長平煤礦3＃煤層帶壓開采可行性評價

賈亦真，蔣存浩

（1.桂林理工大學地球科學學院，廣西 桂林 541004；2.中國地質(zhì)大學地球科學與資源學院，北京 100083）

長平煤礦位于沁水煤田高平礦區(qū)中西部，距山西省高平市西北約17km，井田面積為43.5km2，主采煤層為3＃、8＃、15＃煤層，現(xiàn)主要開采3＃煤層。井田內(nèi)3＃煤層大部分區(qū)段為帶壓開采，8＃、15＃煤層全部為帶壓開采。目前井區(qū)內(nèi)已揭露或探測出若干巖溶陷落柱，若這些構(gòu)造將各含水層溝通并導通深部奧灰水，將會嚴重威脅到礦井的安全生產(chǎn)，甚至產(chǎn)生災難性后果。國內(nèi)外學者對煤層帶壓開采技術(shù)已進行了大量的研究［1—8］，本文在研究各種帶壓開采先進技術(shù)的基礎上，結(jié)合長平煤礦礦區(qū)實際水文地質(zhì)條件和生產(chǎn)現(xiàn)狀，采用突水系數(shù)、底板隔水層厚度分析、地質(zhì)構(gòu)造研究等理論聯(lián)系實際的方法對長平煤礦3＃煤層帶壓開采進行了分區(qū)評價和研究，以預防該礦井突水危險，提高開采效率。

1 礦井地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)條件

長平煤礦礦井地層東部受晉獲褶斷帶影響，總體走向北北東，傾向北西西，傾角為5～12°，在傾向上發(fā)育次一級的向背斜及斷裂構(gòu)造；礦井西部受沁水盆地南緣東西向構(gòu)造影響變?yōu)闁|西向，局部受局部構(gòu)造應力作用變得彎曲。根據(jù)地表出露和井下揭露，在長平煤礦礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的中小型斷層較多，斷距多為5～10 m。此外，井田范圍內(nèi)陷落柱極為發(fā)育，依據(jù)生產(chǎn)揭露，其基本形態(tài)均呈圓至橢圓狀，長軸與短軸最大直徑分別為140m 和116m，其中有兩個陷落柱局部有出水現(xiàn)象，充水水源均為頂板砂巖裂隙水，最大水量為15～20m3／h，穩(wěn)定水量為3～4m3／h。

1.2 水文地質(zhì)條件

1.2.1 地表水體

礦井及附近主要地表河流為丹河，發(fā)源于礦井以北丹朱嶺西部后溝村西北，從礦井東部邊界處由北向南流過。丹河河水流量受季節(jié)性影響較大，旱季時水量較小，雨季時水量增大。

1.2.2 主要含水層

（1）中奧陶統(tǒng)峰峰組（O2f）石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。該含水層隱伏于煤系地層之下，未見出露，其埋藏深度為390～617m左右，由石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及白云巖等組成，為礦井內(nèi)主要含水層，含水層單位涌水量為0.000 7～0.016 3L／（s·m），滲透系數(shù)為0.010 3～0.293 6m／d，水位標高為640.73～693.97m，見圖1。

圖1 礦井水文地質(zhì)柱狀圖Fig.1 Hydrogeological histogram

（2）上石炭統(tǒng)太原組（C2t）巖溶裂隙含水層。該含水層由五層石灰?guī)r組成，水位標高為667～688 m，見圖1。

（3）下二疊統(tǒng)山西組（P1sh）及K8砂巖裂隙含水層。該含水層為碎屑巖裂隙含水層，水位標高為757.45m，見圖1。

（4）基巖風化帶裂隙含水層。該含水層的巖性因地而異，風化裂隙發(fā)育因巖性、構(gòu)造及地形控制而不同，一般發(fā)育深度在70 m 左右，水位標高為887.39～941.63m。

（5）松散層孔隙含水層。該含水層主要由具孔隙的亞黏土、砂、礫石等組成，區(qū)內(nèi)大面積出露，水位標高為887.39m。

1.2.3 主要隔水層

石炭系上統(tǒng)太原組（C2t）底部及下統(tǒng)本溪組鋁質(zhì)泥巖、二疊系砂巖含水層層間泥巖為本段主要隔水層，隔水性良好，能隔斷各含水層之間的水力聯(lián)系，起層間隔水作用，見圖1。

