大采深高承压水条件下煤层底板突水问题及解决对策

田志伟，任素雅，林 云*，邵敬民，潘国营

（1.中国平煤神马集团，河南平顶山 467000； 2.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454000）

0 引言

煤层底板具有承压含水层时，在采动影响下承压水就能以水压为驱动力，通过存在于煤层底板的断层、陷落柱、岩溶裂隙甚至是封闭不良钻孔等垂向导水通道，或者通过煤层底板隔水层中的采动裂隙及其与天然通道贯通而形成的联合导水通道，突破煤层底板隔水层向矿井充水。我国许多煤矿不同程度地存在煤层底板承压水突水问题，但就水害威胁程度而言，以华北石炭-二叠纪岩溶型煤田最为突出。这类煤田煤层底板分布有石炭纪薄层灰岩和奥陶纪巨厚层灰岩岩溶含水层，承压水头高，富、导水性强，距离开采煤层近，岩溶承压水可突破隔水层进入矿井。特别是奥陶纪灰岩厚度大，裂隙岩溶发育，富水性好，补给充沛，水压高，一旦发生突水，往往给矿井带来严重水害甚至矿难。底板突水是与采煤有关的力学问题，因此，国内外学者，用力学理论研究解释底板突水。前苏联学者斯列萨列夫将巷道揭露的底板隔水层视作两端固定并承受均布载荷的超静定梁，推到出计算底板安全水压值或底板隔水层安全厚度的理论公式［1-2］。20 世纪60 年代，煤炭科学院西安分院总结了国内大量底板突水案例，选择控制底板突水的两个最重要因素——水压和隔水层厚度，提出了用单位隔水层承受的水压值即突水系数评价工作面底板突水危险的方法。斯列萨列夫公式和突水系数诞生至今，一直是煤矿评价和预测底板突水的重要方法，是现行《煤矿防治水细则》规定的首选方法［3-4］。山东矿院李白英教授等人运用力学理论计算、物理模拟和数值模拟等方法，提出了开采煤层底板的“下三带”理论，即底板采动导水破坏带、完整岩层带和承压水导升带［5］。施龙青等将“下三带”理论发展至“下四带”理论，即矿压破坏带、新增损伤带、原始损伤带和原始导高带［6］。关于底板突水机理研究，一些学者还提出过“原位张裂及零位破坏”理论［7］、“薄板结构”理论［8］、“关键层”理论等［9］，限于篇幅不再逐一阐述。

河南省煤炭资源丰富，主采煤层底板普遍分布有石炭纪薄层灰岩和奥陶纪（寒武纪）灰岩岩溶含水层，采掘生产普遍受煤层底板灰岩承压水的突水威胁，尤以焦作矿区、鹤壁矿区、禹州矿区、新密矿区、荥巩矿区、新安矿区、偃龙矿区最为严重，共发生水量大于600m3/h的突水102次。目前，许多矿井采深已达到600～800m，也要不少矿井已达到或超过1 000m，作用在煤层底板岩溶水压力达到6～8MPa，底板突水危险增大。为有利于推动煤层底板灰岩承压水突水危险评价的深入研究和实践应用，作者将工作中遇到的一些问题，分享给国内从事防治水研究和现场工作的专家学者。

1 底板突水评价中遇到的主要问题

1.1 底板破坏深度

隔水层是阻挡煤层底板承压水向矿井充水的屏障，但采煤会造成煤层底板下一定深度的隔水层发生破坏而丧失隔水作用，破坏深度与工作面矿压、煤层赋存条件、工作面尺寸、采煤方法、隔水层岩性及力学强度、构造复杂程度等多种因素有关。底板破坏深度可以采用现场实测、经验公式和理论公式计算、数值模拟等多种手段加以确定，其中《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范指南》推荐的与采深、煤层倾角和工作面斜长相关的计算公式如下：

CP= 0.008 5H+ 0.166 5a+ 0.107 9L- 4.357 8（1）式中：CP为底板破坏深度，m；L为开采工作面斜长，m；H为开采深度，m；a为煤层倾角，（°）。

底板破坏深度是煤矿制定底板水害防治措施的重要依据，由于普遍缺少实测数据和统计规律，不少矿井仍沿用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范指南》推荐的经验公式进行计算。然而，经验公式是基于国内一些矿井在浅部采煤时的观测数据总结出来的，是否还能满足目前煤矿普遍面临的大采深、大斜长、高矿压、综放采煤等开采环境，对此提出疑问并加以研究是非常有必要的。通过查阅在国内专业期刊公开发表的论文和硕博学位论文，不少学者或现场技术人员对此有大致相同的认识，即随着开采深度的增加，用底板破坏深度回归公式计算的结果与实际往往有较大偏差。

