陕渑煤田底板太原组灰岩突水预测

林刘军 何有生

摘 要：文章根据矿井含水层充水性特征及各矿突水具体情况，对奥灰水、太灰水的突水通道、突水机理及危害性进行了定性分析研究，总结了一些主要工作经验，提出了一些新的理论和方法。

关键词：陕渑煤田；底板突水；太原组灰岩

1 底板突水的预测

陕渑煤田大量的实际资料表明，所有煤矿底板突水都是发生在底板最薄弱、应力最大的地方。我们以采场底板最弱点在外力作用下产生应力集中破坏时的岩体最小抗张强度k0作为整个底板的强度，将本身强度不均一的采场底板简化为一个强度等于底板最弱点在外力作用下的岩体最小抗张强度K0的理想的“均质弱板”，则此“均质弱板”中任一点在外力作用下所产生的应力值，应与采区底板最弱点在同样的外力作用下而产生的应力值相同或近似。然后将载荷加上去，研究其应力分布，找出其最大应力点。此最大应力点在理想的“均质弱板”中产生的力学作用，应与采区底板中最弱点在与采场最大应力点相会合时的力学作用相同或近似。如此理想的“均质弱板”能够承受此最大應力而不至于进一步破裂，则采区底板将不会突水，否则会发生突水。[1]

根据以上理论，根据推理的公式来预测研究区的底板突水情况：

Po=2Ko（1/Lx2+1/Ly2）h2+（r底cosa-1）h-Q

式中：Po-临界水头压力（Mpa）；Ko-底板岩体最小抗张强度（Mpa）；Lx-采区走向跨度，亦即采煤工作面至冒落物压实点的距离（M）；Ly-采区倾斜跨度亦即工作面长度（M）；r底-底板岩体的平均容重t/m3；h-相对隔水底板厚度（M）；Q-矿山压力（指向上作用于悬顶区底板的二次侧压力及地应力）（Mpa）；a-煤层倾角（度）

它的曲线为一个不通过原点，在P轴上有负截距C的抛物线，如下：

所选用的这个方法，可以说是目前最科学、最新、最严密、最符合实际的，它全面考虑了各种因素对计算结果的影响。在此图中：

（1）凡是P，H坐标位于抛物线右上方的采区，，均可能发生底鼓、破裂，但是突水现象只能发生在h轴的右边，左边则只破裂而不突水；P，H坐标位于左下方的采区，既不会发生底鼓和破裂，也不会突水。

（2）之所以会出现底鼓、破裂的突水，是水头压力和矿山压力共同作用的结果；P轴上的负截距C，即为矿山压力Q（包括地应力）之值。当P=0时，h=h0，即为矿山压力对底板的破坏深度（m）。

（3）当其它条件相同时，ho是随着Ko的降低而呈直线减小。故底板突水多发生在破碎带及断层附近。

（4）ho是随着Lx或Ly的增大，而是似双曲线关系减小的，故改变采煤方法，缩小悬顶区的跨度，可使临界区现象有上方移动，扩大安全区，缩小突水区，将部分可能突水的采区，转化为不突水。

（5）该图可以起到预测新矿区的开采能否突水、指导合理降压等作用。

根据本区的实际情况，我们预测的数值选取如下：

（1）Ko=1.90Mpa此值的确定是根据煤层底板岩石的抗压强度的大小和其厚度而定。在这个值的确定方面，应该综合考虑这两个因素的和谐，即要是厚度比较大而稳定的岩层，又要是抗张强度最小的。在这里取该值，一是砂质泥岩的厚度在40M左右，可以代表抗张强度最小的岩层，另外其强度小于灰岩、砂岩。

（2）Lx、Ly两项数值根据实测的工作面长度带入即可。

（3）H在这里可以取二1煤的底面到奥陶系灰岩的顶板的厚度，一般为75m左右。如果是预测太原组灰岩的突水情况就取煤层底板倒太灰顶板的厚度即可，一般为16m左右。在取数值的过程中，一定要根据附近的钻孔实际全面的分析，应该把邻近的钻孔全部考虑在内，以使所取的数值更加切近预测点的真实厚度。

