在承壓水體上安全采煤?jiǎn)栴}

我國(guó)華北及華東地區(qū)的主要礦區(qū)如開(kāi)灤礦區(qū)、兗州礦區(qū)、新汶礦區(qū)、棗莊礦區(qū)，開(kāi)采石炭二疊系煤層。煤系基底為奧陶系石灰?guī)r，厚度大、巖溶裂隙發(fā)育、富水性強(qiáng)、水壓大。當(dāng)遇有地質(zhì)構(gòu)造（如斷裂構(gòu)造）時(shí)，奧陶系石灰?guī)r與上覆的本溪組或太原組的石灰?guī)r連通，發(fā)生水力聯(lián)系，造成底板突水事故。有些煤層由于受奧陶系石灰?guī)r承壓水的威脅而不能開(kāi)采。因此，研究和解決受奧陶系石灰?guī)r承壓水威脅煤層的安全開(kāi)采問(wèn)題，對(duì)于煤礦的安全生產(chǎn)和解放呆滯的煤炭資源具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
一、底板突水類(lèi)型
1、按底板突水地點(diǎn)分：巷道突水、采煤工作面突水。
2、按突水的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形式分：
（1）爆發(fā)型：突然爆發(fā)，即達(dá)峰值，過(guò)后突水近于穩(wěn)定、減小。來(lái)勢(shì)猛、速度快、沖擊力大，常有巖石碎屑伴水突出。
（2）緩沖型：水量由小到大逐漸增大，經(jīng)幾小時(shí)、幾天、甚至幾月才達(dá)到峰值。
（3）滯后型：采掘工作面推過(guò)后，在巷道、采空區(qū)內(nèi)發(fā)生突水，滯后時(shí)間幾天、幾個(gè)月、幾年，突水量可急可緩。
3、按突水量大小分：
（1）特大型：突水量等于或大于50 ；
（2）大型：2049 ；
（3）中型：519 ；
（4）小型：小于5 。
二、開(kāi)采后底板巖層破壞規(guī)律
在開(kāi)采過(guò)程中，煤層底板應(yīng)力重新分布造成底板巖層的變形與破壞，削弱了底板巖層的阻水能力，甚至形成突水通道。因此，研究開(kāi)采后煤層底板的應(yīng)力重新分布、變形與破壞規(guī)律，是研究煤層底板突水問(wèn)題的基礎(chǔ)。
1、開(kāi)采過(guò)程中工作面底板應(yīng)力變形特征
采煤工作面周?chē)鷳?yīng)力的分布情況：按應(yīng)力大小分升高應(yīng)力區(qū)(增壓區(qū))、降低應(yīng)力區(qū)（減壓區(qū)）和原始應(yīng)力區(qū)（穩(wěn)壓區(qū)）（見(jiàn)圖1）。

采煤工作面底板應(yīng)力與變形情況：按應(yīng)力與變形性質(zhì)分壓縮區(qū)（壓應(yīng)力）、膨脹區(qū)（拉應(yīng)力）、壓縮區(qū)與膨脹區(qū)之間（剪應(yīng)力）。拉應(yīng)力與剪應(yīng)力使底板出現(xiàn)一系列垂直于層面的斷裂。垂直斷裂與層理、順層斷裂交叉，形成底板破碎帶（見(jiàn)圖1）。
2、煤層底板“下三帶”
根據(jù)煤層底板的破壞情況及地下水的導(dǎo)升情況，采煤工作面連續(xù)推進(jìn)后，工作面及采空區(qū)煤層底板可分為三帶（見(jiàn)圖2）：

