王行莊煤礦帶壓開采安全性研究

王瑞華 王宏宇

(1.河南省煤田地質局資源環境調查中心，河南 鄭州 450000；2.河南省煤炭地質勘察研究總院，河南 鄭州 450000)

0 前言

帶壓開采主要是針對底板存在較強承壓充水含水層的煤層。由于煤層與底板強巖溶承壓充水含水層之間往往沉積一定厚度的隔水巖體，故對于底板存在充水含水層的煤層，無需進行疏干開采，只要使煤層底板承壓充水含水層的水頭壓力疏降至安全開采高度，即可進行安全帶壓回采，以獲得更好的經濟效益。

1 礦井水文地質條件

1.1 含水層隔水層結構分析

王行莊煤礦含水層從上至下分為6 層。其中第四系礫石層孔隙潛水含水層(Ⅵ)，上、下石盒子組及上部砂巖孔隙、裂隙承壓水含水層(Ⅴ)及山西組（P1sh）二1 煤層頂板砂巖孔隙承壓水含水層組(Ⅳ)對二1 煤炭資源開采影響較小，從礦床水文地質角度來看，這三含水層組不作為重點研究對象。對二1 煤炭資源開采起主要影響的是奧陶系中統馬家溝組（O2m）灰巖巖溶裂隙承壓水含水層(Ⅰ)、太原組下段（C2tL1-4）灰巖巖溶裂隙承壓水含水層(Ⅱ)，太原組上段（C2tL7—8）灰巖巖溶裂隙承壓水含水層(Ⅲ)。其中III 含水層充水源目前基本疏干，正常開采情況下一般不會造成淹井事故。威脅二1 煤炭開采的主要因素是奧陶系中統馬家溝組（O2m）灰巖巖溶裂隙承壓水含水層(Ⅰ) 和太原組下段（C2tL1-4）灰巖巖溶裂隙承壓水含水層(Ⅱ)，與二1 煤層底板相距分別為65.50m 和57.62m。這兩個含水層該含水層巖溶發育，含水性強，聯通性好，是巨大的富水體，是威脅安全生產的主要含水層，必須采取措施防治。

1.2 構造特征

王行莊煤礦位于新密復向斜的東段的東南角內側。礦區內斷裂構造較發育。礦區構造是在次級褶曲—草場溝背斜的基礎上，發育有多條大小不等的正斷層。構造線方向以東西向、北西向為主，與區域不同的是北東向不明顯。受區域構造的影響與控制，東西向、北西向斷裂構造（歐陽寺正斷層、新莊正斷層）構成本礦區南北自然邊界。

1.3 充水因素分析

（1）二1 煤層頂板砂巖裂隙水，該含水層為二1 煤層的直接頂板，是礦床充水水源之一，但含水層富水性弱，（6001 孔q=0.004L/s·m，K=0.01564m/d），地下水徑流遲緩，補給條件較差。充水通道均系微細的孔隙和裂隙，故一般不會對礦井形成較大的充水。

（2）太原群下部C2tL1-4灰巖巖溶裂隙水，該含水層由L1-4灰巖組成，其中灰巖厚度14.37～29.46m，平均厚度20.05m，該含水層溶洞裂隙發育，富水性強，在巖層破碎帶或斷裂帶處將成為礦井間接充水水源。

（3）寒武～奧陶系灰巖巖溶水，礦區內普遍發育寒武-奧陶系灰巖含水層，該含水層巖溶發育，尤其是草場溝背斜軸部、斷裂帶、露頭區。雖然富水性不均勻，但含水性強，在巖層破碎帶或裂隙發育帶會成為礦井間接充水水源。

（4）鉆孔因素，王行莊煤礦范圍勘查中，1978年以前施工的有73個鉆孔封閉未達要求，同時有19 孔長觀孔及大3 孔未封閉。這些鉆孔垂向上使不同含水層之間發生水力聯系，增大礦井的涌水量，同時也存在著直接導通含水層進入礦井的隱患。

（5）地質構造，礦區采區斷裂構造較發育，二1 煤層頂、底板巖層中的構造裂隙是構成王行莊煤礦二1 煤開采突水的主要導水通道，在巷道掘進或工作面回采過程中遇到該類導水裂隙可能會造成礦井突水。

（6）采礦活動，當采礦工作面上部有含水層、導水斷裂、充水老空時，由于采礦的作用，可使煤層頂底板產生破壞，并降低強度或形成人工裂隙，造成突水事故，此外，連續采礦活動會不斷加劇對上覆地層及塌陷帶的破壞，增加了大氣降水滲人補給奧灰進而充入礦井的涌水量。