（4）R底 ，对于该区的实际情况，经过加权平均计算得底板岩体的平均容重为2.376t/m3。

（5）a的值在该区一般为20度，这样（r底cosa-1）的值经济算得为1.233。

（6）Q可以在井下直接测定，但要注意的是此处的矿山压力为作用于悬顶区底板的二次侧压力及地应力。如果这些数值无法取得的话，可以用别的数据代替，但一定要有科学依据。

经过数值的获取，就可以计算出某个工作面底板的临界水头压力，如果此处的实际水头压力大于临界水头压力就会发生突水，否则即为安全。

2 岩体结构与底板突水的研究

对研究区的一些钻孔进行了分析，如图1，从图中可以看出二1煤到奥陶系灰岩之间，自上二下可以划分为：泥岩段，砂岩段（含煤层），泥岩段，灰岩段，泥岩段，砂岩段，和灰岩段。为了清楚表达起见，各层段岩性均做了合并，并以主要岩性作为该层段的岩性，从图中可以看出奥陶系灰岩到二1煤的最小距离为50米，因下段为泥岩，故而在此处“原始导高”可以认为不存在。二1煤下面为泥岩，导水裂隙带的导水高度可以忽略不计。

图1煤层底板对比图

根据实际情况对该研究区取临界突水系数Ts=0.5（0.1Mpa/m）；作为评价底板突水的下线，经计算，在该地区奥灰水不能突破底板隔水层进入矿井。即使二1煤下面为砂岩，会产生导水裂隙带，按此计算，导水裂隙带的高度只有11米左右，除去导水裂隙带的高度，其突水系数也远远小于0.5（0.1Mpa/m），因此在该区奥灰水不回直接突破底板隔水层进入矿井。

有以上的描述可以分析知中型主要影响太原组灰岩的突水。如观音堂八号井二部突水见，63年3月7日，巷道沿C3灰岩掘进时，巷顶开始滴水，随着巷道的开掘，滴水逐渐加大，变为淋水，次日巷道内灰岩发现溶隙，淋水加大，3月9日14点，距巷顶1米处突水。巷道是沿C3灰岩掘进，随着巷道的掘进，逐渐接近一条近南北向的断层，且巷道内C3灰岩溶隙发育，而断层下盘为砂岩，砂泥岩，成为较好的阻水层，断层水沿灰岩溶隙泻出，造成了突水。巷道突水后，经过五天的观测，涌水量由120m3/h逐渐变小为30m3/h，巷道用水泵进行排水，至4月5日涌水量测得3.5m3/h，巷道继续掘进。到后来涌水量稳定在1.5-2.0m3/h左右。[2][3]

由于太原组灰岩的富水性不均一，补给量不大，突水一般不会很大，而且以静储量为主。在研究区内，小型断层较多，但是它造成的突水一般对矿井影响不大，小断层突水主要是滞发性突水，水量不大。

3 主要结论

3.1 在煤系地层中，软、硬岩层相间组合在一起，构成了各种不同的煤岩层组和形式，这种组合对煤系地层中节理的发育及含水性具有重要的影响。在研究的过程中，结合研究区的实际情况，首次提出了岩体结构与突水之间的关系。

3.2 矿区的构造以小型正断层为主，而且分布不均，根据以往研究工作基础，结合三维地震资料，定性的研究了断层与突水之间的联系。

参考文献

[1]张长文，付斌，等.矿井突水问题得研究[J].煤炭科技，2004.5.

[2]吴新民，彭应熙.观音堂煤矿矿井地质报告，1989.

[3]义马煤业公司工程堪察分公司.曹窑煤矿深部生产勘探技术报告，2004.4.