2.2 底板突水极限压力计算

　　（1）正常开采时底板突水极限压力理论分析

　　在承压水体上煤层正常开采过程中，从煤层底板到底部承压含水层顶板之间可以划分为“三带”，即底板采动裂隙带h1、完整有效隔水层保护带h2及承压水导升裂隙带h3。如图1a所示，在采动裂隙带中，岩层主要受矿山压力的影响而产生破坏裂隙；在完整有效隔水层带，其受到的矿山压力的影响程度明显减弱，没有产生破坏裂隙；承压水导升裂隙带主要受承压水的作用，水压楔入岩体孔隙造成承压水导升。由于采动裂隙带及导升带不能起到完全阻隔承压水的作用。因此，底板是否发生突水，主要取决于有效隔水层带的厚度及其承载能力，所以下面将对底板有效隔水层带能够承载的突水极限压力进行计算。

　　在正常开采条件下，当长壁式工作面煤层为近水平或缓倾斜赋存时，可以假设底板有效隔水层带为四边固支的矩形平板。板的上部受采动裂隙带的重力作用γh1，下部受均布水压力P作用。有效隔水层带的体力为γh2，可以将其等效为板面上的面力，如图1b所示。

　　由于底板有效隔水层带未受到采动影响破坏，所以可将其看成连续、各向同性的均质介质，符合弹性力学假设条件。下面将底板有效隔水层带视为薄板，对其所能承载的突水极限压力进行分析可获得其弹性理论解。

　　（2）王行庄煤矿正常开采工作面底板突水极限压力计算

　　现以二1煤带压开采为例计算正常开采工作面底板突水极限压力，由公式（4）可知，可计算正常开采阶段底板有效隔水层带所能承载的突水极限压力P。

　　所需参数为：底板岩石的平均抗剪强度：τ0=6MPa； 底板岩石容重：γ=2600kg/m3，泊松比：ν=0.3；

　　研究区域的长和宽分别为Lx，Ly；本文选取10071工作面计算：Lx=960m，Ly=150m。

　　对于-300m工作面，有效隔水层厚度h2=H-h1-h3，则

　　根据以上计算可以得到二1煤正常开采阶段底板对L1-4有效隔水层带所能承载的突水极限压力：

　　同理，可以计算出二1煤正常开采阶段底板对奥灰有效隔水层带所能承载的突水极限压力为4.15MPa。

　　由上述计算可知二1煤正常开采阶段底板有效隔水层所能承载的突水极限压力大于目前观测到的最大水头压力（2.8MPa）。可以进行带压开采。

　　（3）断裂构造带安全性分析

　　对断裂构造带的阻水能力要具体分析，可分以下两种情况讨论：

　　a）充水、导水断层：它既为水源，又是通道。必须留设足够的煤柱。

　　b）不导水断层：一般充填物较软，强度低，断裂带附近地应力值也低，因此其阻水能力也大大降低。据室内相似材料模拟证实，断层处的应力及软弱充填物的强度降低到最小值的1/2左右，因此断裂带的阻水系数Z；以奥灰含水层为例，可取

　　以穿过煤层的断层为例，若断层倾角60°，断裂带的导水破坏带深度为25m，导高为5m时，则有效隔水层带的长度为55.5m。断裂带的阻水系数：

　　其阻水能力为1.66 MPa，小于目前观测到的最大水压pw（2.8MPa），故有突水可能。

　　2.3 底板突水分析

　　这里采用突水系数法。就整个华北型煤田而言，关于底板奥灰突水可能性分区问题，可以考虑以下方案：

　　I区：奥灰承压水面以上的地区，不存在底板奥灰突水问题；

　　II区：奥灰承压水面以下，但突水系数Ts<0.06，为可能发生底板突水危险地区，应在加强矿井防治水工作的情况下进行带压开采；

　　Ш区：突水系数Ts介于0.06～0.15的地区，发生底板突水危险较大，仅在构造简单的地段采取可靠安全技术措施后才可能进行带压开采；

　　IV区：突水系数Ts>0.15的地区，是发生底板突水最危险地段，底板突水是不可避免的。只有在采取疏水降压把突水系数Ts减小到0.15以下，才能实施带压开采或进行注浆加固。

　　结合上述计算的h1，h3数值，可以计算出二1煤层三个开采工作面的极限突水系数。

　　结果显示，该井田内临界突水系数均超过0.06，而小于0.15，位于III区，可以进行“带压开采”，在底板隔水层完整地段进行采煤生产是安全的；但若揭露严重破坏底板隔水层完整性的断裂构造，就仍可能诱发突水事故发生。

　　3 结语

　　根据王行庄矿的实际资料，对二1煤层开采受到的灰岩水威胁的水患类型及特征进行了分析，认为在二1煤层底板完整区段，水压不可能压裂岩层，有效隔水层能有效阻抗灰岩水压。在突水系数大于0.06MPa/m的底板破裂区，建议留设防水煤柱，暂不开采。对于突水系数小于0.1MPa/m的煤层底板正常区段，根据已有的防治水经验，在采用综合探查手段查明底板完整的情况下，可以实施安全开采。对于突水系数大于0.10MPa/m，但小于0.15MPa/m，在采取综合手段查明底板完整后，实施先探后掘，先探后采或实施局部疏水降压等技术手段，将采区突水系数降至0.10MPa/m以下，且在回采阶段严密监测底板以及奥灰水压。对突水系数大于0.15MPa/m的区段，暂不开采。

　　【参考文献】

　　[1]张壮路，洪益清，田干.赵各庄煤矿深部带压开采可行性研究[J].煤炭地质与勘探，2005，33（8）.

　　[2]王小同，王公忠.王行庄煤矿突水灾害地质条件分析与防治措施[J].煤矿安全，2010-06：109-111.

　　[3]李加祥.煤层带压开采的安全性预测[J].煤炭地质与勘探，1985，05：39-43.

　　[4]刘元洪，李耀伟.河南省庇山矿二1-11091采面带压开采论证及防治水措施[J].中国煤炭地质，2010，22（12）：46-49.

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