聶偉濤

（西山煤電（集團）有限責任公司義城煤業(yè)，山西 太原 030053）

·問題探討·

突水系數(shù)法評價煤層底板帶壓開采的局限性

聶偉濤

（西山煤電（集團）有限責任公司義城煤業(yè)，山西 太原 030053）

從突水系數(shù)法的提出背景以及影響突水系數(shù)的巖性、地質(zhì)構(gòu)造與水壓等方面，分析了突水系數(shù)法在評價煤層底板帶壓開采時，存在的局限性。在未詳細研究底板突水類型和未對底板突水類型進行分類的前提下，提出的突水系數(shù)計算公式不具有分類指導(dǎo)意義，突水系數(shù)并不能準確評價煤層底板突水安全性。

突水系數(shù)法；帶壓開采；評價；局限性

突水系數(shù)是評價底板突水的最常用方法，其概念明確，取值方便，且具有一定的統(tǒng)計精度，故廣泛被人們用于評價底板突水；但在實際生產(chǎn)過程中突水系數(shù)法并不準確，有時計算的突水系數(shù)大于臨界值時不突水，而小于臨界值時出現(xiàn)突水，這反映出突水系數(shù)和突水系數(shù)法存在一定的局限性。

1 突水系數(shù)的提出

20世紀60年代，針對當時華北石炭二疊系煤田底板突水頻繁，為了評價底板突水的需要，提出了突水系數(shù)的概念。突水系數(shù)是指煤層底板隔水層所承受的水壓與底板隔水層厚度的比值。其表達式為：

式中：

T—突水系數(shù)，又稱水壓比，kg／cm2·m；

P—作用于巷道底板的水壓，kg／cm2；

M—底板隔水層厚度，m。

由于突水系數(shù)只在概念上解釋了底板突水與水壓和隔水層厚度的關(guān)系，即水壓愈大，隔水層愈薄，愈易突水；反之水壓愈小，隔水層愈厚，愈不易突水。在某種程度上突水系數(shù)評價法并未解釋突水系數(shù)與水壓和隔水層厚度存在的數(shù)值關(guān)系。所以，突水系數(shù)法是定性的。

為了把突水系數(shù)推向?qū)嶋H應(yīng)用，經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，已知突水點的突水系數(shù)均大于0．60～1．5 kg／cm2，于是將該數(shù)值定義為臨界突水系數(shù)。當時，全國只有峰峰、焦作、淄博、井陘4個礦區(qū)發(fā)生過較多的底板突水事件，統(tǒng)計的臨界突水系數(shù)值是一個范圍（表1）。

表1 部分礦區(qū)總結(jié)出的突水系數(shù)臨界值

2 影響因素分析

2．1 隔水層巖性對突水系數(shù)的影響

用突水系數(shù)評價底板突水，只考慮隔水層的厚度是不夠的，還應(yīng)該考慮隔水層的巖性組合和不同巖層的抗?jié)B透性和抗破壞強度。因此，先后提出了質(zhì)量等值系數(shù)和強度等值系數(shù)的概念和評價隔水層的方法。

1）質(zhì)量等值系數(shù)。受匈牙利相對隔水層厚度的啟發(fā)，引進了匈牙利多洛格煤炭公司質(zhì)量等值系數(shù)的概念。即：

式中：

M0—標準巖石（如泥巖）單位厚度的隔水—阻水作用值；

Mi—與標準巖石質(zhì)量不同的巖石單位厚度的隔水—阻水作用值；

δi—某巖石對標準巖石的質(zhì)量等值系數(shù)。

根據(jù)質(zhì)量等值系數(shù)，可以將各種巖層的厚度換算為相當于泥巖的厚度，其關(guān)系式為：

2）強度比值系數(shù)。煤科總院西安分院根據(jù)現(xiàn)場壓水試驗資料提出了某些巖石的強度比值系數(shù)（見表2），并提出了等效隔水層的概念。

式中：

M0—等效隔水層厚度，m；

M—底板隔水層實際厚度，m；

δi—不同巖層巖石強度比值系數(shù)（見表2）。

表2 某些巖石的強度比值系數(shù)表

隨著礦壓理論被引入底板突水研究，人們發(fā)現(xiàn)強度大的巖層有利于阻抗礦壓破壞，而塑性強的軟巖則有利于阻抗承壓水的滲入。于是設(shè)想軟硬相間巖層最有利于御防底鼓突水。然而，迄今為止無人對隔水底板巖層的強度和阻抗水能力在底鼓突水中所起的作用及其各自所占的比例關(guān)系作出明確分析。

