基于五图双系数法的煤层带压开采研究

田午子，李 凯

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201；2.开滦能源化工股份有限公司 范各庄矿业分公司，河北 唐山 063108)

0 引言

华北型煤田浅部煤炭资源枯竭，矿井开采向深部延伸。随着开采深度加大，底板奥灰含水层水压变大，一般为3～4 MPa，高者达8～11 MPa，带压开采成为煤矿的主要开采方式。因此，对煤层底板奥灰水突水危险性预测评价尤为重要。目前，最常用的底板突水预测方法有：突水系数法、五图双系数法、脆弱性指数法等[1-4]。突水系数法简单方便、参数容易获取，但该方法考虑因素较少，有一定的局限性；脆弱性指数法考虑突水因素全面，但需要以往水文地质资料充足；而五图双系数法相比突水系数法考虑因素较为全面，对比脆弱性指数法不需要过多资料，适宜突水资料相对不全面的矿井。

范各庄矿属于华北煤田，目前进入深部带压开采，受奥灰水威胁较大。由于该矿目前主要采用突水系数法进行奥灰突水危险性评价，考虑因素不全面，因此，采用五图双系数法对范各庄矿进行带压开采评价研究，与突水系数法进行对比，并提出相应的防治水措施，对矿井深部安全开采提供参考。

1 研究区概况

范各庄矿属于华北型煤田，位于开平向斜东南翼南段，区内褶皱、断层发育[5，6]。研究区位于矿井中部单斜构造区和南部的毕各庄向斜区，东侧以F0断层为边界，如图1所示。

图1 矿井构造纲要及研究区位置图

研究区地层自下而上为奥陶系、石炭系、二叠系、第四系，目前主采下二叠统赵各庄组的12#煤层。区内地层走向变化不大，倾角在15°以下，以小型断裂构造发育为主，毕各庄向斜和F0断层为特征。含水层有冲积层含水层、煤系地层砂岩裂隙承压含水层、奥陶系岩溶裂隙含水层。研究区为深部开采，奥灰水头压力6～9 MPa，受奥灰水威胁较大。

2 带压开采评价

研究区目前主采12#煤层，受奥灰水威胁较大，因此，对12#煤层进行奥灰水带压开采评价研究。

2.1 五图双系数法评价

“五图双系数法”是一种煤层底板水害评价的方法。其中，“五图”是指底板保护层破坏深度等值线图、底板保护层厚度等值线图、煤层底板以上水头等值线图、有效保护层厚度等值线图、带水头压力开采评价图，“双系数”是指“带压系数”和“突水系数”[7]。该方法主要是根据影响煤层底板突水的四个因素的统计计算，得出“带压系数”和“突水系数”，再结合“三级判别”对来煤矿底板是否会发生突水、发生突水的形式以及发生突水时突水量的大小进行判别，综合分析形成带水头压力开采评价图，其流程如图2所示。

图2 “五图双系数法”评价流程图流程图

2.1.1 “前四图”的生成

(1) 底板保护层破坏深度等值线图

在煤层回采过程中，煤层底板的岩层会被矿压等因素破坏，破坏后的岩层具有导水能力，增加突水的可能性[7]。煤层底板保护层破坏深度即开采煤层的底板到采动裂隙带的最深处的垂直距离。

本次计算底板保护层破坏深度的经验公式来自全国统计资料[8，9]，如下：

h=0.0085H+0.1665a+0.1079L-4.3579

(1)

式中，h为底板保护层破坏深度，m；H为工作面开采深度，m；a为煤层倾角，此实例中取13°；L为工作面斜长，m。此实例中L取138m。

据式1，计算结果见表1，绘制12#煤层底板保护层破坏深度等值线图如图3所示。

表1 12#煤层底板带压开采“五图双系数法”评价计算表

图3 12#煤层底板保护层破坏深度等值线图

(2) 底板保护层厚度等值线图

煤层底板保护层是阻止奥灰水涌入采掘空间的屏障[7]，其厚度等于煤层底板标高减去奥灰顶界面标高，计算结果见表1，绘制12#煤层底板保护层厚度等值线图，如图4所示。

图4 12#煤层底板保护层厚度等值线图

(3) 煤层底板上的水头等值线图

煤层底板上的水头值取自近三年奥灰观测孔统计数据中的最大水位减去奥灰顶界面标高，计算结果见表1，绘制12#煤层底板上的水头等值线图，如图5所示。

图5 12#煤层底板上的水头等值线图

(4) 煤层底板有效保护层厚度等值线图

煤层底板有效保护层是真正具有阻抗水头压力能力且起安全保护作用的部分[7]，其厚度等于保护层厚度减去保护层破坏深度，据图3和图4相减计算，得出有效保护层厚度等值线图，如图6所示。

图6 12#煤层底板有效保护层厚度等值线图

2.1.2 “双系数”计算

(1) 带压系数

带压系数是指每米岩层可以阻抗多大水头压力的指标[7，8]，即煤底板总体抗压强度与保护层厚度的比值。根据岩层抗压强度换算表(见表2)，计算出岩层总体抗压强度，并得出带压系数，计算结果见表1，绘制带压系数等值线图，如图7所示。

