煤層底板突水影響因素分析與帶壓開采安全評價――以山西省鄉寧礦區某井田為例

魏甜

（中煤地質集團有限公司北京大地高科地質勘查有限公司，北京 100040）

1.概況

1.1 井田地質

本區屬半掩蓋區，基巖僅沿溝谷出露。根據地質填圖及鉆孔揭露資料，地質層從最底層到最頂層分別是奧陶系下馬家溝組、上馬家溝組、峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組，三疊系劉家溝組、和尚溝組，第四系。

這個井田內地層走向是北東向，向北西向偏斜，單斜構造，傾角為5°～15°。在單斜構造的基礎上發育短軸褶曲，與走向大致平行。井田內的斷層并不發育，區內也沒有發現陷落柱和巖漿巖，由此斷定井田內的構造比較簡單。井田內部只有一個發育落差大于30m的斷層，兩個小于30m的斷層[1]。

井田中開采的含煤礦層，主要出現于太原組和山西組，自上而下分別為2上、2號、3號、9號煤層。

1.2 井田水文地質

該井田位于鄉寧礦區的中部，禹門口泉域深部的逕流區，水文地質單元上屬于禹門口泉域巖溶水系統的一部分。

井田主要含水層為 ：第四系松散層孔隙含水巖組，受季節影響較大，富水性差，局部區段富水性較好；三疊系劉家溝組及二疊系上統石盒子組、石千峰組砂巖裂縫含水層（段），富水性弱～中等；山西組及下石盒子組底部砂巖裂縫含水層，富水性弱；太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂縫含水巖組，富水性極弱；奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂縫含水層巖溶裂縫不發育，埋藏較深，徑流條件差，缺乏有效的補給，富水性弱。

2.礦井充水影響因素

雨水是礦井的間接補充水源，但本區降水量小，對地下水的補給路徑長，從而使得礦井涌水量隨降水量變化有一滯后的過程；井田內部兩條主要河流，由于煤層埋藏深，上部有巨厚的巖層阻隔，對煤礦開采無大的影響；山西組及下石盒子底部砂巖裂縫含水層和太原組石灰巖、砂巖巖溶裂縫含水層富水性弱，補給、徑流條件差，水量一般不大，以靜儲量為主，對礦井安全生產威脅不大[2]。

奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂縫含水層是本區可采煤層下伏的主要含水層，屬于深埋藏型。鉆探揭露峰峰組巖芯完整，裂縫多被方解石充填，其灰巖頂部發生漏水現象，漏失量為全漏，簡易水文觀測水位為773m；揭露上馬家溝組含水段以中部中厚層灰巖，白云質灰巖及上部薄～中厚層狀石灰巖為主，巖芯大部分為長柱狀，巖芯較完整；揭露下馬家溝組巖芯堅硬完整夾泥巖薄層。

本區5個孔做抽水試驗，水2孔單位涌水量q=0.00181 L/(s·m)，k=0.000767m/d，其余鉆孔無水或斷流。

根據水文地質資料分析，禹門口巖溶水系東部邊界為地表分水嶺。區內部地層整體向北西傾斜，巖溶水受這種地層構造的限制和影響，向西流動。地下流域可能與地表流域一致。分水嶺的東面屬龍子祠泉域，分水嶺的西面屬于禹門口泉域。該井田處于禹門口泉域的東部邊界旁邊，與龍子祠泉域的西邊界相鄰，因地層西傾，奧灰埋藏漸深，奧灰巖溶裂縫發育程度較弱。受區域巖溶水系統徑流場的控制和影響，井田內部奧灰水位東高西低，整體由東向西徑流。由于區內部奧陶系灰巖含水層埋藏深，徑流條件差，缺乏有效的補給，含水層富水性弱。再結合井田內部及周邊礦井鉆探及抽水試驗資料，確定井田內部奧灰含水層水位標高630m～700m。經統計，9號煤層底板標高205.19m～778.19m，井田全范圍基本處于帶壓狀態。

3.奧灰突水影響因素分析

3.1 礦井底板突水機理

自然情況之下，含煤的巖體是保持平衡的，煤層之下的地下水體被地層巖性、地形地貌、地質構造及溶蝕條件的控制，它處于自然流動和調節狀態。開挖后，巖體應力平衡被損壞。為達到新的平衡，會發生底鼓、煤堤塌陷等一系列工程地質現象。底鼓會改變含水層的自然流場，在有足夠水量或導通的情況下，地下水會沿導水裂縫涌入坑內部，造成突水這種危險情況的發生。

3.2 突水因素

影響奧陶系灰巖巖溶含水層發生突水的主要因素有：奧陶系地下水壓分布、地質構造的發育程度、奧陶系含水層的富水強弱和其內部巖溶發育程度、煤層隔水底板中軟硬巖的結合和抗水性。

4.奧灰突水影響因素分析

4.1 突水系數計算

根據《煤礦防治水細則》附錄五，計算公式為：

T=P/M

式中，T—突水系數，MPa/m；P—隔水層承受的水壓，即奧灰頂界面至其承壓含水層水位的水柱壓力，MPa；M—底板隔水層厚度，m。

井田內部9號煤層底板低于奧灰水水位標高，屬奧灰水帶壓開采。在帶壓范圍內部，奧灰水有可能沿構造薄弱帶、底鼓裂縫進入礦井，可能對礦井安全生產構成威脅。

計算結果顯示，該井田9號煤層帶壓開采范圍內部的底板突水系數為0.0128MPa/m～0.0806MPa/m。

4.2 帶壓開采分區

通過系統分析礦區地質構造發育規律，以及各個煤層底板隔水巖柱的巖性組合和隔水性能，奧陶系中統巖溶裂縫富水層水文地質特點，本論文發現礦井突水現象的發生也與隔水層的厚度，水頭的壓力，地質構造的發育階段等一系列原因有關。

根據《煤礦防治水細則》，結合地質構造發育程度，本次采用兩個分區系列：即在綜合考慮井田地質構造發育的基礎上，選取突水系數0.06MPa/m和0.10MPa/m做為劃分標準，當突水系數小于0.06MPa/m時，這是一個相對安全的帶壓開采區（I）。一般情況下，突水情況發生的概率很小就算是發生突水，造成的損壞也很小，但在導水斷層油氣、地礦、電力設備管理與技術結構旁邊發生突水的可能性；當突水系數大于0.06MPa/m且小于0.10MPa/m時，是過渡帶（Ⅱ）。在該段中，當裂縫結構發育不完善時，很大概率不會發生底板突水事故，但在構造破碎的區域有突水的危險。遇有可能造成較大破壞和損失的突水事故，要在確定井場構造發育程度的前提下，認真做好阻水工作，根據情況進行處置和應對；當突水系數大于0.10MPa/m時，為危險區（Ⅲ）。該段水壓高，容易發生地面突水。一旦發生突水，可能造成更大的損害。只有通過排水減壓將突水系數降低到0.10MPa/m下面時，才能實施帶壓開采，但在構造破碎帶還應采取其他策略。

根據突水系數的計算結果顯示，9號煤層中東大部分地區為帶壓開采相對安全區（Ⅰ），西部地區為帶壓開采過渡區（Ⅱ），即過渡區（見圖1）；區內部三條斷層都處于9號煤層開采相對安全區，同樣根據經驗將斷層旁邊30m的范圍評為過渡區，開采過程須留設30m防水煤柱。

圖1 9號煤層帶壓開采安全性評價圖