2．2 斷層對突水系數(shù)的影響

實際資料表明，底板突水80%以上與斷層有關(guān)，但斷層在底板突水中所起作用不明。因此，在計算突水系數(shù)時，難以對斷層進行考慮。

斷層在底板突水（尤其是奧灰突水）中的作用主要是集中導(dǎo)水通道的作用，斷層不能看作是完整隔水底板的一部分。因此，在采用突水系數(shù)法評價底鼓突水時不能將工作面內(nèi)的斷層、陷落柱等作為完整隔水底板來對待。

2．3 水壓對突水系數(shù)的影響

盡管工作面某點的水壓是一個確定值，不存在隨機的影響。但在水文地質(zhì)工作中，底板承受的水壓是由底板含水層靜止水位編制的等水位線圖，再由圖上某點水位減去含水層頂面標高確定的。由于等水位線圖的精度受其比例尺大小所控制，加上灰?guī)r含水層巖溶發(fā)育的不均一性，由等水位線圖讀取水位值計算水壓常常不可靠，而具有一定隨機性。

2．4 礦壓對充水系數(shù)的影響

自山東科技大學提出礦壓對底板破壞所起的作用后，愈來愈多的人認為底板充水是水壓和礦壓共同作用的結(jié)果。由于煤層底板隔水層上部受到礦壓的破壞，下部受水壓破壞，從而使有效隔水層厚度減小，導(dǎo)致底板突水。

在此過程中，突水系數(shù)的表達式大體上經(jīng)歷了如下的演化過程：

式中：

CP—礦壓對底板的破壞深度，m；

m0—承壓水原始導(dǎo)高，m。

在突水系數(shù)表達式演變的過程中，臨界突水系數(shù)值始終沒有變化。

3 突水系數(shù)法存在主要缺陷

“突水系數(shù)”表達式，只是一個概念性的公式，表達式的提出，未經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計或建立經(jīng)驗方程的方法和過程，只是某種概念上的推理，因而使之缺乏數(shù)學上的含義。且單一的公式化無法應(yīng)對相對復(fù)雜的地質(zhì)條件。

從數(shù)理統(tǒng)計角度看，在底板突水類型未研究清楚和未對底板突水類型進行分類的前提下，提出的計算公式很難具有分類指導(dǎo)意義。由于一個包括多種類型的樣本組成的總體，不同類型的樣本對于總體來說就很難具有代表性、真實性、統(tǒng)一性和獨立性，而是相互干擾、相互混淆，統(tǒng)計出來的結(jié)果其概率精度必然會很低，這是突水系數(shù)法存在缺陷的根本原因。

4 結(jié) 論

“突水系數(shù)”表達式，只是一個概念性的公式，表達式的提出，未經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計或建立經(jīng)驗方程的方法和過程，只是某種概念上的推理，因而使之缺乏數(shù)學上的含義，且單一的公式化無法應(yīng)對相對復(fù)雜的地質(zhì)條件。特別是受巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及水壓取值的影響，突水系數(shù)法在實際應(yīng)用上具有局限性，突水系數(shù)并不能準確評價煤層底板突水安全性。

［1］ 田 干．突水系數(shù)計算公式的演變與實驗研究［J］．煤炭工程，2010（5）：99-102．

［2］ 鄧 華，修 濤．煤礦底板突水因素分析及防治［J］．山東煤炭科技，2011（4）：221-222．

［3］ 賀志宏．地下水突水系數(shù)地安全開采評價中的缺陷［J］．地下水，2012（3）：35-36．

［4］ 管恩太．突水系數(shù)的產(chǎn)生及修正過程［J］．中國煤炭地質(zhì)，2012（2）：30-32．

［5］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局．煤礦防治水規(guī)定［M］．北京：煤炭業(yè)出版社，2009：21-22．

Limitations of Water Inrush Coefficient Method on Evaluating Mining under Safe Waterpressure of Aquifer in Coal Seam Floor

Nie Wei-tao

Through studying the background of water bursting coefficient method and the following three influential factors，lithology，geological structure and water pressure，analyzed the limitation of the water bursting coefficient method on evaluating mining under safe waterpressure of aquifer in coal seam floor．When the floor water inrush types have not been studied carefully and classified，the formulas of calculating water inrush coefficient have no classification guidance significance，the water bursting coefficient method can not provide correct safety evaluation of mining above the confined aquifer．

Water bursting coeficient method；Mining under safe waterpressure of aquifer；Evaluation；Limitation

TD745

B

1672-0652（2013）10-0067-03

2013-07-22

聶偉濤（1966—），男，河北唐縣人，1990年畢業(yè)于山西礦業(yè)學院，工程師，主要從事礦井地質(zhì)工作，（E-mail）351005352＠qq．com