王宜泰 孫 明

（1.山東公信安全評(píng)價(jià)有限公司，山東 棗莊 277100；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 引言

當(dāng)前我國(guó)眾多煤礦在井下開采過(guò)程中頂板面臨著因上覆采空區(qū)積水造成透水的威脅，底板不但面臨著承壓含水層的突水脅迫，同時(shí)回采（掘進(jìn)）煤層時(shí)煤壁還時(shí)常發(fā)生瓦斯涌出危險(xiǎn)。因此，當(dāng)前煤礦井下開采大致處于“頂威、底迫、中突”的狀態(tài)[1]。煤層底板巖體因?qū)永?、?jié)理和構(gòu)造的存在而表現(xiàn)出初始損傷特征，隨著開采環(huán)境的逐步惡化和水文地質(zhì)的不斷變化，底板突水的采動(dòng)危險(xiǎn)程度更加明顯，裂隙貫通使得涌水通道發(fā)育愈發(fā)容易，所以安全回采的技術(shù)體系與保障程度越發(fā)迫切?？傮w來(lái)說(shuō)，華北地區(qū)的煤礦充水水源以底板巖溶水和老空水為主，主要表現(xiàn)為突水發(fā)生頻繁且影響生產(chǎn)以致淹井，深組煤層下部受奧灰水嚴(yán)重威脅。

目前理論研究成果對(duì)不同類型的底板突水致災(zāi)機(jī)理和突水通道的形成過(guò)程進(jìn)行了闡述[2-4]，對(duì)識(shí)判、預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確程度的提高提供了理論依據(jù)。但是當(dāng)前的理論研究對(duì)實(shí)際開采環(huán)境以及水文地質(zhì)環(huán)境的差異研究不夠周全，特別是對(duì)內(nèi)蒙地區(qū)井工煤礦開采的防治水理論研究與實(shí)際應(yīng)用更為缺乏。目前的理論研究成果不能保證西部干旱地區(qū)礦井正常開采安全。因此，本文以內(nèi)蒙古地區(qū)天譽(yù)四礦9號(hào)煤層為例，針對(duì)西北干旱地區(qū)的承壓水開采現(xiàn)狀，對(duì)充填開采在防治底板承壓突水方面進(jìn)行了研究分析，為該地區(qū)煤礦的安全、綠色開采提供了理論支持及技術(shù)指導(dǎo)。

2 礦井采煤方法和水文地質(zhì)條件差異分析

2.1 現(xiàn)有采煤方法分析

天譽(yù)四礦的現(xiàn)有生產(chǎn)能力為1.20Mt/a，井田南北長(zhǎng)2.4km，東西寬2.05km，面積為4.0299km2，開采標(biāo)高為+1200m～ +600m。該礦擁有資源量51.87Mt。井田總體為一向南西傾斜的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀平緩，傾角為4～14°，平均傾角為8 °。該礦目前開采的9號(hào)煤層采用傾斜長(zhǎng)壁后退式采煤方法，一次采全高綜合機(jī)械化采煤工藝，全部冒落法管理頂板。

2.2 水文地質(zhì)條件差異分析

根據(jù)桌子山煤田水文地質(zhì)資料，在1989年，奧灰地下水的東部水位標(biāo)高為1229m，中部為1167m，西部為1142m，平均水位為1179m。奧灰地下水因常年大量開采，使桌子山南段巖溶水的流場(chǎng)、水位發(fā)生了明顯變化。在天然狀態(tài)下，巖溶水由東向西徑流運(yùn)動(dòng)，曾在拉僧廟以泉的形式排泄，七十年代泉流量118.48L/s，八十年代后期泉水逐漸干枯。

該井田的奧灰水水位標(biāo)高為+1070～1115m，水壓為1.4～4.2MPa，較七十年代已下降了50～100m以上。奧灰水力坡度約為15‰～17‰。徑流運(yùn)動(dòng)由南向北、自西向東。作為開采太原組煤間接或直接充水含水層的奧灰?guī)r構(gòu)成了石炭系地層的基底，正常地段富水性中等構(gòu)造破碎帶強(qiáng)。9號(hào)煤層底板標(biāo)高為+680～1020m，奧灰水水位高出其95～390m，是典型的帶壓開采煤層。

