华北型煤田是我国的重要煤田，也是受地下水害威胁最为严重的煤田之一。为了解放受底板奥灰水害严重威胁的深部煤炭资源，常用的防治水技术思路包括降低奥灰含水层的水压及增加煤层底板隔水层厚度[1]，增加煤层底板有效隔水层厚度可采用底板奥灰顶部利用与注浆改造的方法。

国内多名专家学者对奥灰顶部利用与注浆改造技术进行了研究，2008年以前，煤层底板含水层注浆改造时，一直采用直孔注浆[2]，由于钻孔遇含水层孔段较短，需要密集钻孔。为了解决直孔注浆存在的问题，董书宁等[3-4]提出了利用水平定向钻孔进行煤层底板注浆加固的技术方案，提高了钻遇含水体和裂隙带的几率，减小了注浆盲区，提升了注浆改造的效率，开启了利用水平定向钻孔进行底板水害注浆治理的新篇章，并在河南焦作赵固一矿进行了成功试点。董书宁等[5]对奥灰顶部相对隔水段的成因进行了探讨，提出可以将相对隔水段作为保护层的一部分加以利用的观点，并给出了确定相对隔水段厚度的具体方法。缪协兴等[6]多种方法证实了奥陶系顶部碳酸岩层的隔水特性及形成机理。杜兵建、赵兵文等分析了峰峰矿区九龙等煤矿奥灰顶部地质条件，开展了奥灰顶部注浆改造试验工作，为峰峰矿区下组煤带压开采防治水工作打下基础[7-10]。武强等[11]使用信息融合技术(GIS)对华北型煤田中奥陶统碳酸盐岩古风化壳天然隔水性能进行研究。赵庆彪[12-13]利用水平定向钻孔技术在邯邢矿区成功进行了奥灰含水层顶部注浆改造。马金伟(2014)、施龙青等[14-15]针对肥城矿区不能够采用疏水降压的方法实现受奥灰突水威胁煤层安全开采的情况，建立井下奥灰水文观测网，进行了奥灰顶部注浆加固可行性试验，研究了注浆改造技术，并对曹庄等煤矿奥灰表层开展注浆改造试验，为该矿区奥灰顶部注浆改造提供了一定的技术支撑。

上述研究主要针对奥灰顶部相对隔水段的可利用性和奥灰顶部注浆改造技术进行了研究，对我国奥灰水害防治起到积极作用。但是，尚未提出奥灰顶部利用与注浆改造层位及厚度的选择准则等系统的理论基础研究，而对于底板有效隔水层薄、承压水大的下组煤而言，奥灰顶部利用和改造与底板破坏深度关系密切，从安全角度考虑，应重视底板破坏深度与奥灰岩层间的水力联系，正确理解《煤矿安全规程》中关于突水系数的诠释，因此笔者以韩城矿区11号煤层下组煤带压开采为工程背景，探讨了底板扰动破坏深度的影响参数，同时参考全国相似矿井实测值给出新模型拟合公式，并对其进行了验证和分析，从而科学有效地指导现场工程实践。

1 奥灰顶部利用与注浆改造判别准则

通过分析华北型煤田邢台、韩城、晋城等六大矿区奥灰含水层的水文地质勘探资料，可知奥灰顶部存在阻水性能较好的风化充填带可作为隔水层利用。在奥灰顶部注浆改造实施前，分析各矿区不同的水文地质条件及技术应用条件，按照奥灰顶部利用与注浆改造判别准则(图1)，进行注浆改造层段的选择。

由图1可知，奥灰顶部利用与注浆改造判别准则首先需计算研究区突水系数，若突水系数超过临界值，且不具备疏水降压条件时，应按以下准则判断是否需要进行奥灰顶部注浆改造及注浆改造厚度如何计算:① 根据突水系数公式反求实现安全带压开采必需的隔水层厚度，设为Mag;② 打钻探查煤层底板至奥灰顶部煤系隔水层厚度，设为Mmg;③ 将安全带压开采必需的隔水层厚度Mag与煤层底板至奥灰顶部的煤系隔水层厚度Mmg进行对比，若Mmg>Mag，且无断层、陷落柱等导水通道，则无需进行奥灰顶部利用与注浆改造工作，反之，则需进一步开展奥灰顶部垂向分带工作，获取奥灰顶部风化充填阻水带厚度，设为Mog;④ 将煤层底板至奥灰顶部的煤系隔水层厚度Mmg与奥灰顶部风化充填阻水带厚度Mog之和与安全带压开采必需的隔水层厚度Mag进行对比，若(Mmg+Mog)>Mag，且不存在断层、陷落柱等导水通道，则仅需利用奥灰顶部风化充填阻水带，无需开展奥灰顶部注浆改造工作;若反之，则需注浆改造奥灰顶部含水段，将待注浆改造的奥灰顶部含水层段厚度设为Mov,则Mov=Mag-Mmg-Mog。

