玉溪煤礦3號煤層奧灰水帶壓開采安全性評價

李海洋

(山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048214)

奧灰水突水事故是礦井水害事故中破壞性、突發性最為嚴重的，往往會造成一系列的井下傷亡事故的發生，極易引發巨大的社會不良反響，嚴重制約著礦井安全高效生產的實現。因此，必須先對礦井地質條件和水文地質條件進行分析，并在此基礎上進一步對礦井奧灰水帶壓開采的安全性進行研究，可為今后礦井帶壓開采的合理規劃、隱患防治對策提供堅實基礎，從而保證礦井的安全高效生產[1-2]。

1 礦井概況

玉溪煤礦隸屬蘭花集團，地處山西省晉城市沁水縣胡底鄉一帶，井田東西長5.0～6.1 km，南北寬約5.1 km，礦區面積26.147 km2，產能240萬t/a。礦井采用斜井開拓，布置有主斜井、副斜井及進風立井、回風立井。主要可采煤層為位于山西組的3號煤層，該煤層設計可采儲量13 526萬t，服務年限41.7 a。總體上，井田地層傾向為東部高、西部低，造就了軸向彎曲次級的寬緩褶曲構造形態。通過地面調查及兩次地震勘探，在井田內地面調查控制5條褶曲，一盤區地震勘探解釋13條褶曲，共18條；地面調查發現3個陷落柱，一盤區地震勘探解釋47個陷落柱；井田內三維地震解釋37個斷層。礦區內無巖漿巖侵入，屬簡單類型的地質構造。礦井于2019年建成投產后，首先開采井田南部的一盤區3號煤層，煤厚5.1～7.2 m,平均5.5 m。

2 3號煤層奧灰水帶壓開采安全評價

3號煤層帶壓開采的安全性受到隔水層條件、地質構造、水文地質等因素影響，當開采煤層的底板隔水層具有斷裂、陷落柱等薄弱情況時，具有奧灰水從底板突出進入礦井的潛在隱患[3]。

2.1 3號煤層底板隔水層分析

井田內，有6個鉆孔揭露奧灰頂界，井田周邊鉆孔2個(1201孔、1203孔)。井田內，3號煤層底板隔水層巖柱平均厚度為100.2 m，總體為北部隔水巖柱厚度相對較厚，南部隔水巖柱相對較薄。3號煤層底板隔水巖柱厚度統計，見表1。

表1 3號煤層底板到奧灰水頂面隔水層厚度統計

隔水巖柱地層層位主要為山西組底部(3號煤層底板)、太原組及本溪組。其中，山西組底部(3號煤層底板)：巖性為泥巖或砂質泥巖，灰黑色，厚層狀，為半堅硬巖巖類；太原組及本溪組地層，巖性由鋁質泥巖、砂巖、砂質泥巖、石灰巖及煤層等組成，屬軟弱-堅硬巖石。

2.2 3號煤層底板突水條件分析

1) 水壓(P)。在井田范圍內，奧灰水水位標高范圍580～605 m，3號煤層底板標高范圍220～450 m，屬帶壓開采。根據井田內施工的鉆孔對奧陶系中統峰峰組(O2f)、上馬家溝組(O2s)(上部)進行混合抽水試驗結果表明，其單位涌水量為0.002 2～0.005 6 L/s·m，富水性弱。3號煤層底板隔水層承受的奧灰水水壓2.835～3.625 MPa。

2) 底板擾動破壞帶深度的確定(Cp)。底板突水受采動壓力與底板承壓水共同影響而發生的。由于掘進和工作面采動，原地應力平衡狀態遭到打破，使地應力再次分布，當地應力達到新平衡時，必然會產生應變能，使巖石結構發生改變。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中的底板破壞深度預計經驗公式[4]：

Cp=0.008 5H采+0.166 5α+0.107 9L工-4.357 9

(1)

