豆淵濤

（山西保利平山煤業(yè)股份有限公司，山西 晉城 048205）

底板承壓水是影響煤礦工作面安全開采的重要因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),許多煤礦受承壓水影響，導(dǎo)致棄采煤層。為有效地提高煤炭資源采出率，采用工作面帶壓開采可以解決這一問(wèn)題。但在實(shí)施帶壓開采前，需要對(duì)煤層地質(zhì)條件及底板隔水層厚度進(jìn)行分析，確保帶壓開采的可行性［1-2］。

許多研究者對(duì)帶壓開采的可行性評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究，白俊凱［3］針對(duì)屯蘭礦8 號(hào)煤層采用突水系數(shù)法對(duì)開采可行性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并制定了相應(yīng)措施；馬麗華［4］針對(duì)東龐礦6 號(hào)煤層的涌水量進(jìn)行了計(jì)算，分析了其上部及下部采空區(qū)積水的影響，得到6 號(hào)煤層可以安全開采。對(duì)工作面帶壓開采的安全評(píng)價(jià)成為煤礦工作面安全開采及防治水工作重點(diǎn)之一。

1 工程概況

平山煤礦井田位于山西晉城沁水縣，井田基本為一北寬南窄的直角梯形，南北長(zhǎng)約2 700 m，東西寬1 250～2 100 m，面積4.397 2 km2。本礦主要開采3 號(hào)煤層，采用走向長(zhǎng)壁采煤法，一次采全高綜采工藝，全部垮落法管理頂板，中央并列式通風(fēng)方式。3 號(hào)煤層賦存于山西組下部，井田內(nèi)煤層穩(wěn)定，全區(qū)可采，煤厚3.70～6.30 m，平均5.22 m，簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)；自北向南、自東向西厚度變小。煤層頂板為泥巖或粉砂巖，厚2.40～12.23 m，平均厚6.93 m；底板為泥巖或粉砂巖，厚0.40～9.32 m，平均厚4.20 m，變化無(wú)規(guī)律。煤層上距K8砂巖30.25～51.38 m，平均間距35.97 m；下距K7砂巖0.67～14.21 m，平均間距5.90 m；下距9 號(hào)煤層43.92～51.27 m，平均間距48.26 m； 下距15 號(hào)煤層81.52～103.19 m，平均間距90.37 m。

井田內(nèi)3 號(hào)煤層底板標(biāo)高在+270～+440 m，而其下部奧灰?guī)r溶水水位標(biāo)高+509～+518 m，3 號(hào)煤層均處于奧灰?guī)簠^(qū)域。奧灰水水頭高、富水性強(qiáng)，區(qū)內(nèi)斷層陷落柱為奧灰水進(jìn)入礦坑的潛在通道，隨著開采水平的延深，帶壓開采的危險(xiǎn)性增大。為了保證本礦3 號(hào)煤層帶壓開采的安全，需對(duì)3 號(hào)煤層奧灰?guī)r溶水帶壓開采進(jìn)行評(píng)價(jià)。

井田內(nèi)基巖裸露，出露二疊系上統(tǒng)上石盒子組上段（P2s3）和石千峰組（P2sh）地層，山梁各部位零星分布第四系中更新統(tǒng)（Q2）洪、坡積堆積物，深部賦存二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）、下統(tǒng)下石盒子組（P1x）和山西組（P1s）,石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）、中統(tǒng)本溪組（C2b）地層，基底為奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）及以下地層。

2 帶壓開采突水因素分析

2.1 斷裂及破碎帶

據(jù)平山井田三維地震及電法勘探報(bào)告，共解釋斷層20 條，巷道揭露2 條斷層，其中3 號(hào)煤層落差≥5 m的斷層4 條，落差＜5 m的斷層18 條，均為正斷層。各斷層落差相對(duì)較小，一般斷距在10 m以下。斷層可能成為導(dǎo)通底部奧灰水和其他含水層的主要因素之一。

2.2 巖溶陷落柱

據(jù)三維地震勘探報(bào)告，查明井田內(nèi)長(zhǎng)軸大于25 m的陷落柱異常10 個(gè)，其中控制可靠陷落柱5 個(gè)，控制較可靠陷落柱5 個(gè)。陷落柱能否引發(fā)突水事故較難判斷，因素較為復(fù)雜，平山煤礦巷道掘進(jìn)時(shí)揭露X1 陷落柱區(qū)域水量很小，沒(méi)有發(fā)生突水事故；但當(dāng)開采深度增加時(shí)，陷落柱與斷裂帶聯(lián)合作用時(shí)，引發(fā)突水事故不可忽視。