2 奥灰顶部注浆改造厚度计算中保护层厚度

通过在华北型煤田邢台、韩城、晋城、兖州等6大矿区的15个矿井进行现场调研，发现在某些特殊条件下，现行突水系数评价方法存在局限性，奥灰顶界面距离煤系底板距离往往忽略底板扰动破坏深度致使安全系数偏大，这对薄隔水层底板煤层带压开采是不利的。以韩城桑树坪矿为例，该矿井煤层底板隔水层厚度最薄仅为6～7 m，而底板扰动破坏深度经实测为14～15 m，即:若在煤层底板隔水层厚度小于15 m的区段进行带压开采，将缺失“有效隔水层”阻挡底板水。若不采取有效防治水措施，底板水势必会沿煤层底板采动裂隙溃入采空区，造成突水灾害。

由以上分析可知，在底板隔水层厚度小于底板扰动破坏深度时，以往的突水系数评价方法将无法满足底板安全带压开采评价的需求。同样，在奥灰顶部注浆改造层段厚度计算时，利用突水系数公式求得的Mag需在加上底板扰动破坏深度(即保护层厚度)后方可用于Mog的计算。因此，奥灰顶部注浆改造层段优选准则中保护层厚度可确定为底板扰动破坏深度值，设为CP。即:Mov=Mag-Mmg-Mog+Mb,当Mb确定为底板扰动破坏深度值CP时，上式可转化为Mov=Mag-Mmg-Mog+CP。由此可见，底板扰动破坏深度值的确定对于奥灰顶部合理利用与注浆改造奥灰含水层具有重要的意义。

3 煤层底板破坏深度预测方法

3.1 常用底板破坏深度预测模型及存在的问题

3.1.1 常用底板破坏深度预测模型

常用的计算工作面底板破坏深度的公式主要是《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中提供的3种统计计算公式[16-17]:

h1=0.700 7+0.107 9L

(1)

h1=0.303L0.8

(2)

h1=0.008 5D+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9

(3)

式中，h1为《规范》中的底板扰动破坏深度，m; D为工作面采深，m;L为工作面采宽，m;α为工作面倾角，(°)。

3.1.2 存在的问题

上述3个公式，均来源于全国承压开采型矿井底板实测数据的统计，对于韩城矿区下组煤开采并非适用，因此需要探寻适合韩城矿区的具有代表性的底板扰动破坏深度新的拟合公式，且《规范》中给出的经验公式均未考虑采高对底板破坏深度的影响。另外，《规范》中的经验公式虽然依据实测结果统计得出，但大多数煤层埋深为200～300 m的浅部矿井，底板破坏深度受采高影响较小，相比浅部条件，在深部开采下底板破坏和变形的程度受到采高的影响更为显著，其破坏深度变化的幅度也更大。这是由于随着矿井向深部延伸开采，在埋深较大情况时，岩体受力状态发生改变，底板会因采空区周围的支撑压力变化而发生变形和破坏[18]。若不考虑采高对底板扰动破坏深度的影响，极有可能使实际破坏深度值与预测深度值处在较大误差，这情况对矿井底板水患防治不利。因此急需一种综合考虑工作面采高、采宽及采深等综合因素的煤层底板扰动破坏深度预测公式，以获取更加准确的预测结果。

3.2 底板破坏深度主要影响因素分析

为了进一步研究采煤对底板破坏深度的主要影响因素，以桑树坪煤矿3105工作面为研究对象，根据已有的研究成果及目前存在的问题，通过模拟不同采深、采宽和采高情况下底板破坏深度，分析不同采深、采宽和采高对底板破坏深度的影响规律。

3.2.1 底板破坏深度数值模拟方案

模型建立主要参照桑树坪煤矿3105工作面11煤开采实际柱状，分析影响底板破坏深度主要因素，并研究各个因素对底板破坏情况的影响作用，根据其影响作用的大小情况进行取舍，将实际情况简化成合理的数值模型。采用FLAC3D数值模拟软件对建立的底板破坏深度数值模型进行模拟计算[19]。

