五图双系数法在煤层底板承压水突水危险性评价中的应用

王立仁

摘 要：在煤矿资源日益匮乏的现实条件下，深部煤层开采面临的形势越发严峻，奥灰岩溶突水问题越发凸显。以大同塔山煤矿为例，利用五图双系数法对承压煤层进行突水危险性评价，以期能为9号煤层安全开采提供有益支撑。

关键词：五图双系数法;承压水;突水;煤矿安全

中图分类号：TD745 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）17-0071-03

Abstract： Under the realistic condition of increasingly scarce coal resources， the situation of deep coal seam mining is more and more serious， and the problem of water inrush from Ordovician limestone karst is more and more prominent. Taking Tashan Coal Mine in Datong as an example， this paper evaluated the water inrush risk of confined coal seam by using the method of five charts and two coefficients， in order to provide beneficial support for safe mining of No. 9 coal seam.

Keywords： five-figure double coefficient method;confined water;water inrush;coal mine safety

塔山井田分上下兩个煤组开采，其中深部的9号煤层底板等高线值在+955～+1 040m，下部的奥灰岩溶水最高水位在+978m～+1 052m。9号煤层开采时大部分区域属于承压开采。因此，为了确保9号煤层开采安全，指导防治水工作的开展，需要对9号煤层底板奥灰水突水危险性进行综合评价。

1 水文地质概况

塔山井田东侧以煤层露头为边界，煤层露头以东出露寒武-奥陶系灰岩，大气降水为地下含水层补充水源。井田内含煤区域位于径流区;井田南侧边界为地下岩溶水分水岭;井田西侧以及北侧边界人为划定，井田内含（隔）水岩层向井田外自然延展，无明显水力边界。由于井田内岩溶水总体流向为自南东流向北西，因此井田西侧及北侧为排泄边界。

2 五图双系数法概述

“五图双系数法”是一种常用于对承压水突水危险性评价的技术方法，其中最重要的工作需要围绕“五图”“双系数”和“三级判别”来进行[1，2]。具体的“五图”“双系数”以及“三判别”如表1所示[3，4]。

3 评价应用

3.1 9号煤层底板破坏带深度等值线

采用式（1）经验公式对9号煤层开采之后对底板造成的破坏深度进行确定：

（1）

其中：h表示9号煤层底板破坏深度（底板导水带深度）（m）;[L]表示回采工作面倾向斜长度（m）;[H]表示工作面采深（m）;[a]表示9号煤层倾角（°）。根据公式（1）综合确定9号煤层底板破坏深度，具体如图1所示。

3.2 底板保护层厚度等值线

9号煤层与下部的奥陶系含水层之间的隔水层岩性粉砂岩、呈灰白色砂质泥岩、泥岩以及中、细砂岩为主，隔水层下部主要以泥岩为主，含铝质土[5]。具体的9号煤层底板隔水层厚度变化如图2所示。从图2可知，井田内9号煤层底板隔层厚度为30～54m，总体呈自西南向东北逐渐变大的趋势。

3.3 煤层底板以上水头等值线

井田内9号煤层底板标高为+955～+1 040m，岩溶水水位标高为+978m～+1 052m。通过对比，各钻孔9号煤层底板标高也均低于岩溶水位标高，故9号煤层在可采区内全区带压（见图3）。