2.3 頂板采動(dòng)冒裂帶

工作面煤炭采出后，頂板巖層冒落，形成冒落帶和裂隙帶，可成為導(dǎo)水通道。平山煤礦開采3 號(hào)煤層平均采厚5.22 m，其冒落帶和采動(dòng)裂隙帶高度達(dá)55.69 m，導(dǎo)水裂隙帶溝通煤層頂板多個(gè)含水層，使得頂板砂巖裂隙水能進(jìn)入礦井，增大工作面涌水量。頂板砂巖水多以淋水形式進(jìn)入工作面，影響工作面生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)效率。

2.4 底板采動(dòng)破壞帶

根據(jù)平山礦相鄰的成莊礦開采煤層底板導(dǎo)水破壞帶深度一般在20 m左右，本井田內(nèi)3 號(hào)煤層下伏地層富水性弱，因此，底板采動(dòng)破壞帶不會(huì)成為其導(dǎo)水通道。而15 號(hào)煤層距奧灰頂面平均厚度僅8.58 m，其底板破壞帶深度已達(dá)奧灰峰峰組地層，峰峰組含水層的富水性是發(fā)生底板突水的內(nèi)在因素。據(jù)資料分析，井田內(nèi)峰峰組地層富水性弱，在無(wú)導(dǎo)水構(gòu)造時(shí)，其底板采動(dòng)破壞帶不會(huì)成為其導(dǎo)水通道。

3 帶壓開采安全性評(píng)價(jià)

3.1 煤層底板隔水巖柱特征

（1）隔水巖柱厚度及空間分布

隔水巖柱厚度是決定是否會(huì)發(fā)生底板突水事故的重要因素之一。判斷隔水巖柱厚度變化情況，井田內(nèi)鉆孔是最好的資料。平山煤礦井田共施工鉆孔6 個(gè)，其中一個(gè)為奧灰水井，勘探孔都穿過(guò)整個(gè)煤系地層進(jìn)入奧陶系灰?guī)r。據(jù)統(tǒng)計(jì)，3 號(hào)煤層底板至奧灰頂面隔水層厚度為：90～113.22 m，平均厚度100.42 m；其厚度變化情況見圖1。

圖1 3 號(hào)煤層底板隔水層等厚線

圖2 3 號(hào)煤層奧灰水帶壓開采分區(qū)

從圖1 可以看出，井田范圍內(nèi)3 號(hào)煤層隔水巖柱整體上中東部平4 孔附近最厚，為113.22 m，向四周逐漸變?。痪镂鞅苯亲畋〖s90 m，井田西南角最薄約96 m，井田內(nèi)鉆孔隔水巖柱平均厚度約100.42 m。

（2）隔水巖柱的巖性組合特征

3 號(hào)煤層底部與15 號(hào)煤層頂部相距91 m左右，3 號(hào)煤底板至奧陶系中統(tǒng)峰峰組O2f，頂面平均厚約100.42 m，巖層主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、煤層、灰?guī)r（K2、K3、K5、K6）和K7細(xì)粒砂巖組成。從巖性上分析，未來(lái)開采3 號(hào)煤以下隔水性能良好。

3 號(hào)煤層賦存于山西組，本組為濱海沼澤、瀉湖相沉積，其巖性為灰白色（層面多呈灰黑色）中、細(xì)粒砂巖、泥質(zhì)巖夾煤層。其中隔水性好的軟巖層占有較大比例，除軟巖層外是抗變形性好的硬質(zhì)巖層。從隔水性能角度講，軟巖層泥巖多的地段隔水性能好；從抗水角度講，硬質(zhì)巖層多的地段抗水性能強(qiáng)。因此，無(wú)論從厚度上還是巖性上，該隔水層均具有良好的隔水性能，具有相對(duì)較好的帶壓開采條件。但煤層采動(dòng)會(huì)使隔水層的有效厚度減小，距煤層底板一定深度范圍內(nèi)將失去隔水作用。

