龐龐塔礦奧灰水帶壓開采安全性分析評價

楊 剛

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司，山西 臨縣 033200）

奧灰水突水是影響煤礦安全生產的一種重大隱患，從我國煤礦開采歷史來看，奧灰水突水事故具有發生快、傷亡重、損失大等特點［1］。因此，必須在分析研究礦井地質和水文地質條件的基礎上，分析評價井田范圍內各可采煤層奧灰水帶壓開采的安全性，以保證礦井的安全生產。

1 礦井概況

龐龐塔煤礦隸屬于山西霍州，位于山西省呂梁市臨縣境內，井田南北、東西的長度分別為20 km、3 km，呈長條狀，面積約60.731 km2，保有儲量約12 億t，生產能力10.00 Mt/a。礦井為斜—立混合開拓方式，共布置8 個井筒，兩個開采水平，達產時同時具備北、南兩個采區。

根據礦井歷次地質勘查成果，龐龐塔煤礦的主要可采煤層為山西組的5上#、5#煤層及太原組的9#煤層，煤種牌號以1/3JM和QM為主，其主要特征見表1。

表1 可采煤層特征

本井田整體上是一單斜構造，地層傾角15°～25°，井田北東部局部地區傾角較大；斷層較發育，但大部分斷層落差都＜10 m；無巖漿巖侵入。礦井地質構造屬簡單型，為低瓦斯礦井。

2 奧灰水帶壓開采安全評價

2.1 奧灰水水位情況

據礦井水文地質孔抽水試驗，本井田太原組灰巖含水層不太發育，連通性不強，涌水量較小，對井下開采活動影響很小。奧陶系峰峰組奧灰含水層巖溶裂隙較發育，富水性及連通性較好，水位標高+800～+857 m，5#、9#煤層底板標高分別為+170～+1 100 m和+100～+1 050 m。因此，5#、9#煤層底板大部區域都受奧灰水的影響，屬帶壓開采。

2.2 煤層底板隔水層情況

（1）山西組5#煤至太原組9#煤之間的隔水層

5#煤層與9#煤之間的平均層間距為50.63 m，其巖性主要為厚度較大的泥質巖及內生裂隙發育較差的砂巖和灰巖，將其作為隔水層。從礦井開采現狀看，所揭露斷層的落差均＜20 m。因此，隔水層隔水性能良好，各含水層之間可以看作是相互獨立的，能夠良好地阻隔上部含水層溝通太灰水。

（2）太原組9#煤至奧陶系頂界間的隔水層（C2b+C3t）

太原組9#煤至奧陶系頂界間隔水層的平均厚度為63.35 m。其中C2b組地層厚度18.4～35.2 m，平均25.91 m，巖性主要為砂巖、泥巖、石灰巖和薄煤層，巖性軟弱的泥質巖體類與巖性較堅硬的砂巖、石灰巖組合，兼具良好的巖石力學強度和隔水性能，有利于承受奧灰水的壓力。但開采揭露構造發育地段可能破壞隔水層的完整性，致使奧灰水與開采煤層產生水力聯系，必須加強地質構造發育地段的防治水工作。

2.3 礦井充水通道

礦井充水主要有水源和途徑兩個必要條件，必須同時具備上述兩個條件才有發生突水的可能性，因此礦井充水通道是本次帶壓開采研究的重點之一。

（1）構造

本井田整體上是一單斜構造，生產揭露小斷層發育，但斷層富水性和導水性較弱，僅偶有少量滲水；在采掘9-703、9-704 工作面時，揭露陷落柱7 個，陷落柱無水或存在極少量淋水，對礦井生產影響亦較小。

5#、9#煤層均存在奧灰水帶壓開采。據奧灰水突水事例，即使在突水系數小于臨界值的帶壓開采區域，只要存在導水斷層或構造破碎帶，仍存在突水的可能。因此，采掘過程中應加強隱伏構造的探測，在接近斷層、陷落柱發育地段時，要做好超前探放水工作，預防構造導通上下含水體。