式中：H采表示設計最大采深，m；α表示煤層傾角，按8°計算；L工表示工作面斜長，據采掘工程平面圖，取200 m。

將相關參數代入公式(1)得出，3號煤層底板破壞深度22.08～24.74 m，平均為23.78 m。

3) 底板采動地下水導升裂隙帶(Hd)。考慮到井田內奧灰含水層頂板存在隔水性較好的鋁質泥巖，其平均厚度11.27 m，標高范圍551～575 m，而3號煤層底板標高范圍220～450 m，根據上述計算，3號煤層開采期間的底板破壞深度22.08～24.74 m，平均為23.78 m，因此不會導通裂隙帶，計算突水系數時，未考慮底板采動地下水導升裂隙帶(Hd)。

4) 有效隔水層厚度。取井田內3號煤層底板至峰峰組頂面之間的隔水完整巖層厚度,除去3號煤層底板擾動破壞帶厚度(Cp)和底板采動地下水導升裂隙帶(Hd)后的隔水層厚度，根據玉溪煤礦地質情況計算得出，其有效隔水層平均厚度為67.51 m。太原組及本溪組的鋁土質泥巖隔水層，可以有效地阻斷3號煤層與奧灰水之間的水力聯系。

5) 突水通道。由于斷層和陷落柱抗水壓強度很難預先查明，大斷層明顯減小隔水層厚度，其臨界突水系數也減小。或巖石破碎，抗壓強度低，隔水層等效厚度變小，隔水性能降低。當完全導水時，等效厚度為零，因此對于井田范圍內施工的奧陶系鉆孔，必須在開采時對其留設防水煤柱。

2.3 突水系數計算及突水危險性區帶劃分

根據《煤礦防治水細則》附錄公式，對3號煤層突水系數進行計算[5]。

(2)

式中：P表示底板隔水層承受的水頭壓力，MPa，P=(H-h)×0.009 8；H表示奧灰巖溶水壓標高，m；h表示奧灰頂面標高，m；M表示底板隔水層的厚度，m。

將井田內鉆孔資料代入公式(2)，3號煤層的突水系數在0.028～0.050 MPa/m的范圍之內。根據《煤礦防治水細則》，井田內3號煤層開采屬于相對安全區，一般不會造成底板奧灰突水，可對其進行帶壓開采。然而在井田范圍具有隱伏導水的斷層、陷落柱等地質構造的可能性，為排除奧灰水突水隱患、實現礦井安全生產，必須加強對構造導水性的探測工作，對構造破壞地段應留設防隔水煤柱。

3 3號煤層奧灰水突水量預測

根據上述結論分析，3號煤層帶壓開采相對安全，但是不排除隱伏導水構造引起突水的因素。因此，3號煤層奧灰水突水量按照工作面回采中遇導水斷層時單點突水情況進行計算，將水平掘進的坑道穿過垂直或近于垂直的充水斷裂視為垂直含水層中的水平井，利用以達西定律為基礎的承壓水穩定流解析法計算公式，對其涌水量進行計算[6]：

(3)

式中：S表示水平井降深,m；M表示含水層厚度,m；K表示滲透系數,m/d；r0表示水平井半徑,m;亦即開拓巷道的半徑,m；L表示水平井距底部補給邊界的距離,即巷道底板距奧灰頂板的距離,m。

將井田內鉆孔資料代入公式(3)，預測3號煤層奧灰水突水量為13.19 m3/h。在井田東部范圍內，通過三維地震顯示存在陷落柱，說明該地段具有巖溶發育構造，局部存在富水情況。由于奧灰巖溶水分布不均勻，若遇富水地段，其突水量應遠大于預測水量，生產中應引起注意。

4 結 語

在對玉溪煤礦地質條件分析的基礎上，從隔水巖柱、突水條件等方面，對3號煤層奧灰水帶壓開采安全評價，并計算分析3號煤層的突水系數并預測突水量。井田內3號煤層開采屬于相對安全區，一般不會造成底板奧灰突水，可對其進行帶壓開采。然而在井田范圍具有隱伏導水的斷層、陷落柱等地質構造的可能性，為排除奧灰水突水隱患、實現礦井安全生產，必須加強對構造導水性的探測工作，對構造破壞地段應留設防隔水煤柱。