KP为底板隔 水层的平均抗拉强度，10−2 MPa；H 为底板隔水层 承受的水头压力，10−2 MPa。如果用式1计算的安 全隔水层厚度 t 小于或等于实际隔水层厚度t实， 即 t≤t实，则安全或极限平衡；如果 t＞t实，则可能发 生突水。斯氏公式的推导是以两端固定承受均布荷 载的这种简化力学模型为基础的，而对于斜长较大 的回采工作面，倾向方向承受的压力，不是均布荷 载而是梯形荷载，因此在评价其底板突水危险程度 时一般不采用斯氏公式，而是采用突水系数方法。 在防治水工作中，斯氏公式适于巷道和跨度小的采 掘工程，而突水系数法既适用巷道，也适用于回采 工作面。用斯氏公式评价回采工作面底板突水危险 程度值得商榷。 2 突水系数与临界突水系数 突水系数定义为煤层底板单位隔水层厚度所承 受的水压力，它是带压开采条件下衡量煤层底板突 水危险程度的定量指标。对于华北石炭-二叠系煤 田，突水系数主要是计算某一煤层关于奥灰含水层 或与其有密切水力联系的薄层灰岩含水层的突水系 数，例如在焦作矿区主要是计算煤层对八灰、二灰 和奥灰的突水系数，在肥城矿区主要是计算煤层对 五灰和奥灰的突水系数。 20 世纪 60 年代，原煤炭工业部组织有关部门 技术人员在焦作进行矿井水文地质“会战”时，以 焦作矿区矿井突水资料为基础，经综合分析研究全 国煤矿底板突水的经验，提出如下突水系数计算 公式 P T M ， 2 式中 T 为突水系数， MPa/m； P 为煤层底板隔水层 承受的水压力，MPa；M 为煤层底板隔水层厚度，m。 由式2可以看出，突水系数越大，煤层底板突水的 危险性越大。采用突水系数预测煤层底板突水的关 键问题是确定临界突水系数 Ts。临界突水系数 Ts定 义为单位隔水层厚度所能承受的最大水压力。如果 计算的突水系数 T 小于或等于临界突水系数 Ts，即 T≤Ts，说明底板一般不会突水；如果 T＞Ts，说明 底板可能突水。临界突水系数是对矿区大量突水资 料统计分析得到的。表 1 列出了“焦作会战”时对 几个矿区突水资料统计分析得出的临界突水系数。 表 1 某些矿区临界突水系数 Table 1 Critical water inrush coefficient of some mine areas in China 矿 区 临界突水系数 Ts/MPam−1 峰峰、邯郸 0.0660.076 焦作 0.0600.100 淄博 0.0600.140 井陉 0.0600.150 应当注意，表 1 中的临界突水系数是利用式2 计算统计分析上述几个矿区的实际突水资料得到 的，因此现在常用的临界突水系数 0.06 MPa/m、0.1 MPa/m 或 0.15 MPa/m 的应用受上述条件限制。 在其 他具有较多突水资料的矿区， 应通过计算统计分析， 确定自己的临界突水系数[6,11]。 在缺少实际突水资料 的矿区，可以参考使用表 1 中的临界突水系数，但 应综合考虑底板隔水层的岩性及岩性组合、物理力 学性质、开采条件等[12]。 考虑到采矿对底板破坏的影响，20 世纪 70 年代 煤炭科学研究总院西安分院和其他有关单位对式2 进行了修正，提出了以下突水系数计算公式 p P T MC − ， 3 式中 Cp为采矿对底板扰动的破坏深度，m，其他 36 煤田地质与勘探 第 37 卷 符号同前。在 1984 年煤炭工业部颁发的矿井水文 地质规程试行[13]和 1986 年颁发的煤矿防治水 工作条例 试行[14]中采用的都是这个公式。条例 中指出，临界突水系数 Ts应根据本区资料确定，一 般情况下，在构造破坏地区按 0.06 计算，隔水层完 整无断裂构造破坏地区按 0.1 计算[14]。在一些文献 中，将表 1 中的临界突水系数 0.06、0.1 或 0.15 作 为式3计算统计分析的临界突水系数显然是偏于 保守。要确定与式3有关的临界突水系数需要将上 述矿区的突水资料重新计算和统计分析。 