3 奧灰富水性能和底板分布規(guī)律研究

3.1 奧灰富水性能分析

從該礦地質(zhì)資料分析，井田奧灰含水層巖溶發(fā)育在橫向及縱向具有不均一性和離散特征。巖溶發(fā)育具有不連續(xù)性，裂隙溶洞均不在同一含水層段中，垂向上受斷裂構(gòu)造切割控制，其附近的巖石破碎且溶蝕作用強(qiáng)烈。從水質(zhì)化驗(yàn)成果分析，奧灰地下水徑流條件較差，流場(chǎng)交替緩慢使得不同離子含量較高。

該礦水文地質(zhì)鉆孔全部揭露奧灰含水層，揭露厚度為10.20～172.82m。該區(qū)為陸表海至局限盆地沉積，沉積環(huán)境導(dǎo)致灰?guī)r含泥、砂質(zhì)較大，大量伴隨灰?guī)r沉積，影響灰?guī)r巖溶發(fā)育，含水層富水性差異較大。奧灰含水層的滲透系數(shù)為0.225m/d～50.83m/d，屬于半透水～良透水性含水層。

3.2 底板隔水層厚度分布規(guī)律研究

根據(jù)該煤礦井田內(nèi)16個(gè)已經(jīng)揭露奧灰的鉆孔，描繪了9號(hào)煤層底板隔水層厚度等值線圖（如圖1所示）。

圖1 9號(hào)煤底板隔水層厚度等值線圖

從9號(hào)煤底板隔水層厚度等值線圖中可以看出，該礦目前開采的9號(hào)煤層與奧灰含水層的有效隔水層厚度從南向北有逐漸變薄的趨勢(shì)，位于東南部穹隆構(gòu)造處有效隔水層最大厚度大于40m，位于井田西部邊界中部的構(gòu)造盆地處的隔水層厚度不低于22m。井田整體為一向北西傾斜的單斜構(gòu)造，斷層構(gòu)造分布均勻，較為發(fā)育。由于井田內(nèi)落差大于30m的斷層共有7條，致使9號(hào)煤層有效隔水層厚度大大減小，因此在開采9號(hào)煤層時(shí)，奧灰含水層可能會(huì)因受采動(dòng)影響沿?cái)嗔褬?gòu)造涌入采動(dòng)空間，造成底板突水事故發(fā)生。

4 底板突水危險(xiǎn)性安全評(píng)價(jià)和突水等值線圖

4.1 底板突水危險(xiǎn)性安全評(píng)價(jià)

結(jié)合井田水文地質(zhì)特征并參照駱駝山煤礦突水案例，以突水系數(shù)法對(duì)煤層底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。表達(dá)式為：

T=

式中：

T—突水系數(shù)，MPa/m；

P—底板水壓，MPa；

M—底板隔水層厚度，m。

確定臨界突水系數(shù)Ts（即每米隔水層厚度所能承受的最大水壓）是采用突水系數(shù)評(píng)價(jià)底板穩(wěn)定性的關(guān)鍵。通過(guò)實(shí)際突水系數(shù)T與臨界突水系數(shù)Ts的比較，判斷底板突水可能性。由于目前沒(méi)有可以借鑒的臨界突水系數(shù)，本文依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，參照華北礦區(qū)實(shí)際資料，確定了該井田帶壓開采突水系數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具體如下：

（1）對(duì)于構(gòu)造破壞塊段：當(dāng)T＜0.06MPa/m時(shí)屬安全區(qū)，當(dāng)T≥0.06MPa/m時(shí)屬危險(xiǎn)區(qū)。

（2）對(duì)于正常開采塊段：當(dāng)T＜0.10MPa/m時(shí)屬安全區(qū)，當(dāng) T≥0.10MPa/m 時(shí)屬危險(xiǎn)區(qū)。

