东滩煤矿五七采区3 煤层开采底板水害特征研究

冯鲁顺

（兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东 邹城273500）

0 引 言

80%左右的工作面底板突水事故发生在含断层等地质构造的位置[1]。断层带岩体裂隙较发育，胶结程度差，不仅会影响围岩的性质，降低其强度指标及变形模量，而且也使岩体的渗透性质发生改变[2]。断层周围岩体应力变化也会引起孔隙水压的改变，影响地下水流量与水压力，而水压的改变又反过来作用岩体应力的变化，采动断层在矿压和地下水压的共同作用下发生错动活化并伴生裂隙[3]，这些区域煤层开采时更容易导致突水事故的发生。

东滩煤矿中心区域主采的3 煤层已基本开采完毕，五七采区开采已提上规划。五七采区内断层十分发育、密度大，断层的赋水、导含水性等均需要进一步探查，还有3 上煤层露头分布区等不利条件，底板水害问题将给煤炭开采造成较大的困难。通过对两个采区断裂构造复杂程度的分区及风氧化带附近3 煤层底板富水性、阻水性分析研究，可以为采区内3 煤层开采水害防治及合理布置提供重要的参考依据。

1 煤矿底板水害研究现状

1.1 带压开采底板突水机理研究

在带压开采底板突水机理研究方面，国外方面有固定梁均荷载强度理论、Hoek-Brown 岩体强度准则和临界能量释放观点的底板承载能力评价理论等；国内较具代表性的学术观点有薄板结构理论、“下三带”理论、“关键层”理论及底板移动原位张裂和零位破坏理论等[4-7]。这些研究理论从不同角度为揭示煤层采动条件下底板突水规律、底板突水预测及开采安全性论证、编制开采安全规程等都提供了重要的理论依据。

1.2 煤层底板突水危险性评价经验研究

突水危险性评价主要着眼于底板充水因素与底板阻水能力的关系对比。在国内外应用较普遍的突水危险性评价方法分别为相对隔水层法和突水系数法。

1.2.1 相对隔水层厚度法

相对隔水层厚度是等值隔水层厚度与水压力值之比。它是基于大量的底板突水实例的统计分析结果提出来的，综合反映了底板岩层的隔水能力、水压力作用强度及底板岩层组合结构特点等相关因素的关联性特征，量值上由式（1）表征：

式中：mi为底板隔水层各分层厚度，m；δi为隔水层各分层阻(隔)水性能的质量等值系数；P为作用于隔水层的水柱压力，10-1MPa；γ为单位水柱压力所必要的等值隔水层厚度，简称相对隔水层厚度，m/MPa；mo：底板采动变形、破坏形成的无效隔水层厚度，可实测取得或根据类似条件矿井经验确定。

国外经验为相对隔水层厚度大于1.5m/atm 的情况下，开采过程中基本不突水，而80%～88%的突水都是相对隔水层厚度小于此值。由此，一般以相对隔水层厚度≥2m/atm 作为煤层底板突水的临界条件。

1.2.2 突水系数法

“突水系数”常用于作为底板带压开采突水预测预报的量化指标，其物理意义表征为底板单位厚度隔水层所承受的极限水压值：

式中：T为突水系数，MPa/m；P为水压，MPa；M为底板隔水层厚度，m。

Ts为临界突水系数。如果Ts＞T, 表明底板隔水层稳定, 一般不发生突水现象; 如果Ts≤T, 则很可能发生底板突水现象。临界突水系数是我国学者基于大量的矿区底板突水资料得出的，其数值一般在0.06～0.100MPa/m[8]。

考虑到底板采动变形破坏对底板阻水能力的影响，在式（2）基础上提出了突水系数的修正式（3），后作为带压开采底板突水危险性评价依据。

式中：CP为底板采动破坏深度，其他符号物理意义同前。

至1980 年代，有研究者注意到底板因隔水岩层力学性质、结构状态及岩层组合结构等不同而显现的阻水能力的明显差异，在借鉴等值隔水层厚度力学意义基础上，提出了考虑底板岩石隔水性能差异的突水系数计算公式（4）：

式中：Mi为隔水层底板各分层厚度，m；mi为各分层等效厚度换算系数，其他符号含义同前。

上述突水系数的表征方式由于隔水岩层的界定不同，式（2）中的隔水层厚度包括了其间分布的含水、透水岩层；式（3）和式（4）中的隔水层则是指煤层和充水含水层间隔岩层中的不含水、不透水岩层。

由于突水系数法明显、直接反映了突水水动力条件与底板阻隔水条件的关系对比，与底板突水力学机制的理论相符合，且与相对隔水层厚度有相近的力学意义，因此，目前已成为我国煤矿带压开采底板突水危险性评价的基本方法。

2 存在问题及发展趋势

工作面采动底板充水可能性实际上主要取决于底板岩层的岩性组合及其结构状态（主要是岩层完整程度），而现有评价方法只考虑了底板间隔层厚度，对岩层组合结构及其完整性的影响基本没有反映出来；另一方面，由于不同矿区间的地质条件差异，根据实际水文地质条件计算的突水系数也差别很大，无法采取一个共有的标准作为评价底板充水的临界指标。