3.4 有效保护层厚度等值线

9号煤层有效保护层厚度（[H有效]）是煤层顶板保护层厚度（[H保护]）减去煤层开采后底板导水裂隙带发育高度（h），即

（2）

有效保护层厚度能抵抗下部承压含水层水头压力，对煤层开采起到主要的保护作用。具体的9号煤层有效保护层厚度（[H有效]）等值线如图4所示。

3.5 带压系数

通过底板等效泥岩隔水层厚度计算出隔水层的总体抗压强度，利用公式（3）计算得出带压系数。

（3）

式中：T表示带压系数（MPa/m）;[P总]表示隔水层的总体抗压强度（MPa）;[H有效]表示煤底有效隔水层厚度（m）。

当带压系数大于突水系数时为安全区，带压系数小于突水系数时为危险区。具体的带压系数计算结果如表2所示。

3.6 突水系数

“五图双系数法”突水系数计算公式为：

（4）

式中：[Ts]表示突水系数（MPa/m）;[P]表示9号煤层底板隔水层受到的静水压力（MPa）;[H有效]表示底板有效隔水层厚度（m）。

具体计算出的9号煤层底板突水系数如表3所示。

3.7 三级判别

3.7.1 Ⅰ级判别。由上述分析，井田内9号煤层X1陷落柱附近区域也可能发生直通式突水;9号煤层底板有效隔水层厚度为15.14～37.53m，平均23.73m，正常块段发生直通式突水的可能性小。因此，在断层发育区域发生直通式突水的可能性也较小。

3.7.2 Ⅱ级判别。通过带压系数与突水系数的对比可知，各钻孔9号煤层的带压系数均大于突水系数，因此，根据带压系数判别，各煤层发生非直通性突水的可能性小。

根据突水系数判别，9号煤层可采区内突水系数为0.026 0～0.046 3MPa/m，小于构造破坏块段临界突水系数0.06MPa/m，因此，9号煤底板岩溶水非直通式突水可能性小。井田内发生非直通式突水的突水形式主要为开采过程中岩溶水有可能通过原始导升带、断层活化裂隙和底板采动破坏裂隙以组合通道方式突水。

3.7.3 Ⅲ级判别。根据Ⅰ、Ⅱ级判别结果，各煤层发生直通式和非直通式突水的可能性都小。总体而言，由于井田内寒武-奥陶系岩溶水富水性弱，煤层底板承压水头小于1MPa，一旦发生突水，在初期突水量可能较大，而后会逐渐减小，井田靠近区域岩溶水的排泄区，并可接受东部灰岩裸露区的补给，因此，后期突水量将会稳定，稳定水量较小，但不易衰竭。从平面上煤层底板带压状况来看，在井田东北部，水压由西南向东北变大，突水量也呈自西南向东北增大的趋势。

4 9号煤层带压开采评价分区图

由三级判别可知，由于陷落柱可直接导通岩溶含水层，井田西北角的X1陷落柱附近区域可能发生直通式突水，其余区域9号煤层发生直通式和非直通式突水概率都比较低。

由于X1陷落柱具有导水性，且与下部的承压含水层（奥灰水）之间有水力联系，X1陷落柱影响范围附近区域的突水危险性为直通式，其他区域无突水危险性。但是，在对9号煤层开采期间，应强化物探以及钻探工作，防止其他隐伏构造导水，从而影响9号煤层开采安全。9号煤层带压开采评价分区如图5所示。

5 结论

通过采用五图双数法对塔山井田9号煤层底板突水危险性进行评价，9号煤层底板奥灰水的突水系数（T）为0.027 2～0.045 9MPa/m，小于突水的临近判定指标（0.06MPa/m）。由于X1陷落柱具有导水性，因此，在X1陷落柱附近发生直通式突水的可能性比较高，其余区域突水概率比较低，但是，煤炭开采时也应重视物探及钻探工作，确保开采工作安全进行。

参考文献：

[1]张波，李建林.深部矿井底板突水评价方法对比及应用研究[J].煤炭技术，2017（11）：201-203.

[2]刘海利.五图-双系数法对奥灰水带压区回采面突水危险性评价[J].山东煤炭科技，2017（7）：167-168，177.

[3]李志强.基于五图—双系数法与脆弱性指数法的煤矿底板突水预测研究[D].焦作：河南理工大学，2017.

[4]李慎举.山西霍宝干河煤矿煤层底板突水评价与预测预报研究[D].北京：中国矿业大学（北京），2017.

[5]王宗明，来永伟，段俭君.五图双系数法在北辛窑煤矿底板突水評价中的应用[J].煤炭与化工，2016（5）：7-12，17.