2 3＃煤層帶壓開采安全評價

2.1 突水系數(shù)

突水系數(shù)是衡量礦井突水可能性大小的一個數(shù)量指標。該指標在20世紀60年代由我國煤炭工業(yè)部組織的焦作會戰(zhàn)提出，并開始使用突水系數(shù)臨界值概念。突水系數(shù)臨界值主要是通過對大量突水資料統(tǒng)計獲得，并一直選用0.06 作為突水系數(shù)臨界值，以此確定煤層底板水壓的安全水頭值。在2009年12月1日起開始實施的《煤礦防治水規(guī)定》中確定的突水系數(shù)公式為［9］

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

本文結(jié)合我國一些突水資料豐富的礦區(qū)總結(jié)出的臨界突水系數(shù)值和《煤礦防治水規(guī)定》對突水系數(shù)臨界值的界定（底板受構(gòu)造破壞段突水系數(shù)值一般不大于0.06 MPa／m，正常塊段不大于0.10 MPa／m）［9］，并根據(jù)長平煤礦礦井實際水文地質(zhì)條件和華北型礦井突水系數(shù)的經(jīng)驗值，確定長平井田煤層底板最小突水系數(shù)的臨界值為0.06 MPa／m。

2.2 隔水層厚度

3＃煤層位于山西組下部，該煤層直接底板為平均厚約10m 的泥巖和砂質(zhì)泥巖。太原組為一套海陸交互相含煤地層，主要由深灰—灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、灰色砂巖和5層海相薄層石灰?guī)r及6～7層煤層組成，其中除K2、K3和K5薄層灰?guī)r為弱含水層外，其余均為隔水層，隔水層平均厚度約82m。

受采掘活動破壞和地質(zhì)構(gòu)造的影響而可能導通的含水層為3＃煤層頂板砂巖裂隙水和底板灰?guī)r承壓水，自下而上主要有奧陶系灰?guī)r和石炭系太原組K2、K3、K5及K6石灰?guī)r，見表1。

表1 各灰?guī)r含水層基本特征一覽表Table 1 Basic features of limestone aquifers

2.3 參數(shù)的選取

根據(jù)突水系數(shù)公式進行計算可知，3＃煤層底板K2、K3、K5和K6承壓含水層在深部都存在突水危險性（TS＞0.10 MPa／m），但是由于各含水層厚度小，富水性較弱，與下方的奧陶系灰?guī)r含水層無水力聯(lián)系，且在生產(chǎn)中揭露承壓含水層最大涌水量介于40～207m3／h，按《煤礦防治水規(guī)定》［9］屬于簡單的水文地質(zhì)類型，在可控制范圍之內(nèi)采取疏水降壓等防治水技術(shù)可以進行處理。

區(qū)內(nèi)奧陶系灰?guī)r含水層位于3＃煤層底板以下108.4～151.00m，平均值為121.6m，局部富水性強，靜水位標高為627m，按照公式（1），并根據(jù)鉆孔資料的相關(guān)數(shù)據(jù)，對底板奧陶系灰?guī)r含水層對3＃煤層的突水系數(shù)進行了計算，具體的計算結(jié)果和鉆孔分布見圖2。其中，參數(shù)底板隔水層承受的水頭壓力P 根據(jù)水位標高和3＃煤層底板標高確定；參數(shù)隔水層厚度M 根據(jù)鉆孔資料中3＃煤層底板標高和奧陶系灰?guī)r頂面標高確定。

2.4 帶壓開采分區(qū)

本文通過參考相關(guān)文獻資料和礦井經(jīng)驗數(shù)據(jù)［10—12］，并結(jié)合本礦井的水文地質(zhì)條件和生產(chǎn)實際現(xiàn)狀，將采取以下方案對3＃煤層進行帶壓開采分區(qū)：Ⅰ區(qū)不存在底板突水問題；Ⅱ區(qū)可能發(fā)生底板突水危險區(qū)域，應在加強礦井防治水工作的前提下進行帶壓開采；Ⅲ區(qū)發(fā)生底板突水危險較大，需對構(gòu)造異常區(qū)域進行深入的探測研究，并采取可靠的安全技術(shù)措施后才能進行帶壓開采；Ⅳ區(qū)是發(fā)生底板突水最危險的地段，底板突水是不可避免的，只有在采取疏水降壓把突水系數(shù)降低到0.10MPa／m 以下時才能實施帶壓開采，見表2。