结合桑树坪煤矿11号煤层厚度变化情况，分别取煤层厚度(采高)为2.0,3.0,4.0 m情况下的不同工作面采深及采宽情况下，煤层底板岩层塑性破坏区最大深度。计算过程中，组合次数较多[20-21]，优化选取具有典型特征的模拟结果。本次计算进行应力场数值模拟的参数见表1,2，数值模拟使用的煤岩物理力学参数是通过现场钻孔取样并经过实验室测试得到，地质模型图如图2所示。

在本次FLAC3D数值模型中，建立地质模型，赋予各单元参数后，需要求得各节点、单元的平衡，只有在地质模型平衡后，才能进行开挖计算。一般的应力平衡主要观察垂直方向的应力，如图3所示，图3以煤层厚度4 m为例。模型模拟开挖总长度设置为X方向上的200 m，步距设置为10 m进行开挖，直到满足设定目标。模型经计算平衡后，可以得到底板岩体扰动的破坏深度。

表1 模型地层
Table 1 Stratum of model

表2 主要地层力学参数
Table 2 Main stratum mechanical parameters

本次研究以韩城桑树坪矿的地质及开采条件为基础，分别建立了考虑不同采宽、采深及采高的多组数值模型，详见表3，对底板岩层扰动破坏深度受采宽、采深及采高的影响规律开展了系统性研究。计算方案中设定的参数:① 采宽,分为120,150,180,200 m四组;② 采深,分为300,400,500,600,700 m五组;③ 采高,分为2,3,4 m三组(限定采深400 m、采宽180 m)。

3.2.2 底板扰动破坏深度的影响因素

(1)采 宽

对底板岩体扰动破坏深度受采宽的影响作用，即塑性区变化范围进行研究，分别建立采高限定为3 m、采深限定为400 m，采宽分别为120,150,180和200 m条件下数值模型，底板扰动破坏深度以塑性区形式体现。

图4为工作面采宽L分别为120,150,180和200 m条件下沿工作面倾向剖面的塑性破坏区分布规律。图5为结合采宽模拟试验方案得出底板破坏深度随工作面采宽变化的模拟计算值和增大幅度。由图4,5可知，当工作面采深为400 m、采高为3 m的情况下，底板扰动破坏深度(即底板塑性区最大深度)随工作面采宽呈非线性增长，即工作面开采宽度越大，其底板扰动破坏深度亦随之增加，当工作面采宽在120～180 m时，底板破坏深度随采宽增加呈线性变化趋势;当工作面采宽加到200 m时，底板破坏深度较之前增长速度有所降低，但是底板岩层破坏范围和程度都较120～180 m区间有较明显的变化，特别是底板岩层塑性区在垂直方向上并未出现较明显的增加，但在水平方向上其破坏范围有所增大。

表3 模型方案
Table 3 Model schemes

(2)采 高

针对不同工作面采高对底板岩体扰动破坏深度的影响，即塑性区变化范围，分别建立了采深限定为400 m、采宽限定为180 m，采高分别为2,3和4 m条件下数值模型，底板扰动破坏深度以塑性区形式体现。

图6为工作面采高分别为2,3和4 m时沿工作面倾向剖面的塑性破坏区分布规律。图7为结合采高模拟试验方案得出底板破坏深度随工作面采高变化的模拟计算值和增大幅度。

由图6,7可知，当工作面采深D=400 m、采宽L=180 m不变情况下，底板扰动破坏深度(即底板塑性区最大深度)随着工作面采高变化呈非线性变化趋势，随着采高不断增大、底板扰动破坏深度亦越大，采高由2 m增高至3 m时，破坏深度h仅增大了0.1 m，而采高继续增大至4 m时，底板扰动破坏深度却仅增加了0.2 m，曲线呈向上增大的趋势。但总体来看，采宽L=180 m时，采高对底板扰动破坏深度影响不大，变化幅度不超过50 cm。这说明，当采煤宽度保持在180 m不变时，增大采煤高度对底板扰动破坏深度的影响较小。

(3)采 深

分析不同埋深(采深)对底板岩体扰动破坏深度的影响，即塑性区变化范围，将采高限定为3 m，采宽限定为180 m，分别建立采深D=300,400,500,600,700 m条件下数值模型，底板扰动破坏深度以塑性区形式体现。

图8为煤层采深分别取作300,400,500,600时沿工作面倾向剖面的塑性破坏区分布规律。图9为根据采深模拟试验方案得出的底板破坏深度随工作面采深变化的模拟计算值和增大幅度。

