西北地區煤礦充填開采防治底板突水的可行性研究

王宜泰 孫 明

（1.山東公信安全評價有限公司，山東 棗莊 277100；2.內蒙古科技大學礦業與煤炭學院，內蒙古 包頭 014010）

1 引言

當前我國眾多煤礦在井下開采過程中頂板面臨著因上覆采空區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，同時回采（掘進）煤層時煤壁還時常發生瓦斯涌出危險。因此，當前煤礦井下開采大致處于“頂威、底迫、中突”的狀態[1]。煤層底板巖體因層理、節理和構造的存在而表現出初始損傷特征，隨著開采環境的逐步惡化和水文地質的不斷變化，底板突水的采動危險程度更加明顯，裂隙貫通使得涌水通道發育愈發容易，所以安全回采的技術體系與保障程度越發迫切。總體來說，華北地區的煤礦充水水源以底板巖溶水和老空水為主，主要表現為突水發生頻繁且影響生產以致淹井，深組煤層下部受奧灰水嚴重威脅。

目前理論研究成果對不同類型的底板突水致災機理和突水通道的形成過程進行了闡述[2-4]，對識判、預報的準確程度的提高提供了理論依據。但是當前的理論研究對實際開采環境以及水文地質環境的差異研究不夠周全，特別是對內蒙地區井工煤礦開采的防治水理論研究與實際應用更為缺乏。目前的理論研究成果不能保證西部干旱地區礦井正常開采安全。因此，本文以內蒙古地區天譽四礦9號煤層為例，針對西北干旱地區的承壓水開采現狀，對充填開采在防治底板承壓突水方面進行了研究分析，為該地區煤礦的安全、綠色開采提供了理論支持及技術指導。

2 礦井采煤方法和水文地質條件差異分析

2.1 現有采煤方法分析

天譽四礦的現有生產能力為1.20Mt/a，井田南北長2.4km，東西寬2.05km，面積為4.0299km2，開采標高為+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造，地層產狀平緩，傾角為4～14°，平均傾角為8 °。該礦目前開采的9號煤層采用傾斜長壁后退式采煤方法，一次采全高綜合機械化采煤工藝，全部冒落法管理頂板。

2.2 水文地質條件差異分析

根據桌子山煤田水文地質資料，在1989年，奧灰地下水的東部水位標高為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、水位發生了明顯變化。在天然狀態下，巖溶水由東向西徑流運動，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‰。徑流運動由南向北、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巖構成了石炭系地層的基底，正常地段富水性中等構造破碎帶強。9號煤層底板標高為+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律研究

3.1 奧灰富水性能分析

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

該礦水文地質鉆孔全部揭露奧灰含水層，揭露厚度為10.20～172.82m。該區為陸表海至局限盆地沉積，沉積環境導致灰巖含泥、砂質較大，大量伴隨灰巖沉積，影響灰巖巖溶發育，含水層富水性差異較大。奧灰含水層的滲透系數為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律研究

根據該煤礦井田內16個已經揭露奧灰的鉆孔，描繪了9號煤層底板隔水層厚度等值線圖（如圖1所示）。

圖1 9號煤底板隔水層厚度等值線圖

從9號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，位于東南部穹隆構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造，斷層構造分布均勻，較為發育。由于井田內落差大于30m的斷層共有7條，致使9號煤層有效隔水層厚度大大減小，因此在開采9號煤層時，奧灰含水層可能會因受采動影響沿斷裂構造涌入采動空間，造成底板突水事故發生。

4 底板突水危險性安全評價和突水等值線圖

4.1 底板突水危險性安全評價

結合井田水文地質特征并參照駱駝山煤礦突水案例，以突水系數法對煤層底板突水危險性進行評價。表達式為：

T=

式中：

T—突水系數，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）是采用突水系數評價底板穩定性的關鍵。通過實際突水系數T與臨界突水系數Ts的比較，判斷底板突水可能性。由于目前沒有可以借鑒的臨界突水系數，本文依據《煤礦防治水細則》，參照華北礦區實際資料，確定了該井田帶壓開采突水系數法評價標準，具體如下：

（1）對于構造破壞塊段：當T＜0.06MPa/m時屬安全區，當T≥0.06MPa/m時屬危險區。

（2）對于正常開采塊段：當T＜0.10MPa/m時屬安全區，當 T≥0.10MPa/m 時屬危險區。

4.2 突水等值線圖

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

圖2 9號煤層底板突水系數T等值線圖

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

根據井田內斷層構造比較發育且分布離散的特點，確定了如下的劃分標準：

（1）構造危險區：突水系數介于0.06～0.1MPa/m之間的區域；

（2）危險區：突水系數大于0.1MPa/m的區域；

（3）安全區：突水系數小于0.06MPa/m的區域。

根據上述判定標準，結合圖2可知，該礦構造危險區位于中間塊段，危險區位于西北塊段，安全區位于東南塊段。受采動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，這與當前的研究結果相符合[5]。

5 矸石充填開采技術應用實例

5.1 矸石充填開采可行性分析

山東省濟南埠村礦采用高水充填開采技術解決了承壓水上開采的問題，該技術具有方便輸送、便于成型、容易接頂的特點，實現了承壓水上安全無污染的綠色開采。因此充填開采可以有效控制底板破壞程度。基于目前充填開采方面的研究結果和工程實踐，認為該礦采用充填開采技術和理論上是可行的。

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、處理及污染問題，符合循環經濟理念和綠色科學的發展內涵。

5.2 矸石充填開采應用

該礦設計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，節省了巷道掘進費用和采煤工作面搬家費用，減少了礦井排水處理工作量和費用，降低了征地及塌陷補償費用，僅在掘進費用和工作面搬家兩方面節省噸煤開采成本6.5元/t。最為重要的是確保了采掘工作面的安全開采，減少了對工作面底板的破壞，有效地預防了底板突水事故的發生。

6 結論

（1）該煤礦9號煤層有效隔水層厚度分布呈由南至北逐漸變薄趨勢。井田內落差大于30m的7條斷層的存在使得奧灰含水層可能因采動沿斷裂構造突入采動空間。

（2）9號煤層底板突水系數值0.04～0.116MPa/m之間，東南塊段為安全區，西北塊段為危險區，中間大部分為構造危險區。

（3）通過矸石充填開采減少了對底板的破壞，有效預防了底板突水可能性，大大節省了開采成本，具有良好的經濟和社會效益。