考虑到底板隔水层往往是由强度和阻水能力不 同的岩层组成的这一特点，采用类似于匈牙利等国 的方法，将突水系数修改为 p 1 n ii i P T M dC − ∑ ， 4 式中 Mi为各分层厚度，m；n 为分层数；di为各分 层的强度比值系数表 2。 表 2 不同岩层的强度比值系数 Table 2 Strength ratio of different strata 岩石名称 强度比值系数 砂岩 1.0 砂质页岩 0.7 页岩粘土 0.5 断裂带 0.35 灰岩 0 式4至今没有得到广泛应用。 20 世纪 80 年代，在研究底板承压水导升高度 的基础上，将突水系数计算公式写成 p1 P T MCh − ， 5 式中 h1为导升高度，m。 针对一些矿区奥灰含水层顶部存在相对隔水风 化壳的情况[10]，将突水系数计算公式写成 p2 P T MCh − ， 6 式中 h2为奥灰顶部相对隔水段厚度，m。 因为与式3、式4、式5和式6相对应的临 界突水系数还没有确定，因此国家煤矿安全监察局 在即将颂布的煤矿防治水规定的附录中，规定采 用式2计算突水系数，并且为了安全起见，建议对具 有构造破坏的地段，临界突水系数取0.06 MPa/m，对 正常地段取0.1 MPa/m。 将式3、式5和式6统一表示为 P T N ， 7 式中 T为突水系数，MPa/m；N为保护层厚度，m； P为保护层底面承受的水压力，MPa。当只考虑底 板破坏深度时，NM−Cp，此时式7即为式3。当 同时考虑导升高度或奥灰顶部相对隔水段时， NM−Cph1或NM−Cph2，式7变为式5或式 6。式7就是本文提出的计算突水系数的新公式。 用这个公式对华北大水矿区的突水资料重新进行计 算和统计分析， 就可以获得同时考虑底板破坏深度、 隔水层厚度、导升高度和奥灰顶部相对隔水段厚度 的新的临界突水系数。 3 突水系数计算公式中参数的取值和确定方法 在式2中， 隔水层厚度M是指煤层底面至奥灰 顶面或与奥灰含水层有水力联系的薄层灰岩以下 统称奥灰顶面的距离，如图2所示。显然，M中包 括了各薄层灰岩含水层的厚度。煤层底板隔水层所 承受的水压力P是指奥灰顶面至其承压水位的水柱 压力图2。 有些文章和报告取煤层底面至承压水面 的水柱压力P′，作为式2中的P是不妥当的，因为 式2中的P不是煤层底面所承受的水压力。在实际 工作中M和P值应通过钻孔实测确定。 图 2 式2中各参数的取值 Fig. 2 Parameters in ula2 在式7中， 底板破坏深度Cp的大小除与地质条 件有关外，还与工作面斜长、采深、采厚和开采方 法等因素有密切关系。20世纪80年代以来，井陉、 邯郸、淮南、鹤壁、肥城、开滦等矿区开展了底板 破坏的测试研究。从这些地区回采工作面的实测数 据来看[15]，底板破坏深度最小为3.5 m，最大为 27 m。底板破坏深度的测试研究方法主要有钻孔压 注水试验、数值模拟和公式计算3种。 导升高度h1是在自然状态下隔水层底部的承压 水沿隔水层中的断层或裂隙向上导升的高度，它与 奥灰含水层顶面以上隔水层的岩性及岩性组合有 第4期 刘其声 关于突水系数的讨论 37 关。一般较坚硬岩石如砾岩、砂岩等易产生裂隙， 存在导升现象；较软岩石如泥岩、页岩等不易产 生裂隙，正常条件无导升现象，即h10。因此在坚 硬岩石分布地段和断裂带可能产生导升现象。邯郸 王凤矿在六采区上山和五采区试验工作面内，用物 探和钻探方法测得，正常条件下有导升现象者占 52.8，但绝大多数小于3 m，而且分布不均，其不 均匀性与岩性有关。承压水导升高度h1用物探和钻 探方法确定，一般可在井下巷道中用电法探测，必 要时用钻探验证。 当井下物探与钻探条件受限制时， 也可以通过已往钻孔资料分析确定[15]。应当注意， 当有导升高度存在时，隔水层中的导升部分已成为 含水层的一部分。 