由图8可以看出，当工作面采宽L=180 m、采高H=3 m不变情况下，底板扰动破坏深度(即底板塑性区最大深度)随着工作面采深具有线性变化特征，即煤层埋深越深、煤层顶板受覆岩压力影响越大、底板扰动破坏深度也随之增大。如当采深为300 m时，底板破坏深度仅为12.5 m，而当采深增加至700 m时，底板破坏深度竟达到了18.1 m，增加幅度较大，达到了采深300 m时破坏深度的1.448倍，相比采高和采宽对底板扰动破坏深度的影响更大。

总体而言，工作面埋深对其底板扰动破坏深度影响较显著，即煤层埋深每增加100 m左右，底板破坏深度平均增加1.4 m，由此可见，煤层埋深是影响底板破坏深度的重要因素之一。

综上所述，在底板破坏深度的影响因素中，采深相比采高和采宽对其底板扰动破坏深度的影响更大;采宽对底板破坏深度的影响，具有一定的尺度限制，当采宽达到一定范围后，底板破坏深度增加量较少;相对于采深和采宽，采高对底板破坏深度的影响相对较弱。

3.3 底板破坏深度新预测模型

结合《规范》中现场实测数据和本次数值模拟结果，选取采深、采宽和采高作为底板破坏深度的主要影响因素，采用统计学方法，得出相应的底板破坏深度预测公式。

3.3.1 构建底板破坏深度新预测模型

研究基于收集到的底板破坏深度实测资料(《规范》)，并结合本次数值计算算例，拟合得出底板破坏深度的新的预测公式，详见表4。

利用Matlab对实测数据和本次模拟结果进行回归分析，具体计算程序包括:读取表4中的D,H，L数据、回归拟合、输出数据系数、结果绘图，对所得结果进行相对误差比较，最终给出拟合参数值。

采用Matlab构建的新预测模型拟合方程为

h=0.013 8D+4.08ln(L/35)+0.153H+1.279

(4)

3.3.2 新预测模型的验算与对比分析

研究中得出的底板破坏深度回归拟合方程式(式(4))中包含了工作面采高、采深、采宽的三大影响因素。然而，在实际应用过程中新的拟合方程是否可行，下面将通过渭北澄合矿区、韩城矿区及全国其他矿区的近水平煤层(倾角<15°)工作面底板破坏深度现场实测数据进行预测模型的验算与对比分析[9]。为了取得更好地对比效果，选取《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的经验拟合公式参与对比计算分析，见表5,6。底板破坏深度实测值与拟合值(经验值)对比结果如图10所示。

表4 现场实测数据和数值计算结果对比
Table 4 Comparison results of field measured datas and numerical calculation

表5 底板破坏深度实测值与拟合值对比分析
Table 5 Comparison results of field measured floor damage depth datas and numerical calculation datas

表6 底板破坏深度现场实测值与拟合值结果误差对比
Table 6 Comparison errors of field measured floor damage depth datas and numerical calculation datas

通过表5,6和图10可以看出，新预测模型所得非线性回归拟合方程式(式(4))计算所得底板破坏深度误差的误差均值、误差百分比、误差方差、误差均方差是这些差值数据中最小的，这说明本课题由数值模拟回归拟合方程计算结果相比《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中给出的3种底板破坏深度预测公式更接近现场实测值，准确性高于《规程》给出的预测值。

3.3.3 新预测模型适用性分析

表7给出了不同矿区工作面底板破坏深度现场实测值与拟合值结果比较;底板破坏深度拟合值(经验值)与实测值相对误差比较分析如图11所示。

表7 底板破坏深度拟合值与实测值相对误差对比
Table 7 Comparison relative errors of field measured floor damage depth datas and numerical calculation datas

由表7和图11结果比较分析可知，采用式(4)计算的煤层底板破坏深度的最大相对误差为24.4%，最小相对误差为0.8%，而采用“三下”《规程》中的实测经验公式中的最大相对误差分别高达71.1%,67.3%,48.1%，最小相对误差分别为5.0%,7.4%,2.70%。预测的精度均高于“三下”《规程》中的3个经验公式，这说明新预测模型拟合(式(4))得出的计算结果要比三下《规程》中的经验公式更加接近实测值、预测精度更高、误差更小，基本可以满足现场工程预测的需要。

4 结 论

(1)结合目前《规程》中关于突水系数对深部下组煤安全开采评价方法的不足，提出了奥灰顶部阻水段利用及奥灰岩层含水段注浆改造的依据，并在充分利用奥灰顶部风化充填阻水带的基础上，建立了奥灰顶部进行注浆改造的判断准则，分析了底板扰动破坏深度在判别准则中的重要性。

