棋盤井煤礦16煤安全開采分區及防水煤柱留設

黃正將，楊 瑩，王 磊

(1．河南省第一地質勘察院，河南 南陽 473000;2．河南省地礦建設工程集團有限公司，河南 鄭州 450007)

在煤炭開采中，當煤層底板含水層的水位高于煤層的標高，稱之為承壓水上開采，也叫帶壓開采。在帶壓情況下，地下水有涌入開采工作面和巷道的危險性。隨著礦井向深部延伸，工作面底板含水層的水壓逐漸增大，突水的危險在不斷增大。隨著開采逐漸向深部發展，太行山以西絕大多數礦井已經轉入奧陶系巖溶承壓水面下［1］。有些礦井常因工作面底板破壞或工作面底板存在缺陷而導水(如斷層、陷落柱)，而石炭系本身的薄層灰巖，在一些區域是良好的含水層，并且距離煤層比奧陶系更近，一旦工作面底板破壞，也會出現突水事故［2］。據統計，80%的突水與斷層有關［3～5］。2010年3月1 日，神華駱駝山煤礦，也因掘進巷道近疑似陷落柱而發生特大突水，最大涌水量65 000 m3/h。

1 充實水源及通道

根據前期水文地質條件的分析，認為棋盤井煤礦16煤開采主要充水水源為底板奧陶系灰巖含水層組，其充水通道為井田內的斷層。

1．1 奧陶系灰巖含水層組

全組厚度117～472 m，井田內最大揭露厚度為125．33 m，巖性為青灰色，厚層狀生物碎屑灰巖，含動物化石。單位涌水量q=0．002 74 L/s·m，滲透系數K=0．011 4 m/d。地下水化學類型為SO42－－Ca2+·Mg2+型水。該含水層與上部的含煤地層石炭系上統太原組(C3t)之間有石炭系上統太原組下部(C2t1)隔水地層存在。因此，該含水層與上部直接充水含水層的水力聯系大多數地段較弱，僅在構造發育地段有可能具較密切的水力聯系，該含水層為井田的間接充水含水層。

1．2 斷層發育及分布

井田內共發現斷層83條，斷層走向以近東西向為主。按斷層性質分類：正斷層82條，逆斷層1條;按斷層可靠程度分類：可靠斷層41條;較可靠斷層33條，可靠性差斷層9條;按斷層落差分類：落差50～100 m的斷層3條，落差20～49 m的斷層2條，落差10～19 m的斷層13條，落差6～9 m的斷層4條，落差小于等于5 m的斷層61條。

2 帶壓開采安全分區

2．1 水位、隔水層厚度確定

根據井田內3個奧灰水源井單位涌水量為0．002 7 ～3．553 L/s·m，富水性弱 ～ 強，奧灰孔資料統計見表1。

表1 奧灰孔資料統計表

由表1表明：本區奧灰含水層的富水性極不均勻。奧灰至16煤的距離分別為58．75～38．57 m，平均45．52 m。16煤底板至奧灰頂界間巖性包括石英砂巖、泥巖、砂質泥巖、細砂巖。其中具泥巖、砂質泥巖等軟巖占了27%，硬巖占了73%，見表2。本文在計算時，為保守起見，取奧灰水位為1 160 m，結合鉆孔資料及隔水層等值線圖，見圖1。取礦隔水層最小厚度為38．57 m。

表2 16煤至奧灰頂部巖性組合表

圖1 隔水層厚度等值線圖

2．2 安全分區

對公式(1)、(2)進行轉換，得出臨界安全開采底板等高線計算公式(3)：

式中：

T—突水系數，m;

P—底板隔水層承受的水頭壓力，MPa;

M—底板隔水層厚度，MPa/m;

H1—奧灰水位標高，m;

H2—臨界安全開采底板標高，m。

式(3)中，P為作用于底板隔水層的水壓力，由奧灰水水位和隔水層底板標高確定，根據表1奧灰水位資料，取三者水位最大者1 160 m;M為隔水層厚度，取38．57 m。根據《煤礦防治水規定》附錄四，在正常塊段T臨界值為0．1 MPa/m，在底板受構造破壞塊段T臨界值為0．06 MPa/m，由此代入公式(3)得到相應臨界安全開采底板等高線，分別為812．87 m及967．15 m。因此，本文認為在 16煤812．87 m 底板等高線以下開采具有一定的危險性，在812．87 m以上，底板隔水層完整地段開采是安全的;在16煤底板等高線812．87～967．15 m間，在底板隔水層受構造破壞地帶開采具有一定的危險性;在967．15 m以上，在無集中導水通道情況下開采是安全的。

3 斷層防水煤柱留設

3．1 斷層導水特點分析

2008年，該礦曾在井下對F2斷層和FS15斷層進行了水文探查和注漿加固，F2斷層探查孔出水量20～30m3/h，FS15探查孔出水量5 ～6 m3/h，表明該礦的斷層具有導水性。

3．2 煤柱留設計算

根據《煤礦防治水規定》附錄三公式：

對斷層落差≥10 m斷層的防水煤柱進行了具體計算，見表3。最終煤柱尺寸以最大值為準;對小于10 m的斷層應在探明其導水性后再確定是否留設防水煤柱或注漿加固。

表3 斷層防水煤柱寬度留設表

4 結論

1)通過計算得出16煤開采臨界底板標高為812．87 m 及967．15 m。認為在16煤812．87 m 底板等高線以下開采具有一定的危險性，在812．87 m以上，底板隔水層完整地段開采是安全的;在16煤底板等高線812．87～967．15 m，在底板隔水層受構造破壞地帶開采具有一定的危險性;在967．15 m以上，在無集中導水通道情況下開采是安全的。

2)通過計算，對F2斷層和FS15斷層留設了煤柱，寬度分別為71 m、43 m，對小于10 m的斷層應在探明其導水性后，再確定是否留設防水煤柱或注漿加固。

［1］ 余秀寶，江文昌．我國煤礦安全事故原因系統分析與對策［J］．煤炭科學技術，2007，35(1)：104－108．

［2］ 王樹玉．煤礦五大災害事故分析和防治對策［M］．徐州：中國礦業大學出版社，2006：55－67．

［3］ 王永紅，沈 文．中國煤礦水害預防及治理［M］．北京：煤炭工業出版社，1996：147－164．

［4］ 趙鐵錘．華北地區奧灰水綜合防治技術［M］．北京：煤炭工業出版社，2006：5－10．

［5］ 鄭世書，孫亞軍．專門水文地質學［M］．中國礦業大學出版社，1999：98－168．