准格尔煤田龙王沟煤矿特厚煤层底板突水危险性评价

李延辉

（鄂尔多斯市国源矿业开发有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010399）

煤炭开采受复杂地质、水文条件的制约，矿井水害一直是严重威胁煤矿安全生产及国民经济发展的重大因素[1-3]。龙王沟煤矿属晚古生代石炭二叠纪煤田，煤层平均厚度较大，构造发育，水文地质条件较为复杂[4]，矿井在开采时主要受底板奥灰水的威胁。通过突水系数法及多层叠加抗压强度比值系数法的叠加分析方法对6#煤底板突水危险性进行评价，综合考虑了水压、岩层力学特征等重要因素，可以快速有效地对底板突水危险性进行评价研究，丰富底板突水危险评价技术和方法。

1 研究区地质概况

龙王沟煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东部，准噶尔石炭二叠系煤田中西偏北部，行政区划属准噶尔旗薛家湾镇管辖。井田主要的含煤地层为石炭系太原组（C3t），主采煤层为6#煤，煤层厚度大，最大可采煤厚约26 m[5]。

井田主采煤层6#煤顶板岩性主要为砂质泥岩、粉砂岩，底板主要为砂质泥岩、泥岩。井田内主要构造为一单斜构造，位于西黄家梁背斜西北翼。断裂构造在井田内较为发育，均为NNE走向的正断层。

主要含水层可以分为碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组及第四系松散岩类孔隙含水岩组。

2 底板危险性评价方法

评价区奥灰岩溶水最低水位标高+878 m 左右，主采煤层6#煤层可采范围底板标高+645～ +906 m，大部处于岩溶水位以下，东部小部分区域为无压区。本次评价采用突水系数法及多层叠加抗压强度比值系数法两种方法进行评价。

2.1 突水系数法

突水系数是指单位厚度隔水层所能承受的极限水压，用于表征矿井水害的危险程度。该方法较为简单，综合考虑了水压、隔水层厚度等基本要素，通过多年的使用和改进，具有较为广泛的适用性。本次以《煤矿防治水细则》（2018）为标准，突水系数法计算公式如下：

式中：T为突水系数，MPa/m；P为底板隔水层承受的水头压力，MPa；M为底板隔水层厚度，m。

水压计算公式为：

式中：P为煤层底板承受的水压，MPa；M为煤层底板至十四灰、奥灰顶界面的距离，m；H为含水层的采用水位，m；X为6#煤层底板标高，m。

依据《煤矿防治水细则》中关于临界值的规定，底板隔水层正常地段突水系数临界值为0.1 MPa/m，构造破裂地段突水系数临界值一般为0.06 MPa/m，如果受构造破坏块段突水系数大于0.06 MPa/m 则有突水威胁。

2.2 多层叠加抗压强度比值系数法

（1）计算方法

该方法基于力学的角度，对隔水层底板软、硬岩的组合及单、多层抗压强度进行突出考虑，综合考虑了岩石力学特性对突水的影响。多层叠加抗压强度比值是指水压与底板总抗压强度的比值，当结果大于1 时，即水压比底板总体抗压强度要大时，奥灰危险性就大。其计算公式如下：

式中：Rjs为底板多层叠加抗压强度比值系数；Mi为底板岩层组合中各分层的厚度，m；Ki为底板岩层组合中各分层的抗压强度，MPa/m；i为层数；P为煤层底板承受水压，MPa。

（2）参数确定

① 岩层抗压强度（K）

基于煤炭部门在山东、河北、河南等矿区的实验结果，参照地矿部水文地质工程地质研究所发表的《中国固体矿床的水文地质特征与勘探评价方法》，对不同岩层每米抗压强度取得实测值如下：