(2)探讨了《规程》中关于底板破坏深度统计公式存在的问题，即没有考虑适合韩城矿区下组煤开采的采高-采宽-采深多因素的综合影响。以该矿区桑树坪煤矿11号煤层作为研究对象，建立了多种方案组合的数值分析模型，模拟结果表明了底板破坏深度影响的主要因素依次为采深>采宽>采高，且双因素的拟合公式呈现出非线性变化规律，同时结合全国相似矿区的底板破破坏深度实测数据拟合得出了新的预测模型，该模型中充分考虑了采高、采宽和采深三因素的影响。

(3)选取全国具有代表性的9个矿区底板破坏深度实测值作为样本，选取新预测模型和《规程》中3种经验公式进行了对比分析，分别比较了拟合平均值、误差百分比、误差均值和误差均方差。结果表明，新预测模型精度均高于其他经验公式，在实际应用中其结果更加接近实测值。同时采用相对误差比较分析法对新预测模型的适用性进行深入研究后得出，新预测模型的预测精度高、误差小，在工程实测预测中可以满足要求。

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Judgement criteria with utilization and grouting reconstruction of top Ordovician limestone and floor damage depth in North China coal field

DONG Shuning1,2,WANG Hao1,2,ZHANG Wenzhong1,2

(1.Hydrogeology Research Institute,Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp.,Xi’an 710054,China; 2.Shaanxi Province Key Laboratory of Coal Mine Water Disaster Prevention and Control Technology,Xi’an 710077,China)

Abstract:As the mining depth of North China coal field increases year by year,most of the mines have been faced with the stage of coal mining from the upper coal group to the deep and lower coal groups.The threat of karst water disaster in the Ordovician limestone is on the rise,and the floor water inrush hazard increases year by year.However,although the floor water inrush coefficient method in the current code and regulation is widely used,it does not fully take into account the actual water blocking capacity of the Ordovician limestone top,and its evaluation method has some limitations.Therefore,based on the existing understanding of the geological and hydrogeological conditions on the top of Ordovician limestone,this paper puts forward the idea that the weathered backfill zone with good water resistance at the top of Ordovician limestone in some mining areas can be used as the aquifuge.The thickness of coal measure aquifuge,the thickness of weathered backfill zone,the thickness of grouting reconstruction section and the destruction depth of bottom plate disturbance are considered as the influencing factors of the discriminant of bottom plate water inrush coefficient,and the criteria for judging the thickness of the reconstruction of the strata section at the top of Ordovician limestone are established.The importance of the failure depth of the bottom plate in the discriminant criterion is discussed.And taking the mining of No.11 coal seam in Sangshuping Coal Mine of Hancheng Mining Area as a typical case,through the 17 sets of numerical simulation schemes constructed,it is analyzed and concluded that the depth of coal seam mining has the greatest influence on the destruction depth of bottom plate disturbance,the mining thickness is the smallest,and the mining width has size effect;at the same time,combining the simulated data with the measured samples of similar mining areas in China,the prediction model of the influence of mining depth,mining width and mining height is given,and the verification calculation and applicability analysis are carried out.The results show that the error mean value,the percentage,variance and mean square deviation of the new model fitting equation are superior to the statistical formula,and have the characteristics of high prediction accuracy,small error and wide applicability,which basically meets the practical needs of engineering.The research results can be used in the practical project of grouting in the water-bearing section of the Ordovician limestone top,and provide favorable technical guarantee for seat belt pressure mining of deep lower group coal.

Key words:North China coal field;top of Ordovician limestone;grouting reconstruction;floor damage depth;a new prediction model

董书宁，王皓，张文忠.华北型煤田奥灰顶部利用与改造判别准则及底板破坏深度[J].煤炭学报,2019,44(7):2216-2226.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.1107

DONG Shuning,WANG Hao,ZHANG Wenzhong.Judgement criteria with utilization and grouting reconstruction of top Ordovician limestone and floor damage depth in North China coal field[J].Journal of China Coal Society,2019,44(7):2216-2226.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.1107

中图分类号:TD74

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2019)07-2216-11

收稿日期:2018-08-17

修回日期:2019-02-15

责任编辑:韩晋平

基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804102)

作者简介:董书宁(1961—)，男，陕西蓝田人，研究员，博士。Tel:029-87862205，E-mail:dongshuning@cctegxian.com