河东煤矿一采区底板突水危险性研究

许延春，李江华，姚依林，武文立，曹海长

(1.中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院，北京 100083;2.山西汾西矿业 (集团)有限责任公司河东煤矿，山西介休 032000)

河东煤矿一采区底板突水危险性研究

许延春1，李江华1，姚依林1，武文立2，曹海长2

(1.中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院，北京 100083;2.山西汾西矿业 (集团)有限责任公司河东煤矿，山西介休 032000)

为提高复杂水文地质条件下煤炭资源利用率和保证承压水上带压开采的安全，采用电剖面法探测了河东煤矿31005工作面10号煤层采后底板破坏深度，根据实测结果计算了一采区不同地点底板突水系数，并利用计算机软件划分出一采区底板突水危险区域。研究结果表明:河东煤矿一采区钻孔崔K－5附近断层构造带突水危险性较大，应加强监测并采取相关安全防水措施。研究结果可为河东煤矿今后底板防治水方案的制定提供重要依据，为落实矿井高效、安全生产提供借鉴。

底板突水;电剖面法;破坏深度;突水系数

针对以上问题，本文采用矿井直流电法中的矿井对称四极电剖面法，通过观测31005工作面10号煤层采动过程中底板岩层视电阻率的变化，计算出底板破坏深度，并根据采动造成的破坏深度划分出一采区底板突水危险区域，此研究可为河东矿今后奥灰水防治工作提供重要依据，对承压水上煤炭资源开采产生积极的影响。

1 采区及工作面概况

河东煤矿一采区地面位于崔家沟沟谷东北部，地表大部分被第四系黄土层覆盖，沟坡处有部分上、下石盒子组地层出露。31005工作面位于一采区的采区轨道巷东北部，切眼东北为矿井隔离煤柱与两渡镇八一煤矿相邻，31005运输巷东南为集屯风井保安煤柱，31005材料巷西北为正在掘进的31006工作面，31005工作面平面及测站位置示意图见图1。工作面只开采10号煤，10号煤层属全区稳定可采煤层，工作面标高576～621m，地面标高850～1000m，煤层平均厚度3.6m，煤层倾角为1～4.7°，平均2.8°，含夹矸2～3层，大部含2层夹矸。煤层顶板泥岩为主，局部为砂质泥岩和粉砂岩，底板泥岩为主。由于采区所在位置——井田东北部煤层处于奥灰水水位以下，水文地质条件复杂，10号煤层突水系数最大0.12MPa/m，在地质薄弱地带富水性较弱的峰峰组与富水性强的马家沟组形成水力联系，对矿井生产威胁较大。并且采区内有落差不等的数条断层，其带压开采的安全性值得特别关注。

2 工作面底板破坏深度观测

2.1 观测方案

本次观测钻孔设在相邻的31006工作面材料巷中，施工方便，观测条件好，效果好。

图1 31005工作面平面及测站位置示意

根据统计公式:h=0.0085H+0.1665α+0.1079L－4.3579和经验公式:h=1.86+0.11L计算得到在无断层影响下31005工作面10号煤层采后底板破坏深度分别为:17.95m和21.66m。公式中，H为开采深度，339m;α为煤层倾角，0°;L为工作面长度，180m。因此，正常情况下预计底板破坏深度范围为17～22m。

本次设计观测方案为:参考理论计算底板破坏的结果，在31006工作面材料巷内，P8测点向采空区26m处，施工无断层时的底板破坏观测钻孔，钻场尺寸为3m×3m×5m(高×宽×深)，钻孔号为SD，钻孔倾角－19°，方位角为垂直于31006工作面材料巷，长度80m，孔径为φ89mm。钻孔内埋设电极电缆，电缆有40个电极，电极间距为2m，采用WDJD－3直流电法仪，观测开采前以及开采过程中底板岩层视电阻率变化。钻孔SD设计平面示意见图2，施工剖面示意见图3。钻孔施工完毕后采用φ30mm塑料水管作为伴管将电缆电极送入钻孔指定位置，并利用该水管返浆封孔。

