平山煤礦3號煤層帶壓開采安全評價

豆淵濤

（山西保利平山煤業股份有限公司，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。據統計,許多煤礦受承壓水影響，導致棄采煤層。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題。但在實施帶壓開采前，需要對煤層地質條件及底板隔水層厚度進行分析，確保帶壓開采的可行性［1-2］。

許多研究者對帶壓開采的可行性評價進行了研究，白俊凱［3］針對屯蘭礦8 號煤層采用突水系數法對開采可行性進行了評價，并制定了相應措施；馬麗華［4］針對東龐礦6 號煤層的涌水量進行了計算，分析了其上部及下部采空區積水的影響，得到6 號煤層可以安全開采。對工作面帶壓開采的安全評價成為煤礦工作面安全開采及防治水工作重點之一。

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 號煤層，采用走向長壁采煤法，一次采全高綜采工藝，全部垮落法管理頂板，中央并列式通風方式。3 號煤層賦存于山西組下部，井田內煤層穩定，全區可采，煤厚3.70～6.30 m，平均5.22 m，簡單結構；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，變化無規律。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 號煤層43.92～51.27 m，平均間距48.26 m； 下距15 號煤層81.52～103.19 m，平均間距90.37 m。

井田內3 號煤層底板標高在+270～+440 m，而其下部奧灰巖溶水水位標高+509～+518 m，3 號煤層均處于奧灰帶壓區域。奧灰水水頭高、富水性強，區內斷層陷落柱為奧灰水進入礦坑的潛在通道，隨著開采水平的延深，帶壓開采的危險性增大。為了保證本礦3 號煤層帶壓開采的安全，需對3 號煤層奧灰巖溶水帶壓開采進行評價。

井田內基巖裸露，出露二疊系上統上石盒子組上段（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（Q2）洪、坡積堆積物，深部賦存二疊系上統上石盒子組（P2s）、下統下石盒子組（P1x）和山西組（P1s）,石炭系上統太原組（C3t）、中統本溪組（C2b）地層，基底為奧陶系中統峰峰組（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

據平山井田三維地震及電法勘探報告，共解釋斷層20 條，巷道揭露2 條斷層，其中3 號煤層落差≥5 m的斷層4 條，落差＜5 m的斷層18 條，均為正斷層。各斷層落差相對較小，一般斷距在10 m以下。斷層可能成為導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

據三維地震勘探報告，查明井田內長軸大于25 m的陷落柱異常10 個，其中控制可靠陷落柱5 個，控制較可靠陷落柱5 個。陷落柱能否引發突水事故較難判斷，因素較為復雜，平山煤礦巷道掘進時揭露X1 陷落柱區域水量很小，沒有發生突水事故；但當開采深度增加時，陷落柱與斷裂帶聯合作用時，引發突水事故不可忽視。

2.3 頂板采動冒裂帶

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

2.4 底板采動破壞帶

根據平山礦相鄰的成莊礦開采煤層底板導水破壞帶深度一般在20 m左右，本井田內3 號煤層下伏地層富水性弱，因此，底板采動破壞帶不會成為其導水通道。而15 號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奧灰峰峰組地層，峰峰組含水層的富水性是發生底板突水的內在因素。據資料分析，井田內峰峰組地層富水性弱，在無導水構造時，其底板采動破壞帶不會成為其導水通道。

3 帶壓開采安全性評價

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發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，井田內鉆孔是最好的資料。平山煤礦井田共施工鉆孔6 個，其中一個為奧灰水井，勘探孔都穿過整個煤系地層進入奧陶系灰巖。據統計，3 號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 號煤層底板隔水層等厚線

圖2 3 號煤層奧灰水帶壓開采分區

從圖1 可以看出，井田范圍內3 號煤層隔水巖柱整體上中東部平4 孔附近最厚，為113.22 m，向四周逐漸變薄；井田西北角最薄約90 m，井田西南角最薄約96 m，井田內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 號煤層底部與15 號煤層頂部相距91 m左右，3 號煤底板至奧陶系中統峰峰組O2f，頂面平均厚約100.42 m，巖層主要由泥巖、砂質泥巖、砂巖、煤層、灰巖（K2、K3、K5、K6）和K7細粒砂巖組成。從巖性上分析，未來開采3 號煤以下隔水性能良好。

3 號煤層賦存于山西組，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、細粒砂巖、泥質巖夾煤層。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，硬質巖層多的地段抗水性能強。因此，無論從厚度上還是巖性上，該隔水層均具有良好的隔水性能，具有相對較好的帶壓開采條件。但煤層采動會使隔水層的有效厚度減小，距煤層底板一定深度范圍內將失去隔水作用。

3.2 3號煤層底板奧灰突水系數計算

本次采用《煤礦防治水細則》突水系數計算公式：

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，MPa/m。

根據奧灰巖溶水等水位線圖內插而得各鉆孔奧灰巖溶含水層的水位標高。其水位標高減去相應的奧陶系頂面標高值作為底板隔水層承受的水壓力。

P=（H-h）×0.009 8

式中：H為奧灰巖溶水位標高，m；h為奧陶系頂面標高，m。

根據公式計算出各鉆孔及部分控制點（煤層底板標高最低點）3 號煤層奧灰突水系數，見表1。

表1 3 號煤層奧灰突水系數計算

3.3 3號煤層奧灰水帶壓開采分區

據《煤礦防治水細則》，以突水系數0.06 MPa/m、0.1 MPa/m作為帶壓開采分區標準。帶壓開采分區劃分如下：T＜0.06 MPa/m，可以視為相對安全區。上述計算結果對采區進行安全性分布見圖2。

經計算，3 號煤層最大突水系數為0.034 MPa，所有點突水系數均小于0.06 MPa，全礦井均處于奧灰水帶壓開采的相對安全區。隔水層平均厚度有100.42 m，在安全區域若無垂向導水斷裂構造存在，則底板奧灰水對3 號煤層威脅很小，基本上不會發生奧灰水突入礦坑。但在生產中應加強斷層、陷落柱及其導水性的探測工作，在查明其發育規模、位置的情況下，根據具體情況留設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

據平山井田三維地震及電法勘探報告，共解釋斷層20 條。當煤層處于含水層上方且斷層導水時，需考慮設置斷層防隔水煤柱，此時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

考慮底板隔水層受力情況，隔水煤柱留設的寬度應滿足下式，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為保護帶厚度；Ts為臨界突水系數，MPa/m。

作用于煤柱的水頭壓力P 值井田內最大為3.352 MPa，突水系數（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，計算煤（巖）柱留設寬度（L）為72.7 m。

5 結語

針對平山煤礦3 號煤層位于奧灰水位之下，可能存在突水事故的影響，采用理論計算結合工作面地質條件，得到如下結論：

1）井田內3 號煤層底板標高在+270～+440 m，而奧灰水位標高為+509～+518 m，全部處于奧灰水帶壓開采； 但3 號煤層最大突水系數為0.034 MPa，井田內所有點突水系數均小于0.06 MPa。3 號煤層處于奧灰水帶壓開采的相對安全區；且3 號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通底部奧灰水和其他含水層的主要因素之一，經測算，計算得到斷層隔水煤柱留設寬度應為72.7 m。