表2 帶壓開采分區(qū)范圍和標準Table 2 Partition scope and standards for mining under water pressure

圖2 3＃煤層帶壓開采分區(qū)圖Fig.2 Region division of mining under water pressure in 3＃coal seam

現(xiàn)有國內(nèi)外的相關(guān)生產(chǎn)礦井研究中經(jīng)常采用地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度、突水系數(shù)、富水性等指標來劃分帶壓開采區(qū)域［12—20］。根據(jù)長平煤礦的實際地質(zhì)與水文地質(zhì)條件來分析，突水系數(shù)法為長平煤礦劃分帶壓開采區(qū)域最合理的方法，所以本文將根據(jù)突水系數(shù)計算結(jié)果對長平煤礦3＃煤層進行帶壓開采分區(qū)，即按照公式（1）對各鉆孔進行突水系數(shù)計算，計算出突水系數(shù)后按照上述分區(qū)方法依次歸類為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ區(qū)，見圖2。

從突水系數(shù)計算結(jié)果（見圖2）可以看出：在整個礦井范圍內(nèi)，3＃煤層底板奧灰水突水系數(shù)均小于0.06 MPa／m，總的變化趨勢是井田東北部突水系數(shù)較小，向中部、西北部逐漸變大，突水系數(shù)最大值為0.040 2 MPa／m，小于突水系數(shù)臨界值0.06 MPa／m。因此，可將長平煤礦3＃煤層分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)：①Ⅰ區(qū)為安全區(qū)，主要分布在2203、2602、2702、2803鉆孔東側(cè)，奧灰水位標高610～627 m 以東，為不帶壓，其開采基本上不受底板奧灰水的影響，在開采過程中主要受頂板砂巖裂隙水的影響，現(xiàn)已基本回采完畢；②Ⅱ區(qū)為相對安全區(qū)，主要分布在2203、2602、2702、2803鉆孔西側(cè)，奧灰水位標高610～627m 以西，為帶壓開采區(qū)域，但全區(qū)突水系數(shù)值均小于0.06 MPa／m，區(qū)內(nèi)有李家河正斷層，落差20～50m 的兩個中型陷落柱，都未導通底板高承壓奧灰水，雖與太灰薄層灰?guī)r含水層有水力聯(lián)系，但采取注漿加固或疏水降壓措施后可實現(xiàn)安全開采，此區(qū)域為礦井當前主采區(qū)；③Ⅲ區(qū)為相對危險區(qū)，主要分布在井田西南部，雖然該區(qū)突水系數(shù)值均小于0.06 MPa／m，但是區(qū)內(nèi)多發(fā)育大中型陷落柱，此區(qū)域為中長期規(guī)劃區(qū)，未對陷落柱做進一步的勘探工作，其規(guī)模和富水性不明，需在今后工作中做詳細的勘探研究，才能制定出相應的防治措施。

3 巷道底板及掘進工作面突水危險性評價

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》和有關(guān)資料［5—7，21］，當承壓含水層與開采煤層之間的隔水層能夠承受的水頭值大于實際水頭值時，開采后隔水層不容易被破壞，煤層底板水突然涌出的可能性小，可以進行帶壓開采，但應當制定安全措施。長平煤礦3＃煤層主要采用帶壓開采技術(shù)，在采取某些技術(shù)措施后，可實現(xiàn)安全采掘。但煤層底板突水危險性的準確預測預報是保障承壓水上安全開采煤層的關(guān)鍵，因此可結(jié)合長平煤礦實際水文地質(zhì)情況，根據(jù)區(qū)內(nèi)掘進巷道和回采工作面底板突水危險性評價，來預測評價在構(gòu)造發(fā)育異常區(qū)段采取相應的堵水加固措施后3＃煤層安全帶壓開采的可實現(xiàn)性。