平煤神马集团十矿己17-33200 工作面斜长132.5m，煤层倾角6.5°，最大采深H=1 202m，按照上述经验公式计算出来的底板破坏深度为21.24m。己17-33200 工作面因靠近李口向斜轴，煤层底板寒灰岩溶水承压2.86MPa，回采过程中存在底板突水危险。为监控工作面回采过程中顶底板围岩变形破坏及其带来的水害异常，采前安装了微震监控系统，在机巷和风巷各埋设了10个微震检波器。2022年6 月1 日工作面开始回采，当年12 月27 日回采结束，共监测到31 521 个微震事件，其中，18 085 个发生在煤层顶板地层中，13 436 个发生在煤层底板地层中。以1m 为间隔，统计了底板不同深度的微震事件数量、微震事件数量占全部微震事件的百分比、累计占比变化率。综合分析这些数据，最终确定工作面底板破坏带深度为32m，比用经验公式计算得到的数值高11m。因此，在大采深的条件下，如仍用现有经验公式计算底板破坏深度，并据此为依据谋划或设计底板水害综合防治措施会存在一定的风险。

1.2 突水系数及其临界值

一般说来，突水系数越大，底板突水危险就越高。临界突水系数是单位隔水层厚度所能承受的最大水压或极限水压。当突水系数超过临界值时，突水危险大；当突水系数小于临界值时，一般不会突水。临界突水系数受矿区水文地质条件、矿井充水条件、开采条件和开采方法等因素的影响，不同矿区或同一矿区的不同矿井会有不同的临界值。因此，国内一些矿区通过对历史突水资料的总结，确定有适用于本矿区的临界值。现行《煤矿防治水细则》规定，受构造破坏块段临界突水系数为0.06 MPa/m，正常构造块段临界突水系数为0.1MPa/m。值得注意的是，这两个临界值是基于20 世纪60 年代发生在焦作、峰峰、淄博、井陉矿区一些底板突水案例总结出来的［10］，是与那个时代的矿井水文地质及充水条件、开采条件和采煤工艺相适应的，与现阶段矿井普遍面临的大采深、高水压、高地应力、综采放顶煤等条件截然不同，继续将其作为评价底板突水危险的限值，就可能会出现突水系数超限但未发生突水、突水系数未超限但却发生突水的意外情况。华北科技学院尹尚先教授曾指出，突水系数公式适用于煤层底板隔水层厚度小于50m 的回采工作面，当隔水层厚度大于50m，应用效果不理想［11］。

表1列举了近些年来河南省一些煤矿回采工作面发生的三起底板突水案例，可以看出，既有突水系数未超临界值但回采时却突水的“异常”情况（平顶山十矿和鹤壁十矿），也有突水系数超0.06 MPa/m限值而突水的“正常”情况（洛阳龙门矿）。

表1 河南煤矿回采工作面典型突水案例的突水特征Table 1 Water inrush characteristics of typical water inrush cases in mining faces of Henan coal mines

平顶山十矿己15-33200 工作面是该矿-870 水平最深工作面，走向长984.5m，倾斜长149.5m，标高-882～-956.5m，主采煤层为山西组己15煤（二2煤）。工作面内断层不发育，构造简单，煤层底板主要充水水源是寒武系灰岩承压水（以下简称“寒灰水”）。回采前，在工作面机风巷及底抽巷进行了两次瞬变电磁物探，朝物探圈定的富水异常区布置了15 个探查孔兼疏放水孔，单孔出水量仅1 个孔达到20m3/h，其余孔水量在2～9m3/h。采前实测寒灰水位为-567.7m，采面最低开采标高处最大承压3.89MPa，己15煤底板至寒灰顶界面之间的隔水层厚度为90m，突水系数为0.053MPa/m。工作面受承压水威胁但突水系数未超临界值，完善带压开采措施后被上级批准回采。2020 年5 月26 日开始回采，6月29 日回采132m 时发生了以寒灰水为水源的突水，最大水量为260.3m3/h，稳定水量为110m3/h，水温为51℃，突水后寒灰水位降幅达108m。