2 煤層帶壓開采的可行性

根據王行莊煤礦水文地質的特點，是煤系基底為奧陶系厚層灰巖巖溶含水層地應力高，水壓高，對開采威脅大。雖然賦藏高壓水，但若充分利用底板隔水層的防護作用，就可在不進行或很少進行疏水降壓的情況下實現帶壓開采。

2.1 采動對煤層頂、底板巖層的破壞

（1）頂板采動裂隙

冒裂帶發育高度計算公式：

式中：Hf——冒裂帶高度，m；M——開采煤層厚度，m。

王行莊礦主采二1 煤層，煤厚0-24.76m，平均厚度7.07m，本文中取平均值7.07m 計算，則

（2）底板巖體破壞深度計算

目前，王行莊礦主采二1 煤層，開采-300m 以淺。下面以二1 煤為例計算采場底板破壞深度，二1 煤厚0-24.76m，平均厚度7.07m，煤巖層傾角3～18°。在本文中計算時選取：煤層在-300m 采取傾斜分帶開采（11011 工作面、11071 工作面、11091 工作面）；工作面上方地表標高一般為+120m，礦區工作面選取值為：11011 工作面走向長度為650m，傾斜長度為150m；11071 工作面走向長度為960m，傾斜長度為150m。11091 工作面還在布置中。工作面采深為420m。由于當工作面傾斜長度大于70m，其它條件不變時，工作面幾乎不影響突水強度。下面選取11071 工作面為計算參數。二1 煤層下伏太原組下段灰巖含水層和奧陶系灰巖含水層，與煤層底板相距分別為57.62m 和65.50m。

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》附錄六中計算底板采動最大破壞深度公式為：

式中：h1——底板采動破壞帶深度，m；

H——開采深度，m；

L——壁式工作面斜長，取150m；

a——煤層傾角，取10°。

則有：在-300m 水平

h1=0.0085×420+0.165×10+0.1079×150-4.3579=17.05m

（3）底板導升高度（h3）的確定

底板導升高度指含水層中的承壓水沿隔水底板中的裂隙或斷裂破碎帶上升的高度。王行莊礦奧陶系灰巖上覆有厚約10m 的鋁土巖。該巖層裂隙很少，不利于原始導高帶的發育。據井田內揭露奧灰的鉆孔統計資料，在地層完整地段，鉆進至奧灰頂面左右時，鉆孔水位、水量基本未發生變化，說明正常區原始導高帶基木不存在或局部存在，但一般小于5m，只有極少數地段大于10m，因此，本文在計算過程中將正常區底板導升高度定為5m，生產中按物探、鉆探結果參與分析計算進行修正，特別是在構造發育影響區應作為探查重點。

2.2 底板突水極限壓力計算

（1）正常開采時底板突水極限壓力理論分析

在承壓水體上煤層正常開采過程中，從煤層底板到底部承壓含水層頂板之間可以劃分為“三帶”，即底板采動裂隙帶h1、完整有效隔水層保護帶h2及承壓水導升裂隙帶h3。如圖1a 所示，在采動裂隙帶中，巖層主要受礦山壓力的影響而產生破壞裂隙；在完整有效隔水層帶，其受到的礦山壓力的影響程度明顯減弱，沒有產生破壞裂隙；承壓水導升裂隙帶主要受承壓水的作用，水壓楔入巖體孔隙造成承壓水導升。由于采動裂隙帶及導升帶不能起到完全阻隔承壓水的作用。因此，底板是否發生突水，主要取決于有效隔水層帶的厚度及其承載能力，所以下面將對底板有效隔水層帶能夠承載的突水極限壓力進行計算。

在正常開采條件下，當長壁式工作面煤層為近水平或緩傾斜賦存時，可以假設底板有效隔水層帶為四邊固支的矩形平板。板的上部受采動裂隙帶的重力作用γh1，下部受均布水壓力P 作用。有效隔水層帶的體力為γh2，可以將其等效為板面上的面力，如圖1b 所示。

由于底板有效隔水層帶未受到采動影響破壞，所以可將其看成連續、各向同性的均質介質，符合彈性力學假設條件。下面將底板有效隔水層帶視為薄板，對其所能承載的突水極限壓力進行分析可獲得其彈性理論解。