4.2 突水等值線圖

本文根據(jù)突水系數(shù)公式、隔水層厚度和奧灰水高程，繪制了該礦9號(hào)煤層底板突水系數(shù)T等值線圖（如圖2所示）。

圖2 9號(hào)煤層底板突水系數(shù)T等值線圖

由上圖可以看出，該礦目前開采的9號(hào)煤層除東南部分塊段外，大部分底板突水系數(shù)T大于突水系數(shù)臨界值Ts0.06MPa/m，平均突水系數(shù)在0.04～0.116MPa/m之間。

根據(jù)井田內(nèi)斷層構(gòu)造比較發(fā)育且分布離散的特點(diǎn)，確定了如下的劃分標(biāo)準(zhǔn)：

（1）構(gòu)造危險(xiǎn)區(qū)：突水系數(shù)介于0.06～0.1MPa/m之間的區(qū)域；

（2）危險(xiǎn)區(qū)：突水系數(shù)大于0.1MPa/m的區(qū)域；

（3）安全區(qū)：突水系數(shù)小于0.06MPa/m的區(qū)域。

根據(jù)上述判定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合圖2可知，該礦構(gòu)造危險(xiǎn)區(qū)位于中間塊段，危險(xiǎn)區(qū)位于西北塊段，安全區(qū)位于東南塊段。受采動(dòng)影響的斷層容易形成底板涌水通道從而威脅井下開采的整體安全，這與當(dāng)前的研究結(jié)果相符合[5]。

5 矸石充填開采技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

5.1 矸石充填開采可行性分析

山東省濟(jì)南埠村礦采用高水充填開采技術(shù)解決了承壓水上開采的問(wèn)題，該技術(shù)具有方便輸送、便于成型、容易接頂?shù)奶攸c(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了承壓水上安全無(wú)污染的綠色開采。因此充填開采可以有效控制底板破壞程度?；谀壳俺涮铋_采方面的研究結(jié)果和工程實(shí)踐，認(rèn)為該礦采用充填開采技術(shù)和理論上是可行的。

另一方面，該礦充填材料的選擇能夠因地制宜，就地取材。研究確定了以煤矸石為充填體骨料，以普通水泥為膠結(jié)料，以適量的水為攪拌材料并輔以適量的粉煤灰與外加劑為充填料的采空區(qū)充填體。其中，煤矸石是充填開采中用量最大的材料，在充填體中起著骨架作用。這種原材料可以在保證充填體強(qiáng)度的情況下，大幅降低充填成本，充分解決矸石的排放、處理及污染問(wèn)題，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念和綠色科學(xué)的發(fā)展內(nèi)涵。

5.2 矸石充填開采應(yīng)用

該礦設(shè)計(jì)充填工作面布置如圖3所示。

圖3 充填工作面布置圖

該礦采用矸石充填以來(lái)，節(jié)省了巷道掘進(jìn)費(fèi)用和采煤工作面搬家費(fèi)用，減少了礦井排水處理工作量和費(fèi)用，降低了征地及塌陷補(bǔ)償費(fèi)用，僅在掘進(jìn)費(fèi)用和工作面搬家兩方面節(jié)省噸煤開采成本6.5元/t。最為重要的是確保了采掘工作面的安全開采，減少了對(duì)工作面底板的破壞，有效地預(yù)防了底板突水事故的發(fā)生。

6 結(jié)論

（1）該煤礦9號(hào)煤層有效隔水層厚度分布呈由南至北逐漸變薄趨勢(shì)。井田內(nèi)落差大于30m的7條斷層的存在使得奧灰含水層可能因采動(dòng)沿?cái)嗔褬?gòu)造突入采動(dòng)空間。

（2）9號(hào)煤層底板突水系數(shù)值0.04～0.116MPa/m之間，東南塊段為安全區(qū)，西北塊段為危險(xiǎn)區(qū)，中間大部分為構(gòu)造危險(xiǎn)區(qū)。

（3）通過(guò)矸石充填開采減少了對(duì)底板的破壞，有效預(yù)防了底板突水可能性，大大節(jié)省了開采成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。