采用突水系数法评价带压开采底板突水危险性的关键是如何合理确定出突水临界值，对于底板突水危险性研究，构造控水性是焦点问题，需要解决的问题涉及两方面，其一是底板阻水条件的构造效应，其二是采动底板变形引起的断层导水性活化判别。这也是目前底板带压开采安全条件研究中尚未解决的技术难题和预探讨的发展趋势。

3 五七采区底板水害研究重点内容

3.1 构造复杂程度分区研究

五七采区地质构造复杂程度分区根据地质、水文地质、采掘揭露和物探等资料揭露的断层进行系统统计分析，从工程地质力学角度深入分析断裂构造的控水性，确定构造复杂性定量评价指标，进行构造复杂程度分区研究。

1）整理、分析和评价五七采区3 煤带压采掘底板主要充水含水层富水性及赋存条件，特别是奥灰含水层赋存条件；

2）采用分形分维方法对研究区进行复杂构造程度分区研究；

3）利用钻孔资料进行顶底板岩性结构指数分区研究；

4）系统分析评价研究区东部峄山边界断层及其派生断层的导含水性及控水性。

3.2 室内试验及涌水量预测研究

1）结合五七采区地面施工补勘孔进行现场典型层位（标志层和断层及风氧化带）编录、钻孔取样和RQD 统计分析研究，现场进行孔壁观测试验；

2）进行室内断层带和风氧化带附近岩层岩石的物理、力学和水稳性实验；

3）建立典型的采掘工程地质模型，进行底板变形破坏特征的数字模拟；

4）两个采区的涌水量预测评价研究。

3.3 断层活化及风氧化带水害综合研究

1）在研究内容以上研究的基础上，建立3 煤层带压开采带断层的工程地质模型，采用解析或数值模拟方法进行采动断层活化临界条件模拟研究；

2）根据兖州矿区现场压渗部分成果进行断层阻渗性量化评价研究；

3）对两个采区3 煤层开采典型断层防水煤柱和风氧化带煤柱留设进行综合分析。

在东滩煤矿五七采区3 煤层底板岩层及构造特征研究中，重点是研究断层活化、风氧化带富水性、带压开采水害等问题，关键点一是考虑采动效应和断层效应的工程地质模型的构建；二是风氧化带附近岩样采集及阻渗能力试验。

4 研究方法及研究可靠性分析

4.1 研究方法

针对东滩煤矿生产接续保证矿井稳产及可持续发展的需要，通过理论分析现场取样、数值模拟和室内实验等方法对五七采区带压采掘突水问题的安全可行性进行系统研究，建立研究区开采的工程地质模型，分析底板主要充水含水层富水性特征，探讨开采扰动应力对断层活化的临界条件。

1）理论分析方法。采用分形分维理论对五七采区地质构造复杂程度进行分区，在此基础上选择典型断层进行采动活化力学分析。

2）数值模拟方法。建立研究区开采的工程地质模型，分析底板主要充水含水层富水性特征，探讨开采扰动应力对断层活化的可能性，在此基础上，选择典型位置进行现场断层采掘过程中的跟踪水压东滩监测。

3）试验研究方法。就断层带和风氧化带进行钻孔取样，现场进行孔壁观测试验，在室内进行物理、力学和水稳性实验。

4.2 研究可靠性

1）近几年在兖州矿区较系统对3 煤深部带压开采相关底板水害问题的研究，东滩煤矿邻近的兴隆庄和鲍店煤矿都有相类似的水文地质条件和3煤底板采掘突水的实践研究，均进行了采动底板变形破坏和阻渗性现场实测，积累有大量底板采动变形深度和工作面开采方式方法之间的关联性总结资料，在合理评价东滩煤矿五七采区突水危险性方面有较丰富的实践参考价值。

2）东滩煤矿对五七采区进行了多次不同程度的勘探工作，积累了较系统的钻孔、物探和采掘相关资料，对典型断层和风氧化带范围控制程度较高。

5 经济、社会效益分析

5.1 经济效益分析

1）基于研究成果，适时对东滩煤矿预采工作面底板注浆改造方案进行优化、修改和完善，加强对断层部位的重点超前预警监测，保证工作面的安全带压回采。可大大减少了钻孔工程量和浆液消耗量，底板截渗效果也比较理想，大大节约注浆材料，为安全高效开采提供了重要的技术保障。

2）利用研究成果解决深部延深断裂区域煤层带压安全开采的关键问题，丰富深部底板带压开采条件评价方法及水害预警技术，保障了矿井的安全生产。

5.2 社会效益及推广应用前景

东滩煤矿五七采区3 煤通过底板注浆或留设防水煤岩柱进行安全带压开采，本成果的应用可大大提高3 煤资源回收率，社会效益显著；另一方面，研究成果可为类似条件矿区安全带压开采提供借鉴，具有广阔的应用前景。

6 结束语

随着矿井地质条件复杂程度加深，未来阶段东滩煤矿水害问题很大程度上将制约矿井的发展，给采区巷道布置、采掘造成较大的困难。因此，对于煤矿水害问题的治理是刻不容缓的，特别是通过底板水害特征研究，提出相应的防治方法和基础依据，从而最大化地满足煤矿井下作业安全及生产方面的需要。