（1）破壞帶：直接與工作面鄰接的底板，出現(xiàn)一系列沿層面和垂直于層面的斷裂，使底板導(dǎo)水能力增強(qiáng)，因此又稱(chēng)為導(dǎo)水破壞帶，其厚度稱(chēng)底板破壞深度h1，可達(dá)幾米到十幾米。
（2）保護(hù)層帶：位于破壞帶之下的完整巖層，巖層在支承壓力作用下產(chǎn)生彈性變形或塑性變形，但仍保持連續(xù)性，其阻水能力未發(fā)生變化。因此，又稱(chēng)完整巖層帶或阻水帶。其厚度為h2。
（3）地下水導(dǎo)升帶：位于保護(hù)層帶之下，底板承壓水，沿底板隔水層裂隙上升的高度，其厚度為h3。
（4）底板含水層頂部充填隔水帶：有時(shí)底板含水層頂部存在泥質(zhì)物的充填，具有隔水作用，其厚度以h4表示。
根據(jù)下三帶理論，預(yù)測(cè)承壓水體上采煤有四種情況，（見(jiàn)圖3）

三、影響底板突水因素
1、水源條件
水源條件包括水壓和水量。水量是突水的物質(zhì)基礎(chǔ)；水壓是突水的動(dòng)力。水量越豐富，突水量越大，其危害性也越大。水壓大，一方面沖破力大；另一方面在隔水層裂隙中導(dǎo)升高度增大，水壓越大其破壞性越大。
2、礦山壓力
（1）有周期來(lái)壓的采煤工作面，在初次來(lái)壓、周期來(lái)壓時(shí)，支承壓力大，對(duì)底板破壞嚴(yán)重，易發(fā)生底板突水事故。
（2）在采煤工作面后部采空區(qū)附近的底板處于降低應(yīng)力區(qū)或變形膨脹區(qū)，頂板垮落不充分，斷裂張開(kāi)，阻水能力最弱，易于突水。
（3）初次來(lái)壓前，在開(kāi)切眼附近，老頂大面積懸露、且直接頂垮落不接頂，底板形成較大的自由面，易于突水；
（4）工作面推進(jìn)速度太慢或停止時(shí)，在停采線處由于支承壓力的長(zhǎng)時(shí)
期作用，使底板破壞嚴(yán)重，易于突水。工作面推進(jìn)速度快，采空區(qū)底板還來(lái)不及形成較大的斷裂，就會(huì)由膨脹狀態(tài)變?yōu)閴嚎s狀態(tài)，有利于防止底板突水；
（5）區(qū)段煤柱在側(cè)向支承壓力的作用下，邊緣處破壞；煤柱邊緣處頂板垮落不充分，易于突水。
3、隔水層（保護(hù)層）阻力
隔水層的強(qiáng)度、厚度及裂隙發(fā)育程度，影響隔水層阻力的大小。隔水層阻力系數(shù)(Z)，以Mpa/m表示，在一般情況下Z=0.10.3Mpa/m 。
4、地質(zhì)構(gòu)造
地質(zhì)構(gòu)造，特別是斷裂構(gòu)造，是造成煤層底板突水的主要原因。我國(guó)絕大部分（80%以上）的底板突水，是由斷裂構(gòu)造引起的。
（1）斷裂錯(cuò)距的存在，縮短了含水層與煤層之間的距離，使底板隔水
層厚度減小甚至消失（見(jiàn)圖4）。

（2）斷裂錯(cuò)動(dòng)時(shí)，斷裂影響范圍內(nèi)的巖石比較破碎，極大地破壞了隔水層巖石的完整性，降低了隔水層的阻水能力。
（3）斷裂錯(cuò)動(dòng)時(shí)，斷裂影響范圍內(nèi)的巖石比較破碎，具有良好的儲(chǔ)水和導(dǎo)水特征，當(dāng)采煤工作面揭露到斷裂構(gòu)造時(shí)，即會(huì)發(fā)生底板突水。
（4）采煤工作面底板巖體中存在斷裂構(gòu)造時(shí)，使底板的破壞帶深度增大。
四、承壓水體上采煤防水安全媒巖柱的留設(shè)
1、防水安全煤巖柱的類(lèi)型
承壓水體上采煤，對(duì)于不同采動(dòng)等級(jí)的水體，都必須留設(shè)安全媒巖柱。
表1為承壓水體上采煤的采動(dòng)等級(jí)、允許采動(dòng)程度及留設(shè)的安全煤巖柱類(lèi)型。