（2）開采后的煤層頂板導水裂縫帶

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》的經驗公式，分別計算煤層開采的垮落帶、導水裂縫帶高度，計算結果匯總見表2［2］。

表2 中Hm為垮落帶高度，m；Hli為導水裂縫帶高度，m；M為采厚，m。

表2 5#、9#煤層垮落帶和導水裂縫帶計算結果匯總

上述計算結果得出，開采5#煤層之后的垮落帶、導水裂縫帶高度的最大值分別為16.18 m、65.67 m，與山西組和下石盒子組的砂巖裂隙含水層無水力溝通；開采9#煤層之后的垮落帶、導水裂縫帶高度的最大值分別為32.78 m、119.40 m，遠大于5#、9#煤層間最大間距60.29 m。因此，在開采9#煤層時，通過導水裂縫帶會與上覆5#煤層采空積水溝通，所以在開采9#煤層時必須疏放上覆5#煤層采空積水。

2.4 回采工作面奧灰帶壓的安全性評價

根據《煤礦防治水細則》附錄五，開采采用下述公式（1）進行突水系數評價［3］。

式中：T為突水系數，MPa/m；P為底板隔水巖層水頭壓力，P= （H0-H1）×0.009 8，MPa；M為底板隔水層厚度，M=H煤-H1，m；H0為奧灰巖溶水壓標高，m；H1為奧灰頂面標高，m；H煤為煤層底板標高，m。

將井田內5#、9#煤層相關的53 個鉆孔參數代入式（1），按照表3所示的《煤礦防治水細則》相關分區規定，經計算得出以下結果［4-5］：

表3 帶壓開采劃分規定

據三維地震勘探，井田內陷落柱、斷層均較發育。因此，將井田按底板有地質構造破壞地段進行分析評價。各煤層帶壓開采分區見圖1。（1）5#煤層帶壓開采突水系數

井田內5#煤層突水系數范圍為0.010 ～0.057 MPa/m，5#煤層非突水危險區面積為21.726 km2；突水威脅區面積為39.005 km2。在自然條件下可以實現安全開采，出現奧灰突水可能性不大，對煤層開采的威脅性較小；但若存在導水構造則可能發生奧灰突水事故。5#煤層帶壓開采分區見圖1（a）。

圖1 各煤層帶壓開采分區

（2）9#煤層帶壓開采突水系數

井田內9#煤層突水系數范圍為0.011 ～0.133 MPa/m，9#煤層非突水危險區面積為17.964 km2，突水威脅區面積為39.672 km2，突水危險區面積為3.095 km2。在非突水危險區和突水威脅區當中開采9#煤層時，若底板無地質構造與奧灰水溝通，開采9#煤層時出現奧灰突水可能性不大，對煤層開采的威脅性較小，出現奧灰突水可能性不大；若存在導水構造則可能發生奧灰突水事故。突水危險區面積較小，在突水危險區開采9#煤層時突水危險較大，必須加強礦井水文地質工作，制定相應的安全技術措施。9#煤層帶壓開采分區見圖1(b)。

綜上所述，在煤層底板無地質構造與奧灰水溝通情況下，5#、9#煤層開采時，出現奧灰突水可能性不大；但在構造發育地段可能溝通下部奧灰含水層，具有礦井突水安全隱患，必須在掘進、回采過程中采用物探、鉆探等手段探查隱伏構造及其導水性、富水性。對已經揭露并未發生突水的斷層等構造要加強監測，防止滯后突水；對可能存在的導水構造，可采取注漿堵水或留設防隔水煤柱，防止奧灰水突水。在帶壓開采突水危險區，需通過對煤層底板注漿加固進行人為改造，方可實現礦井安全開采。

3 結語

在分析研究龐龐塔煤礦地質和水文條件的基礎上，利用突水系數法分別計算出5#、9#煤層的帶壓開采突水系數，對全井田范圍內的出5#、9#煤層的帶壓開采情況進行分區，并提出相應的安全帶壓開采技術措施。