图2 钻孔SD设计平面

图3 钻孔SD施工剖面

2.2 观测结果分析

底板破坏深度观测方法为矿井对称四极电剖面法，该法根据工作面回采前后底板岩层视电阻率的变化判断底板岩层的破坏情况 (若岩层破坏后裂隙内未充水，电极测量得到的视电阻率将明显变大;若岩层破坏后裂隙内被水充满，得到的视电阻率将急剧减小)，确定采动矿压引起的底板破坏深度。为了针对性地解决直流电法数据多解性问题，本次观测采用改变供电极距的办法，分别采取单倍距 (AB/2=3m)、双倍距 (AB/2=6m)和三倍距(AB/2=9m)在同一时期内重复观测底板岩层的视电阻率，以获取底板破坏深度的惟一解［3］。

为确保矿井的安全生产和测量正常进行，电极电缆安装入钻孔内部之后采用注浆封孔。为了使封孔造成的影响能更加真实地反映出来，给予了水泥充足的凝固时间。视电阻率背景值测量在钻孔注浆封孔2d以后，测得的背景值基本能反映出底板岩层加固后的真实视电阻率。为了能够取得足够的数据分析底板岩层在工作面回采过程中的破坏规律，电极电缆安装完成之后采动过程中总共进行了5次数据观测 (工作面采前距钻孔300m，3m;采后距钻孔1.8m，9m，14.8m)。

根据各次测量的数据，分别得到工作面推进过程中钻孔单倍距、双倍距和三倍距3种情况下的视电阻率变化曲线，如图4、图5和图6(采前11表示回采前单倍距第1次观测)。

在确定评估指标后，采用专家打分法对评估指标之间的重要程度进行比较量化。一般的，将比较结果分为5个等级：相同、稍强、较强、很强和绝对强，并且用1～9来表示。通过专家打分对评估指标的重要性进行判定，构造一级评估指标的判断矩阵，如表2。

图4 钻孔SD单倍距测量数据

图5 钻孔SD双倍距测量数据

图6 钻孔SD三倍距测量数据

单倍距数据分析:由图4可知，钻孔中部12～19号测点岩体视电阻率数值较背景值明显增大，表明此区域岩层在工作面回采过程中受支撑压力作用而破坏，其最大破坏深度位置可能出现在单倍距19号测点位置。

双倍距数据分析:双倍距和三倍距测量范围都较大，能更大范围地揭露岩层视电阻率的变化情况。由图5可知，视电阻率在9～20号测点之间有明显的变大现象，此时得出底板最大破坏深度位置可能位于双倍距20号测点位置。

三倍距数据分析:由图6可知，由整个采动过程中视电阻率数据变化分析可得7～21号测点之间岩层视电阻率较原始背景值有明显的增大现象，底板破坏深度的极大值位置可能出现在三倍距21号测点位置。

单倍距、双倍距、三倍距的数据显示，在测点21号以后数值都进入较稳定阶段，说明此阶段受到扰动但没有形成大的破坏。采前工作面距离钻孔水平轴线3m时，视电阻率达到了峰值，表明此时底板已受到超前压力的影响后并由压缩区进入膨胀区，破坏达到最大。采后1.8m时数值稍有变小，但不是很明显，认为此时钻孔仍然在膨胀区。采后9m，14.8m的数据有明显的变小，并接近背景数据，说明此时钻孔已进入采空区压缩区域［4］。

根据不同极距探测的范围的不同，画出单倍距、双倍距、三倍距的测点的示意图，并根据破坏异常点画出马鞍形破坏区域可包罗的范围示意图(见图7)。本次观测所得的岩体视电阻率数据在垂向方向上相对钻孔的空间位置可能出现2种情况，观测数据为钻孔法线方向上方岩层视电阻率或下方岩层视电阻率。

若观测数据为下方岩体视电阻率时:由单倍距、双倍距、三倍距数据分析可得B1，B2，B3曲线，其分别为3种电极距下测得的底板导水破坏带，由数据分析得到单倍距数值增大区间范围较小，双倍距和三倍距范围增大，这与马鞍形的破坏形态是相矛盾的，故认为这种情况是错误的。

若观测数据为上方岩体视电阻率时:由单倍距、双倍距、三倍距数据分析可得A1，A2，A3曲线，其分别为3种电极距下测得的底板导水破坏带，测得的数据显示一倍距、二倍距、三倍距的破坏区域范围是扩大的，符合马鞍形破坏形态特征及电测法原理。

图7 地质点空间分布及各极距探测底板导水破坏带结果

综合上述分析可得底板破坏深度的极大值位置位于A321测点位置，当底板破坏深度发展到极大值时，破坏深度为17.26m，此时工作面到钻孔的距离为3m。

3 一采区底板突水危险性分析

根据《煤矿防治水规定》按不考虑底板破坏深度的突水系数计算公式:

式中，Ts为突水系数;P为含水层水压，MPa;M为隔水层厚度，m。

根据河东矿实际情况，考虑到矿压对底板的破坏因素，采用经过修改后的突水系数的表达式:

式中，Ts1为修改后的突水系数;M为隔水底板厚度，m;Cp为底板破坏深度，m。

根据不同钻孔柱状计算的一采区开采10号煤时不同地点的突水系数如表1。

表1 一采区开采10号煤突水系数

用突水系数评价底板稳定性的关键在于确定临界突水系数Ts(Ts1)，可定义为每米隔水层厚度所能承受的最大水压。若T＜Ts(Ts1)，说明底板稳定，突水可能性小;反之则说明突水可能性大。若按不考虑采动影响的突水系数，一采区突水系数为0.014～0.024MPa/m，小于0.06MPa/m的临界值，因此一采区工作面发生突水的可能性低。

当考虑采动破坏影响时由计算所得的突水系数(Ts1)合成突水性等值线图如图8。

图8 一采区开采10煤底板突水性等值线

若同样根据底板突水系数大于0.06MPa/m时不安全的评价原则，如图8所示，图中细等值线表示区域底板突水性系数小于0.06MPa/m，没有突水性危险，但不能排除地质薄弱地段的开采的突水危险;图中加粗等值线区域 (钻孔崔K－5附近)突水性系数大于0.06MPa/m，有突水危险。此外由于一采区断层发育，断层可能导通奥陶系主含水层，将使底板突水性危险增大，开采过程中应该注意加强底板防治水工作。

4 总结

根据现场电剖面法，采用改变电极距的方法实测得出破坏惟一解，经过数据分析计算得到破坏深度的极大值约为17.26m，因此认为电测法实用、适应性强，是一种值得推广应用的底板破坏深度观测方法［5］。

由计算的突水系数及等值线图可以看出一采区大部分地区底板突水性系数小于0.06MPa/m，没有突水性危险，但不能排除地质薄弱地段和断层构造带的突水危险;在钻孔崔K－5附近局部区域，考虑采动破坏时的突水性系数大于0.06MPa/m，有突水危险。此外由于一采区断层发育，断层可能导通奥陶系主含水层，将加大底板突水危险性。因此，在开采该区域时，应注意加强监测，做好带压开采的安全防水措施。

［1］桂和荣，龚乃勤，孙本魁.“深部开采底板突水控制论”研究基本思路及方案［J］.淮南工业学院学报，1999(4).

［2］李白英.预防矿井底板突水的“下三带”理论及其发展与应用［J］.山东矿业学院学报，1999(4).

［3］李海梅，关英斌.综采工作面底板破坏深度的研究 ［J］.矿山压力与顶板管理，2002，19(4).

［4］谢海应.直流电法仪在煤矿安全生产中的应用［J］.山西焦煤科技，2008(8).

［5］王家臣，许延春，徐高明，等.矿井电剖面法探测工作面底板破坏深度的应用［J］.煤炭科学技术，2010，38(1).

Analysis of Floor Water-burst Danger in 1st Mining Region of Hedong Colliery

XU Yan-chun1，LI Jiang-hua1，YAO Yi-lin1，WU Wen-li2，CAO Hai-chang2
(1.Resources＆ Safety Engineering School，China University of Mining ＆ Technology(Beijing)，Beijing 100083，China;2.Hedong Colliery，Shanxi Fenxi Mining(Group)Co.，Ltd，Jiexiu 032000，China)

In order to improve coal resource utilization ratio and ensure mining safety over pressure water under complex hydrogeology condition，applying electrical profiling method to surveying floor failure depth after mining 10th coalseam of 31005 face in Hedong Colliery.Floor water-burst coefficients of different places were calculated with survey data and water-burst danger area was found by software.Result showed that water-burst danger in fault tectonic zone near K-5 borehole was large and corresponding water prevention should be adapted.The result could provide important reference for later floor water-burst prevention.

floor water-burst;electrical profiling method;failure depth;water-burst coefficient

TD745

A

1006-6225(2012)03-0089-04

2012－03－14

国家重点基础研究发展计划 (973)项目 (2007CB209402)

许延春 (1963－)，男，河北乐亭人，博士生导师，研究员，从事近水体安全采煤研究。

［责任编辑陈佩佩］