圖1 底板隔水層力學模型

對于長Lx、寬Ly，四邊固支受均勻載荷q=p-λh 作用的矩形薄板，可以采用Ritz 法求解。假設板中面的撓曲函數為：

式中，m=n=1、3、5∧

上式能夠滿足固支板的邊界條件，對其簡化并根據H·Tresca 屈服準則整理，得到底板有效隔水層帶所能承載的突水極限壓力為：

式中：τ0——底板巖石的平均抗剪強度；

h2——底板有效隔水層帶厚度；

H——底板采動裂隙帶、有效隔水層帶及承壓水導高帶厚度之和；

γ、ν——底板巖石容重與泊松比；

Lx、Ly——所研究區域的長和寬。

（2）王行莊煤礦正常開采工作面底板突水極限壓力計算

現以二1 煤帶壓開采為例計算正常開采工作面底板突水極限壓力，由公式（4）可知，可計算正常開采階段底板有效隔水層帶所能承載的突水極限壓力P。

所需參數為：底板巖石的平均抗剪強度：τ0=6MPa；底板巖石容重：γ=2600kg/m3，泊松比：ν=0.3；

研究區域的長和寬分別為Lx，Ly；本文選取10071 工作面計算：Lx=960m，Ly=150m。

對于-300m 工作面，有效隔水層厚度h2=H-h1-h3，則

表1 二1 煤層有效隔水層厚度一覽表

根據以上計算可以得到二1 煤正常開采階段底板對L1-4有效隔水層帶所能承載的突水極限壓力：

同理，可以計算出二1 煤正常開采階段底板對奧灰有效隔水層帶所能承載的突水極限壓力為4.15MPa。

由上述計算可知二1 煤正常開采階段底板有效隔水層所能承載的突水極限壓力大于目前觀測到的最大水頭壓力（2.8MPa）。可以進行帶壓開采。

（3）斷裂構造帶安全性分析

對斷裂構造帶的阻水能力要具體分析，可分以下兩種情況討論:

a）充水、導水斷層:它既為水源，又是通道。必須留設足夠的煤柱。

b）不導水斷層:一般充填物較軟，強度低，斷裂帶附近地應力值也低，因此其阻水能力也大大降低。據室內相似材料模擬證實，斷層處的應力及軟弱充填物的強度降低到最小值的1/2 左右，因此斷裂帶的阻水系數Z；以奧灰含水層為例，可取

以穿過煤層的斷層為例，若斷層傾角60°，斷裂帶的導水破壞帶深度為25m，導高為5m 時，則有效隔水層帶的長度為55.5m。斷裂帶的阻水系數:

其阻水能力為1.66 MPa，小于目前觀測到的最大水壓pw(2.8MPa)，故有突水可能。

2.3 底板突水分析

這里采用突水系數法。就整個華北型煤田而言，關于底板奧灰突水可能性分區問題，可以考慮以下方案：

I 區：奧灰承壓水面以上的地區，不存在底板奧灰突水問題；

II 區：奧灰承壓水面以下，但突水系數Ts＜0.06，為可能發生底板突水危險地區，應在加強礦井防治水工作的情況下進行帶壓開采；

Ш 區：突水系數Ts介于0.06～0.15 的地區，發生底板突水危險較大，僅在構造簡單的地段采取可靠安全技術措施后才可能進行帶壓開采；

IV 區：突水系數Ts＞0.15 的地區，是發生底板突水最危險地段，底板突水是不可避免的。只有在采取疏水降壓把突水系數Ts減小到0.15 以下，才能實施帶壓開采或進行注漿加固。

結合上述計算的h1，h3數值，可以計算出二1 煤層三個開采工作面的極限突水系數。

表2 二1 煤層工作面底板極限突水系數一覽表

結果顯示，該井田內臨界突水系數均超過0.06，而小于0.15，位于III 區，可以進行“帶壓開采”，在底板隔水層完整地段進行采煤生產是安全的；但若揭露嚴重破壞底板隔水層完整性的斷裂構造，就仍可能誘發突水事故發生。

3 結語

根據王行莊礦的實際資料，對二1 煤層開采受到的灰巖水威脅的水患類型及特征進行了分析，認為在二1 煤層底板完整區段，水壓不可能壓裂巖層，有效隔水層能有效阻抗灰巖水壓。在突水系數大于0.06MPa/m 的底板破裂區，建議留設防水煤柱，暫不開采。對于突水系數小于0.1MPa/m 的煤層底板正常區段，根據已有的防治水經驗，在采用綜合探查手段查明底板完整的情況下，可以實施安全開采。對于突水系數大于0.10MPa/m，但小于0.15MPa/m，在采取綜合手段查明底板完整后，實施先探后掘，先探后采或實施局部疏水降壓等技術手段，將采區突水系數降至0.10MPa/m 以下，且在回采階段嚴密監測底板以及奧灰水壓。對突水系數大于0.15MPa/m 的區段，暫不開采。

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