深部开采底板突水危险评价的应用研究

袁艳平

（晋能控股煤业集团云冈矿地质测量部，山西 大同 037000）

华北地区煤矿深部开采，普遍存在奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层突水的风险。云冈矿随着开采深度的增加，煤层基底奥灰水水压增加，开采作业受到高承压奥灰水的威胁，极易发生突水危险[1]。为保证煤矿安全开采，研究深部开采岩溶裂隙水的运移、富水规律，科学评价突水危险性，为深部开采有效防治突水危险提供基础信息。

1 煤层深部开采突水危险

鉴于我国华北地区矿井开采深度的迅速增加，有的煤矿奥陶系灰岩岩溶特征，其在穿层方向、 顺层方向上呈现出随开采深度的增加而发生相应变化的规律，主要表现为：随深度增加穿层方向上岩溶发育由弱到强，再到弱；顺层方向上岩溶发育由强到弱[2]。含水层随着开采深度增加也表现出：顺层向深部径流，岩溶水破坏底板隔水层的能力增加，底板突水危险发生的可能性逐渐增大：同时开采深度增加后地面物探技术易受干扰、 井下钻孔遇高承压岩溶水后钻进困难，增加深部高压、超高压岩溶裂隙水探测的难度等，使煤矿开采难度增加。

2 深部开采煤层底板突水评价方法

带压开采突水性评价的一般方法是突水系数法[3]。根据相关规程，突水系数分析底板突水危险程度的临界值为0.06～0.15 MPa/m。实践证明，水压小于3 MPa 时，采用该方法比较合理。但对于深部开采，由于奥灰水水压增大，底板承压随之增加，突水系数已超出临界值0.15 MPa/m，此时利用突水系数法评价突水危险不再准确。因此，必须引入另一参数：单位涌水量q，提出突水危险程度评价新方法：即TS-q 法[4]。文章收集了云冈矿区204 个突水点资料，如表1所示。包括水压、相对隔水层厚度、q 值，利用这些数据资料，建立TS-q 底板突水危险程度评价法。

表1 云冈矿突水点数据统计

据表1和图1，小突水点集中在q＜0.1 L/（s·m）时，q 值越小突水量越小，突水系数TS＜0.04 MPa时小突水点也不多； 中等突水点主要出现在TS＜0.04 MPa 和q＞2 L/（s·m）间；大突水点主要集中在0.02 MPa＜TS＜0.1 MPa 和q＞16 L/（s·m），由此可得TS-q 法底板突水危险程度评价，如图2所示。其横坐标为TS，纵坐标为q。根据该图，可大致判断开采区突水危险程度。

图1 云岗矿突水点TS-q

图2 TS-q 法底板突水危险程度评价

3 TS-q 法的应用

3.1 突水系数计算公式

研究区域云冈矿奥陶系灰岩裂隙岩溶含水层富水情况如图3所示。

图3 云冈矿域奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层富水情况

突水系数TS的一般数学计算公式为：

式中：P 为含水层水压；M 为隔水层厚度。

其中T = TS为临界值，低于TS值为安全，高于TS值为突水发生。通过研究煤层底板隔水层可以发现，隔水层可分为承压水原始导升带、中间完整带、底板破坏带三带，称之为下三带理论。结合原突水系数公式和下三带理论，改进突水系数公式为：

式中：Ci为底板破坏深度；d 为承压水递进导升高度[4-5]。

根据在研究区收集的勘探钻孔揭露奥灰水水压和隔水层情况，应用上述改进公式计算研究区域的TS值，根据计算结果绘制突水系数等值线，并根据危险程度的不同进行分区，如图4所示。

图4 研究区突水系数等值线及突水危险区域划分

观察突水系数等值线图，“1”表示的区域为突水系数小于0.1 MPa 的区域，其他部分均大于0.1 MPa。大于0.1 MPa 的区域均为高突水风险区，其中还存在部分突水系数大于0.14 的区域，为极高突水危险区，不可开采或需采取专项防治措施。

3.2 应用效果分析

综合研究图2，TS-q 法底板突水危险程度评价见图4，研究区域突水系数等值线图及突水危险区域划分图，确定q＜0.01 L/（s·m）时为相对安全区，得到用TS-q 法评价的突水危险程度分区图，如图5所示。

图5 TS-q 法评价的研究区突水危险程度分区

在引进突水系数- 单位涌水TS-q 评价法时，不仅考虑了突水系数，同时也考虑了单位涌水量，加入了含水层富水性因素，扩大了突水安全区和相对安全区，是对突水系数评价法的补充。尤其适合应用于深部岩溶裂隙含水层“高承压、弱富水”的煤层底板突水危险的评价，使深部开采高承压突水危险程度评价更加精准，对深部煤层的安全开采有重要的指导意义。

4 结论

通过研究应用煤矿深部开采底板突水危险程度评价办法，得出以下结论：

1）通过分析华北地区煤矿深部开采的奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层的地质特征、 煤层底板高承压等特点，发现原有突水系数法评价高承压、弱富水的深部开采底板突水危险已不适用。

2）通过分析研究云冈矿204 个突水点数据资料，引入单位涌水量，得出适用于深部煤层开采底板突水危险评价的改进型突水危险评价办法Ts-q评价法。

3）利用TS-q 评价法对研究区底板突水危险程度进行评价，获得突水危险程度分区图。采用TS-q 法，扩大了突水安全区和相对安全区，评价结果更加精确。