3.2 3號(hào)煤層底板奧灰突水系數(shù)計(jì)算

本次采用《煤礦防治水細(xì)則》突水系數(shù)計(jì)算公式：

T=P/M

式中：M為底板隔水層厚度，m；P為底板隔水層承受的壓力，MPa；T為突水系數(shù)，MPa/m。

根據(jù)奧灰?guī)r溶水等水位線圖內(nèi)插而得各鉆孔奧灰?guī)r溶含水層的水位標(biāo)高。其水位標(biāo)高減去相應(yīng)的奧陶系頂面標(biāo)高值作為底板隔水層承受的水壓力。

P=（H-h）×0.009 8

式中：H為奧灰?guī)r溶水位標(biāo)高，m；h為奧陶系頂面標(biāo)高，m。

根據(jù)公式計(jì)算出各鉆孔及部分控制點(diǎn)（煤層底板標(biāo)高最低點(diǎn)）3 號(hào)煤層奧灰突水系數(shù)，見表1。

表1 3 號(hào)煤層奧灰突水系數(shù)計(jì)算

3.3 3號(hào)煤層奧灰水帶壓開采分區(qū)

據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，以突水系數(shù)0.06 MPa/m、0.1 MPa/m作為帶壓開采分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。帶壓開采分區(qū)劃分如下：T＜0.06 MPa/m，可以視為相對(duì)安全區(qū)。上述計(jì)算結(jié)果對(duì)采區(qū)進(jìn)行安全性分布見圖2。

經(jīng)計(jì)算，3 號(hào)煤層最大突水系數(shù)為0.034 MPa，所有點(diǎn)突水系數(shù)均小于0.06 MPa，全礦井均處于奧灰水帶壓開采的相對(duì)安全區(qū)。隔水層平均厚度有100.42 m，在安全區(qū)域若無(wú)垂向?qū)當(dāng)嗔褬?gòu)造存在，則底板奧灰水對(duì)3 號(hào)煤層威脅很小，基本上不會(huì)發(fā)生奧灰水突入礦坑。但在生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)斷層、陷落柱及其導(dǎo)水性的探測(cè)工作，在查明其發(fā)育規(guī)模、位置的情況下，根據(jù)具體情況留設(shè)防水煤柱或注漿加固，以保障開采安全。

4 斷層防隔水煤（巖）柱的留設(shè)

據(jù)平山井田三維地震及電法勘探報(bào)告，共解釋斷層20 條。當(dāng)煤層處于含水層上方且斷層導(dǎo)水時(shí)，需考慮設(shè)置斷層防隔水煤柱，此時(shí)不但需要考慮底板隔水層能承受下部含水層的壓力，還需要考慮斷層水順著斷層方向上的力。根據(jù)地勘資料，煤層下方存在劉村正斷層，斷層傾角為65°，落差高度為2.4～4.3 m。

圖3 斷層防隔水煤(巖)柱留設(shè)

考慮底板隔水層受力情況，隔水煤柱留設(shè)的寬度應(yīng)滿足下式，且不小于20 m。

式中：α為斷層傾角，°；L為煤（巖）柱留設(shè)寬度，m。

式中：P為防水煤（巖）柱所承受的靜水壓力，MPa；10為保護(hù)帶厚度；Ts為臨界突水系數(shù)，MPa/m。

作用于煤柱的水頭壓力P 值井田內(nèi)最大為3.352 MPa，突水系數(shù)（T）取0.06 MPa/m，斷層傾角（α）取65°。分別采用水頭壓力平均值和最大值代入上式，計(jì)算煤（巖）柱留設(shè)寬度（L）為72.7 m。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)平山煤礦3 號(hào)煤層位于奧灰水位之下，可能存在突水事故的影響，采用理論計(jì)算結(jié)合工作面地質(zhì)條件，得到如下結(jié)論：

1）井田內(nèi)3 號(hào)煤層底板標(biāo)高在+270～+440 m，而奧灰水位標(biāo)高為+509～+518 m，全部處于奧灰水帶壓開采； 但3 號(hào)煤層最大突水系數(shù)為0.034 MPa，井田內(nèi)所有點(diǎn)突水系數(shù)均小于0.06 MPa。3 號(hào)煤層處于奧灰水帶壓開采的相對(duì)安全區(qū)；且3 號(hào)煤層以下隔水層平均厚度有100.42 m，煤層底板抗隔水條件較好，做好斷層、陷落柱及其導(dǎo)水性的探查、治理工作，可保證安全開采。

2）鑒于斷層可能成為導(dǎo)通底部奧灰水和其他含水層的主要因素之一，經(jīng)測(cè)算，計(jì)算得到斷層隔水煤柱留設(shè)寬度應(yīng)為72.7 m。