表2 岩层抗压强度换算表[9]

图7 12#煤层底板带压系数等值线图

(2) 突水系数

突水系数是有效保护层厚度与作用其上的水头值之比[7，8]，则通过图5与图6比值计算，得出突水系数等值线图，如图8所示。

图8 12#煤层底板突水系数等值线图(五图双系数法)

2.1.3 带水头压力开采评价图

(1) 三级判别

三级判别是与双系数配合用来判别突水与否、突水形式和突水量变化的三个指标[7]。由图6可以得出，研究区的有效保护层厚度均大于0；水文地质资料分析得出，研究区东部边界F0大断层富水性较弱且不导水，区内未见陷落柱等其他连通奥灰的导水构造。因此，判定研究区的突水形式为非直通式突水，即为II级判别[8]。

(2) “带水头压力开采评价图”的生成

运用比值系数的方法，将带压系数与突水系数的比值大于1，定义为安全区；比值小于1，定义为危险区[8]。如图9所示，带压开采评价结果表明，研究区12#煤层奥灰水带压开采评价为安全区。

图9 带压开采评价分区图

2.2 突水系数法评价

“突水系数法”中“突水系数”与“五图双系数法”中“突水系数”含义不同，“突水系数法”中“突水系数”定义为底板隔水层(保护层)承受的奥灰水头压力[10]，而“五图双系数法”中“突水系数”定义为有效保护层厚度与作用其上的水头值之比[7，8]，区别在于前者为底板隔水层(保护层)厚度，后者考虑了底板保护层破坏深度的影响，表示为有效保护层厚度。

根据国家煤矿安全监察局《煤矿防治水细则》(2018年)附录五[10]，突水系数计算如下：

T=P/M

(2)

式中，T为突水系数，MPa·m-1；P为底板隔水层承受的奥灰水头压力，MPa；M为底板隔水层厚度，m。

据式(2)计算结果见表3，绘制12#煤层底板突水系数等值线图，如图10所示。

表3 12#煤层底板带压开采“突水系数法”评价计算表

图10 12#煤层底板突水系数等值线图(突水系数法)

《煤矿防治水细则》(2018)规定，底板受构造破坏的地段突水系数一般不得大于0.06 MPa·m-1，隔水层完整无断裂构造破坏的地段不得大于0.1 MPa·m-1 [10]。研究区煤层底板受构造破坏，故选择0.06 MPa·m-1作为评价指标。由图10可知，研究区内12#煤层底板奥灰突水系数都小于0.06 MPa·m-1，属于安全区。

2.3 结果对比

由于突水系数法简单方便、参数容易获取等特点，是目前该矿最常用的奥灰突水危险性预测方法，但该方法考虑因素较少，只考虑了奥灰水头压力和隔水层厚度两个因素，有一定的局限性。五图双系数法加入了带压系数的概念，考虑了奥灰水头压力、隔水层厚度、底板破坏深度、有效隔水层厚以及岩层抗压强度等多个因素，与突水系数法相比，准确性相对较高。由于隔水层厚度较大，底板破坏深度影响较小，以及研究区未发现导通奥灰的导水构造，使得两种方法评价结果一致，均表明研究区12#煤层带压开采评价为安全区。

3 防治水工作建议

经五图双系数法和突水系数法研究表明，研究区12#煤层为奥灰水带压开采安全区。虽然目前区内尚未发现岩溶陷落柱等导通奥灰的导水构造，但在工作面回采时仍然需要重视，进行一定的防治水工作。

(1) 工作面回采前，加强水文地质补充勘探。采用物探进行探测，依据探查结果，再确定是否用钻探补充勘探，钻探设计终孔层位应选择开采煤层底板下部满足安全隔水厚度的适当含水层位，依据本区域特点，控制终孔层位选择在穿过K3为宜。若探查孔有水，需进行水化学特征分析。

(2) 回采前对探查孔进行封孔，但应在工作面回采影响范围外留有观测孔，以K3灰岩及12煤底板砂岩含水层为指示层，在工作面回采期间结合水害监测系统实时监测指示层含水层水量、水压、水温、水质等参数变化情况，发现有底板高承压水参与或有出水征兆时，立即停采，采取相应措施。

4 结论

(1) 研究区煤层下伏奥灰含水层，水压6～9 MPa，目前进入深部开采，受奥灰水威胁较大，煤层回采前需要进行带压开采评价研究。

(2) 虽然五图双系数法较突水系数法相比考虑因素较为全面，但由于研究区隔水层厚度较大，底板破坏深度影响较小，以及暂未发现导通奥灰的导水构造，使得两种方法结果一致，均表明研究区12#煤层奥灰水带压开采属于安全区。因此，在实际应用过程中，需要较为全面的考虑多种突水因素，结合矿井实际水文地质条件，选择适宜的评价方法，做到较为准确分析奥灰突水隐患。

(3) 尽管目前的水文地质资料以及计算分析，研究区不受奥灰水威胁，但在回采前对工作面也应加强水文地质补充勘探工作，回采期间做好以K3灰岩及12煤底板砂岩含水层为指示层的监测工作，确保安全生产。