类型Ⅰ：主要岩层代表为砂岩，抗压强度试验值为0.10 MPa/m；

类型Ⅱ：主要岩层代表为砂质页岩，抗压强度试验值为0.07 MPa/m；

类型Ⅲ：主要岩层代表为铝质页岩，抗压强度试验值为0.05 MPa/m；

类型Ⅳ：主要岩层代表为断裂带，抗压强度试验值为0.035 MPa/m。

② 岩性力学分层及抗压强度

基于测井、钻探、岩石力学等试验测试资料，底板岩层可以综合划分为以下四类：各类砂岩及灰岩（Ⅰ类），砂质泥岩、粉砂岩等（Ⅱ类），砂质泥岩、粉砂岩等（Ⅲ类）及断层破碎带（Ⅳ类），底板总体抗压强度通过各分层岩石类型的抗压强度及厚度计算得出。

3 研究区突水危险性评价

3.1 突水系数法

基于实际的钻孔数据，通过突水系数计算公式（1）、（2），计算得研究区各控制钻孔6#煤底板的奥灰突水系数（其中西南角为6#煤层底板标高最低处644.83 m，奥灰水位标高为879.500 m），见表1。

依据计算结果，运用GMS 绘制出研究区可采范围内的突水系数等值线图如图1。

图1 6#煤可采范围内奥灰突水系数等值线图

井田6#煤层开采方式为带压开采，据突水系数计算结果及等值线图可知，井田最东部钻孔煤层底板高于奥灰水位，为无压区（Ⅰ）；井田中部及西部6#煤层奥灰突水系数绝大部分小于受构造破坏地段的临界突水系数经验值0.06 MPa/m，划分为安全区（Ⅱ）；研究区只在观6#钻孔附近突水系数为0.067，略大于临界值但小于0.1 MPa/m，划分为过渡区（Ⅲ）。

3.2 多层叠加抗压强度比值系数法

采用多层叠加抗压强度比值系数法计算公式（3），分别计算得出各控制钻孔6#煤底板抗压强度比值系数，见表1。

表1 6#煤底板奥灰突水评价指标值

依据计算结果，运用GMS 绘制出研究区可采范围内的底板多层叠加抗压强度比值系数等值线图如图2。

图2 6#煤底板多层叠加抗压强度比值系数等值线图

经过对6#煤底板多层叠加抗压强度比值系数计算，矿区内东部不带压，向西部逐渐变大，但比值均小于1，因此全区均为安全区。

无压区（Ⅰ区）：6#煤层底板多层叠加抗压强度比值系数Rjs=0，主要分布在区内东部，为无压区，分布面积为10.79 km2。

安全区（Ⅱ区）：6#煤层底板多层叠加抗压强度比值系数0 ＜Rjs＜1，主要分布在区内东部，为安全区，分布面积为42.27 km2。

3.3 综合评价

将突水系数等值线图与多层叠加抗压强度比值系数等值线图进行对比叠加，效果如图3。

图3 6#煤底板突水危险性分区图

无压区（Ⅰ区）：两种方法计算均为无压的区域；安全区（Ⅱ区）：任一种方法计算为安全的区域；

过渡区（Ⅲ区）：突水系数法计算为过渡区的区域。

4 结论

（1）龙王沟煤矿主采煤层6#煤顶板岩性主要为砂质泥岩、粉砂岩，底板主要为砂质泥岩、泥岩，6#煤所在地层富水性较弱，主要受奥灰突水威胁。

（2）采用突水系数法对研究区突水危险性进行评价得，研究区东部为无压区，中部及西北部为安全区，仅西南部突水系数大于0.06 定为过渡区；采用多层叠加抗压强度比值系数法进行评价得，研究区东部为无压区，其余地区为安全区。

（3）通过突水系数法与比值系数法进行叠加综合评价得，研究区东部为无压区，中部及西北部为安全区，西南部为过渡区。综合评价所得结果与突水系数法所得结果更为接近，煤矿开采时应对过渡区进行物探分析，探明该区域构造破坏情况，以保证矿井的生产安全。