目前掘進巷道和回采工作面底板突水危險性預測與評價主要采用突水系數(shù)法和斯列薩列夫公式［20—23］。

3.1 掘進巷道底板突水危險性評價

斯列薩列夫公式為

式中：t為底板隔水層臨界厚度（m）；L 為巷道底板寬度（m）；P 為底板隔水層承受的水頭壓力（簡稱水壓，MPa）；KP為底板巖石的平均抗拉強度（MPa）；r為底板巖石的視密度（MN／m3）。

參數(shù)的選取和計算如下：巷道底板寬度L 取5 m；水壓P，依據(jù)研究區(qū)域3＃煤層底板標高290～690m，K3、K5和K6水位標高為688m，K2水位標高為667m，奧陶系灰?guī)r水位標高采用研究區(qū)近期水位觀測結(jié)果627 m，換算成水壓P 分別為0～3.98MPa、0～3.77MPa和0～3.37MPa；依據(jù)煤層底板巖石物理力學性質(zhì)測試結(jié)果（礦方數(shù)據(jù)），巖石抗拉強度KP取平均值1.31 MPa；巖石視密度r按巖石組合，取平均 值2.76t／m3，即0.002 76 MN／m3；按照公式（2）以及確定的參數(shù)，取各含水層的最大和最小水壓分別計算煤層底板相對于各含水層的安全隔水層厚度，具體計算結(jié)果見表3。

表3 3＃煤層底板相對于各含水層的安全隔水層厚度計算結(jié)果Table 3 Calculation of the thickness of aquifuges under floors

根據(jù)表3計算結(jié)果，掘進巷道底板隔水層臨界厚度最大值為6.15m，3＃煤層底板與含水層最小距離為10.46m，該距離大于隔水層厚度臨界值，表明在無構(gòu)造破壞的正常地段，不會產(chǎn)生底板突水，構(gòu)不成對巷道充水影響，各含水層均為安全。此外，井田Ⅱ區(qū)內(nèi)大中型的斷層和陷落柱發(fā)育較少，且都未導通奧灰高承壓含水層，防治難度不大；Ⅲ區(qū)內(nèi)大中型陷落柱較發(fā)育，且無詳細資料，需進一步探測后才能制定相應的防治措施。

3.2 回采工作面底板突水危險性評價

《煤礦防治水規(guī)定》附錄五中回采工作面安全水壓值計算公式為［9］

式中：P 為安全水壓（MPa）；M 為底板隔水層厚度（m）；TS為臨界突水系數(shù)（MPa／m）。

參數(shù)的選取和計算如下：

臨界突水系數(shù)采用保守值0.06 MPa／m；K3、K5和K6水位標高為688m，K2水位標高為667m，奧陶系灰?guī)r含水層水位標高采用研究區(qū)近期水位觀測結(jié)果627m，換算成水壓P 分別為0～3.98MPa、0～3.77 MPa和0～3.37 MPa。

按照公式（3）以及確定的參數(shù)計算3＃煤層回采工作面底板各灰?guī)r含水層突水系數(shù)和安全水壓，其計算結(jié)果見表4。

表4 3＃煤層回采工作面底板各灰?guī)r含水層突水系數(shù)和安全水壓計算結(jié)果Table 4 Results of water inrush coefficients and safety water pressures of limestone aquifers under the working surface in 3＃coal seam

由表4可以看出：太原組上部K5、K6灰?guī)r水分別在447m 和585m 水位標高以下，突水系數(shù)和水壓值超出安全范圍，其他灰?guī)r含水層均在安全水壓值范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

本文以長平煤礦3＃煤層為研究對象，在深入分析長平煤礦地質(zhì)與水文地質(zhì)特征的基礎上，對長平煤礦3＃煤層進行了底板帶壓開采的分區(qū)，并通過理論分析和數(shù)據(jù)計算相結(jié)合的方法，采用突水系數(shù)法和斯列薩列夫公式對3＃煤層底板突水危險性進行了預測與評價，確定了底板高承壓水的影響范圍，為實現(xiàn)3＃煤層的安全帶壓開采提供了一定的依據(jù)和參考，并得出在采取綜合的預防治理措施后，實現(xiàn)3＃煤層的安全帶壓開采是可行的結(jié)論。

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