已有资料和研究成果表明[10,15-16]，在有些矿区 奥灰顶部存在厚度不一的相对隔水段，相对隔水段 应当是保护层的一部分，其探测方法主要是水文地 质钻探法和水文地质物探法[16]。 式7中的保护层厚度N和保护层底面所承受的 水压力P的取值见图3。在受大气降水补给明显的 矿区，P值是变化的。为了安全，在计算突水系数 时，建议采用P的最大值。 4 结 论 a. 突水系数法是评价带压开采条件下煤层底 板突水危险程度的重要方法。该方法不仅适用于回 采工作面，而且适用于掘进巷道。基于强度理论的 斯列萨列夫公式主要用于预测巷道突水，用于跨度 大的回采工作面与推导该公式的假设条件偏离较 大。在矿井防治水工作中，应先用突水系数法对矿 区底板突水危险程度进行评价，然后结合采掘工程 图，再用斯氏公式对巷道所处位置进行突水预测， 若其中有一种方法得出有突水可能的结果，就应采 取防范措施。底板突水是一个十分复杂的问题，至 今没有很好的解决，因此除采用上述两种方法外， 还可采用其他方法预测，以便互相比较。 b. 临界突水系数是突水系数理论的核心， 其数值 大小与采用的突水系数计算公式和实际突水资料有 关。 现在常用的临界突水系数0.06 MPa/m、0.1 MPa/m 是根据峰峰、邯郸、焦作、淄博和井陉矿区的突水 资料利用突水系数式2计算统计分析得到的。水文 地质和开采条件与这些矿区类似的矿区也可采用 0.06 MPa/m和0.1 MPa/m作为临界突水系数。但在 计算突水系数采用式3、式5、式6时，目前还没 有公认的相对应的临界突水系数。 图 3 式7中各参数的取值 Fig. 3 Parameters in ula7 a 无导升带和无相对隔水层情形; b 有导升带的情形; c 存在相对隔水层的情形 c. 本文提出的计算突水系数的新公式同时考 虑了水压、隔水层厚度、煤层底板破坏深度、导升 高度和奥灰顶部相对隔水段厚度等因素，优点是明 显的。集中华北各主要煤矿的实际突水资料，利用 新公式计算突水系数，经统计分析后就可以得到新 的临界突水系数。 d. 从式2可以看出，减小突水系数的方法，一 是降低水压力，二是增加含水层厚度。这通常是通 过疏水降压和底板注浆加固，变含水层为隔水层来 实现的。 e. 采用不同突水系数公式计算时，临界突水系 数的确定，以及不同隔水层厚度、水压大小对临界 突水系数影响问题，是今后研究的方向。 下转第 42 页 42 煤田地质与勘探 第37卷 图 6 −330 m 水平系统η-t2关系曲线 Fig .6 η-t2curves of water storage-drainage system in level −330 m 排空用时的前1/3时段内，η值达到50 ，近一半的 库容量已经被排放；前2/3的时段内已经排放了库容 总量的80 ；最后1/3时段内仅排放了整个库容总量 的20 。综上所述，在排水过程中，水头的变化是线 性的，而流量和库容排放比例的变化是非线性的。 5 结 论 a. 基于水力学方法和质量守恒定律，推导了倾 斜管道形状的蓄排水公式。其公式推导方法可应用 于任意形状的蓄水空间，从而补充完善了矿井水害 防治中排放老空积水的计算方法。 b. 分析了废弃巷道蓄排水系统的排水特征，为 系统的运行调度做了基础性的工作。结果表明，从 满库排水至空库过程中， 水头线性减小至最低水头。 在前1/3时段内，近一半的库容量已经被排放；前 2/3时段内排水量线性减少，库容总量的80 已经被 排放；后1/3时段内，排水量快速减少至涌水量，仅 排放了整个库容总量的20 。 虽然本文设计了废弃巷道蓄排水系统的硬件组 成，并分析了蓄排水特征。但是对于系统的蓄排水 调节方案正在研究之中，这是以后研究的重点。 参考文献 [1] 李铎，武强，许广明，等. 华北煤田排水供水环保结合优化管 理[M]. 北京地质出版社，200523–57. 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