2、防水安全煤巖柱的設(shè)計(jì)
原則：不允許底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶波及水體，或與承壓水導(dǎo)升帶溝通。
計(jì)算公式：
(1) 含水層頂部無(wú)泥質(zhì)物充填
h_a=h₁+h₂＋h₃ ，m
式中 h_a － 防水安全煤巖柱厚度，m
h₁ － 導(dǎo)水破壞帶厚度，m
h₂ － 阻水帶或保護(hù)層帶厚度，m
h₃ － 承壓水導(dǎo)升帶厚度，m
（2）含水層頂部有泥質(zhì)物充填
h_a=h₁+h₂＋h₄ ，m
式中 h₄－ 充填隔水帶厚度，m
3、防水安全煤巖柱基本參數(shù)的確定
（1）導(dǎo)水破壞帶厚度確定
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，破壞帶厚度主要取決與工作面長(zhǎng)度、開(kāi)采深度、煤層傾角、煤層開(kāi)采厚度以及開(kāi)采方法和頂板管理方法等因素，其次是底板巖層的抗破壞能力，包括巖石強(qiáng)度、巖層組合和原始裂隙發(fā)育狀況。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，采用回歸分析，得出以下統(tǒng)計(jì)公式：
h₁=0.7007+0.1079L
h₁=0.303^0.8
h¹=0.0085H+0.1665a+0.1079L-4.3579
式中 h₁ － 破壞帶厚度，m
L － 工作面長(zhǎng)度，m
H － 開(kāi)采深度，m
a － 煤層傾角，°
（2）阻水帶或保護(hù)層帶厚度確定
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔水力壓裂法實(shí)測(cè)的表示單位底板隔水巖層平均阻水能力的系數(shù)，可用下式表達(dá)：
Z=P_b/R
式中 Z－阻水系數(shù)，Mp_a/m
R－裂縫擴(kuò)展半徑，一般取40－50m
P_b－巖體破裂壓力，與地應(yīng)力和巖體抗拉強(qiáng)度有關(guān)。
P_b＝3s_b-s_H+T-P₀
式中 P_b－使巖體破裂時(shí)的臨界水壓力，Mp_a
s_b－作用于巖體的最小水平主應(yīng)力，Mp_a
s_H－作用于巖體的最大水平主應(yīng)力，Mp_a
T －巖體的抗拉強(qiáng)度，Mp_a
P₀ －巖體空隙中的水壓力，Mp_a
阻水帶帶厚度等于作用在底板上的水壓力（P）除以阻水系數(shù)（Z），即
h2=P/Z
根據(jù)我國(guó)部分礦區(qū)鉆孔水力壓力試驗(yàn)，不同巖層阻水系數(shù)一般是：
中、粗粒砂巖0.3~0.5Mpa/m；細(xì)粒砂巖約0.3Mpa/m；粉砂巖約0.2Mpa/m；泥巖0.1~0.3 Mpa/m；石灰?guī)r約0.4Mpa/m；斷層帶因其中充填物性質(zhì)及膠結(jié)或密實(shí)程度不同，其阻水能力變化很大，按弱強(qiáng)度充填物考慮，其阻水系數(shù)為0.05~0.10Mpa/m 。
（3）地下水導(dǎo)升帶高度確定
地下水導(dǎo)升帶的高度（h3）可采用物探和鉆探方法確定，一般可在井下巷道中用電測(cè)深方法進(jìn)行探測(cè)，必要時(shí)用鉆探驗(yàn)證。當(dāng)井下物探與鉆探條件受限制時(shí)，也可通過(guò)以往勘探鉆孔資料分析確定。斷層帶附近的地下水導(dǎo)升帶高度一般比正常巖層中增大，有時(shí)甚至可達(dá)到或超過(guò)煤層。
（4）底板含水層頂部充填隔水帶厚度確定
底板含水層頂部充填隔水帶厚度（h4）可以采用物探和鉆探方法綜合確定，表2為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果。