1.3 脆弱性指数

煤层底板突水是多种因素综合作用的结果，除与突水系数中涉及的水压和隔水层厚度紧密相关外，还与底板隔水层岩性及组合方式、充水层岩溶裂隙发育程度和富水程度、构造复杂程度、采煤方式等因素有关，而突水系数仅考虑了水压和隔水层厚度两个指标，从而显得过于简单。为综合反映多因素综合影响下的复杂非线性突水过程，中国工程院院士武强提出了脆弱性指数方法。它是将具有强大空间数据统计分析处理功能的地理信息系统与线性或非线性数学的耦合方法于一体，在筛选出底板突水主控因素的基础上，应用ANN、证据权重法、LOGISTIC 回归等线性或非线性数学模型，确定各主控因素对底板突水的“贡献”或“权重”，用脆弱性指数衡量不同区域底板突水危险性［12-13］。与突水系数法相比，评价过程虽略显复杂，但综合考虑了多种影响因素，在理论上符合煤层底板突水的非线性特征。该方法已经写入《煤矿防治水细则》，现广泛应用于煤矿水害评价工作中。但现场技术人员在使用中常提到存在一些问题。

第一，脆弱性指数是一个相对指标，国内尚没有形成同“突水系数临界值”类似的全国性或矿区性数据，评价结果的客观性有待于提升。

第二，随着开采深度的加大，井田内奥灰（奥陶系灰岩）或寒灰岩溶发育程度和富水性弱化现象非常明显，而隔水层厚度、有效隔水层、岩性组合、底板破坏深度等时空变化并不明显，假设不考虑断层等构造导水，在以脆弱性指数为依据划分突水危险性分区时，相对于浅部严重的底板水害，深部水害危险程度会被“弱化”，与深部高水压带来的突水系数超临界值相矛盾。

平顶山十三矿己四采区主采二叠系山西组二1煤，平均煤厚5.85m。因靠近岩溶水补给区，且断层较密集，太灰（太原组灰岩）下段薄层灰岩和寒灰岩溶裂隙发育，富水性强，水力联系密切，底板灰岩承压水突水问题突出。为评价己四采区底板突水危险，筛选出水压、富水性、有效隔水层厚度和断层规模指数作为计算脆弱性指数的指标，对应的权重依次是：0.258、0.242、0.283 和0.217。评价结果显示，二1煤底板标高-150～-350m 区域，不受底板灰岩水的影响，属于安全区；标高-350～-700m 且不受断层影响的区域属于较安全区；标高-350～-700m 且受断层影响区域及标高-700m 以深属于突水危险区。然而，2016 年10 月24 日，在掘进-500～-525m 标高的14100 工作面机巷底抽巷时发生了最大水量为70m3/h的突水，直接水源为太灰下段灰岩水，补给水源为寒灰水，按当时水位计算的突水系数为0.065MPa/m；而此区域用脆性指数性法则评价为较安全区。脆弱性指数评价结果与突水系数评价结果出现了矛盾，除与分级阈值设置不合理有关外，也与在计算脆弱性指数时考虑了富水性和断层规模指数对突水影响和相对消弱了水压和隔水层厚度对突水的贡献有关。

第三，在采煤工作面有限范围内，与脆弱性指数相关的评价因子或空间差异性小，或缺乏空间数据，用于评价小尺度范围内的突水危险性就存在一定困难。

平禹一矿位于禹州市古城镇龙屯村，主采二1煤，采掘生产受底板寒武系灰岩承压水的突水威胁，2008 年12 月14 日，13091 工作面回采过程中发生了最大水量为1 200m3/h、水源为寒灰水的突水。2010 年选用水压、寒灰富水性、有效隔水层的等效厚度、脆性岩厚度、构造分布和断层端点分布作为计算脆弱性指数的五项指标，对13091 外段工作面采用脆弱性指数进行了突水危险性评价，五项指标的权重依次是0.309 5、0.103 1、0.262 0、0.065 5、0.194 9和0.065 0。评价结果显示，局部为突水脆弱区，工作面45%的范围为较脆弱区，其余为安全区和相对安全区。而按照当时水压计算的寒灰突水系数为0.045MPa/m，小于临界突水系数，全区均为相对安全区。两种方法的评价结果不仅不一致，圈定的突水脆弱区和较脆弱区也与实际不符。

1.4 岩溶水的“双层水位”或“多层水位”效应

已故的中国地质大学田开铭教授在20 世纪90年代就发现，奥陶系灰岩随埋深加大其渗透性变弱，由此带来浅部和深部水位出现分离，呈现出“双层水位”效应，在开采深部矿体时可实施局部性的疏干开采［14］。奥灰岩溶水在不同水文地质单元出现的“双层水位”甚至“多层水位”现象，在华北石炭-二叠纪岩溶型煤田不少煤矿都存在，注意发现这种现象并加以利用，能够提高水害治理效果。

平顶山五矿在20 世纪90 年代开采石炭系煤层时，在标高-220m以浅揭露过岩溶裂隙及溶洞，出水量200m2/h，水源为寒灰水，至今仍在出水。该矿进入-870m标高采煤后，综合探查和研究发现，起到隔水作用的锅底山断层将深部寒灰水与浅部寒灰水分割成两个独立的水文地质单元，深部寒灰富水性差，缺少补给来源，径流循环滞缓，水位较浅部低320m。据此，五矿在深部虽然也对寒灰水进行疏放，但疏放量小，降压效果显著。