五、承壓水體上采煤方案
1、深降強(qiáng)排
采用疏水井巷、疏水鉆孔，將含水層水位降低至開(kāi)采水平以下，以保證安全開(kāi)采。但疏水工程量大，設(shè)備多，電耗大，投資大；使附近工農(nóng)業(yè)用水缺乏；若井田內(nèi)有奧灰，水量大、補(bǔ)給充足，難以實(shí)現(xiàn)深降強(qiáng)排方案。
2、外截內(nèi)排
先采用帷幕注漿，截堵補(bǔ)給水源。再疏干降壓，將承壓水水位降至開(kāi)采水平以下。要求水文地質(zhì)條件清楚，補(bǔ)給徑流集中，帷幕截流工程易施工。
3、帶壓開(kāi)采
在開(kāi)采過(guò)程中利用隔水層阻力，防止底板突水。承壓水水位高于開(kāi)采水平，底板要有足夠的強(qiáng)度能承受承壓水的壓力。帶壓開(kāi)采方案經(jīng)濟(jì)，但要探明水文地質(zhì)條件，進(jìn)行論證，并采取安全措施。
4、帶壓開(kāi)采，綜合治理
帶壓開(kāi)采，開(kāi)采前，堵截地下水補(bǔ)給水源；開(kāi)采過(guò)程中，疏水降壓。該方案既安全又經(jīng)濟(jì)。
六、承壓水體上采煤安全技術(shù)措施。
1、防探水安全技術(shù)措施
（1）做好水文地質(zhì)及構(gòu)造地質(zhì)工作：了解含水層、隔水層、巖溶、斷層、裂隙分布、承壓水徑流、補(bǔ)給水源通路等情況。
（2）加強(qiáng)防探水工作：超前探明底板隔水層厚度、底板含水層含水性能、地下水導(dǎo)升高度、斷層含水性能及裂隙富水程度。
（3）設(shè)置井上下水文工程設(shè)施：設(shè)置水文觀測(cè)孔，建立水文觀測(cè)制度，及時(shí)收集和整理水文觀測(cè)資料，必要時(shí)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的疏水巷道和疏水鉆孔，增加排水設(shè)備，提高排水能力。
（4）必要時(shí)對(duì)底板破碎帶進(jìn)行注漿加固。
2、開(kāi)采安全技術(shù)措施
（1）選擇開(kāi)采：按先易后難、由淺入深、先簡(jiǎn)單后復(fù)雜的原則進(jìn)行開(kāi)采；對(duì)條件相同的煤層，先進(jìn)行試采，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，找出規(guī)律，再逐步推廣應(yīng)用。。
（2）分區(qū)隔離開(kāi)采：用留設(shè)隔離采區(qū)煤柱、設(shè)置水閘門(mén)等方法，縮小底板突水的影響范圍。
（3）改革采區(qū)巷道布置：減少過(guò)斷層，減少巷道交叉點(diǎn)數(shù)目，縮小巷道交叉點(diǎn)面積，巷道交叉點(diǎn)和采煤工作面上下出口要盡量避開(kāi)小斷層，無(wú)法避開(kāi)時(shí)要對(duì)小斷層進(jìn)行加固。
（4）采煤方法：采用充填開(kāi)采、部分開(kāi)采、仰斜長(zhǎng)壁開(kāi)采、分層開(kāi)采；縮短工作面長(zhǎng)度，提高工作面推進(jìn)速度；正確確定工作面推進(jìn)方向。
作者：于潤(rùn)橋