禹州矿区平禹一矿因受底板寒灰水的严重威胁，自2010 年5 月至今一直大流量持续疏放寒灰水［15］，峰值时最大放水量为3 900m3/h，目前放水量仍保持在1 000m3/h 左右，浅部寒灰水位从放水前的+135m 降至目前的-100m。随着开采深度的加大，寒灰岩溶发育程度逐渐弱化，富水性变差，疏放水钻孔水量很小甚至干孔。深部-415m水平寒灰水位为-250m，与浅部有了落差150m 的台阶。基于深部寒灰岩溶水的水文地质特点，未再延续原有的强疏措施，采取了以工作面底板隔水层注浆加固改造为核心的水害防治措施［16］。

水位或水压是评价底板突水危险的关键因子，认识到井田煤层底板下承压含水层在不同水文地质单元可能出现的“双层水位”效应，不仅能够正确评价突水危险，对于矿井有效地探查和防治灰岩水害也是有利的。

2 解决问题的对策

在目前矿井普遍进入深部开采的条件下，有必要重新审视和研究大采深、高地应力、高地温和高水压等不利开采环境下，煤层底板承压水突水机理、突水危险评价、水文地质条件探查和水害综合防治等方面的相关问题。针对本文提出的上述问题，有必要开展以下几个方面的研究：

1）受底板承压水威胁的大采深矿井，应用钻孔注水、地质雷达探测、超声波探测、微震观测等手段，实测采动影响下的底板破坏深度，并与经验公式、力学理论、数值模拟的计算结果相比较，总结底板围岩变形破坏规律，修正现有或重新建立适用于本矿区或本矿井的计算公式。

2）由国内矿山防治水领域的权威专家牵头，联合大水矿区地测防治水技术人员，针对煤层底板突水及突水系数问题开展全国性的调查和研究，或对现有突水系数计算公式及其临界值、对煤层底板破坏深度计算公式进行必要调整，或者总结新的计算公式和临界值。与此同时，受底板承压水威胁的矿区或矿井，应通过总结历史突水案例和资料，建立适用于本矿区或本矿井突水系数的临界值。

3）脆弱性指数已经成为我国煤矿评价底板承压水突水危险的重要方法，因尚没有全国性标准或规范，在突水主控因子选取、量化、权重确定、脆弱性指数计算及校验等方面存在着随意性强、评价结果可比性差等问题，在对我国受底板突水威胁煤矿开展调查和研究的基础上，出台脆弱性指数评价突水危险的标准或指南，为规范脆弱性指数法在煤矿底板突水评价中的应用奠定基础。

4）奥灰或寒灰是华北石炭纪—二叠纪岩溶型煤田主采煤层底板富水性最强、补给最充沛、水量最丰富、水压最高、突水威胁最大和致灾性最强的间接充水层，因控制岩溶发育的条件具有空间差异性，奥灰或寒灰富水性及其致灾危险在各矿区、各井田甚至一个井田的不同采区各不相同。查明岩溶发育程度的水平分带和垂直分带性，精细划分水文地质单元，分区制定水害防治措施是非常有必要的。因此，凡受灰岩承压水突水影响的煤矿，应重视井田范围内水文地质条件的时空变化，并运用先进性和综合性探查手段，详细查明水文地质条件和矿井充水条件，精细划分水文地质单元，查明各水文地质单元特征及水文参数。针对各单元水文地质特征及边界条件，采取相适应的防治水措施。尤其需要注意的是，当开采深度加大，煤层底板奥灰或寒灰岩溶水如出现“双层水位”时，预示着深部水文地质条件已有别于浅部，应及时调整和优化原有防治水措施，分开采水平或分采区进行综合防治。

3 结论

目前广泛使用的煤层底板破坏深度计算公式、突水系数计算公式及突水系数的临界值，是国内防治水专家依托煤矿在浅部采煤时发生的底板突水案例而总结出来的，在矿井普遍面临大采深、综采放顶煤采煤工艺、高地应力、底板高承压地下水等采煤环境下，这些公式及临界值是否仍然还适用，有待于进一步研究。煤层底板灰岩岩溶含水层的水文地质条件存在着时空差异，矿井应在综合探查水文地质条件的基础上，划分水文地质单元，确定不同单元的水动力参数，制定同各单元水文地质条件相适应的防治水措施。

本文仅以河南省一些大水煤矿为例，对煤层底板突水危险评价中遇到的问题进行了讨论，其代表性、普遍性值得商榷。