蔚州煤田中－下侏羅統(tǒng)下組煤底板帶壓開采可行性研究

崔祥琨，侯玉德，張 琪

（1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221008;2.開灤 （集團(tuán)）蔚州礦業(yè)有限責(zé)任公司單侯礦，河北蔚州 075700）

蔚州煤田中－下侏羅統(tǒng)下組煤底板帶壓開采可行性研究

崔祥琨1，侯玉德2，張 琪1

（1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221008;2.開灤 （集團(tuán)）蔚州礦業(yè)有限責(zé)任公司單侯礦，河北蔚州 075700）

以蔚州煤田單侯礦為例，分析下奧陶統(tǒng)富水特征和下組煤底板帶壓規(guī)律，研究下奧陶統(tǒng)頂部隔水關(guān)鍵層存在條件和厚度，計算下組底板采動破壞帶深度和有效隔水層厚度，預(yù)測下組煤底板下奧陶統(tǒng)突水危險性，評價下組煤帶壓開采可行性。研究表明:蔚州煤田單侯礦下奧陶統(tǒng)頂部存在約25m厚隔水關(guān)鍵層，隔水關(guān)鍵層使大面積受水壓威脅下組煤得以解放。

下組煤;隔水關(guān)鍵層;帶壓開采

隨著越來越多華北石炭二疊系煤田內(nèi)的礦井進(jìn)入太原組下組煤開采，利用中奧陶統(tǒng)頂部隔水關(guān)鍵層解放下組煤正在成為我國煤礦防治水領(lǐng)域研究熱點。一般突水工作面到水源之間會被若干層巖層所阻隔，而各巖層由于其分層特性和所處采動巖體中的位置不同，其隔水性能是不同的，水最終需要穿透的那部分巖層或最終被阻隔住的巖層被稱為隔水關(guān)鍵層［1－2］。巖層控制的關(guān)鍵層理論［3－5］中提到的“關(guān)鍵層”是指采動巖體運動中起主要承載作用的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層，并控制采動巖體破斷后的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

白海波［6］對比、分析了華北各煤田奧陶系殘留組段與分布規(guī)律，首次明確提出在奧陶系頂部存在隔水關(guān)鍵層，這與以往研究僅討論華北奧陶系峰峰組富水性強(qiáng)弱是不同的［7－9］。王長申［10］等通過巖石薄片鑒定、X射線熒光光譜分析等綜合試驗，分析了潞安礦區(qū)漳村峰峰組巖性、孔隙結(jié)構(gòu)特征及其垂向分布規(guī)律，確定峰峰組可利用隔水關(guān)鍵層達(dá)142m。付雷［11］等通過分析王家?guī)X礦區(qū)水文孔抽水試驗和巖樣溶蝕實驗結(jié)果，結(jié)合區(qū)域的水文地質(zhì)特征、構(gòu)造特點、巖性等方面情況，確定了峰峰組隔水關(guān)鍵層的存在。范春學(xué)［12］通過對峰峰礦區(qū)奧陶系中統(tǒng)巖性及富水性調(diào)查與分析，確定了奧陶系頂部隔水關(guān)鍵層的存在，對今后進(jìn)一步解放下三層煤，延長礦井壽命，具有很大的價值。

單侯礦位于華北地臺北部邊緣，煤系地層位于侏羅系下花園組中下部，礦區(qū)侏羅統(tǒng)和下奧陶統(tǒng)之間地層缺失，主采煤層下組5煤底板距下奧陶統(tǒng)灰?guī)r含水層只有40m，煤層底板承受著下伏奧灰含水層3MPa的水壓，帶壓開采5煤底板突水的危險性很大，對礦區(qū)隔水關(guān)鍵層的研究很有必要。

通過研究奧陶統(tǒng)頂部巖性以及富水位置，確定了奧陶統(tǒng)頂部隔水關(guān)鍵層的存在并確定厚度為25m，并且以突水系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)評價下組5煤帶壓開采可行性。研究表明，奧陶系頂部隔水關(guān)鍵層的存在，有利于下組煤的開采，與研究區(qū)的實際開采情況相吻合。

1 井田地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 井田地層組成

單侯井田位于蔚縣礦區(qū)中段南部，研究區(qū)內(nèi)地層自下而上有:古生界寒武系上統(tǒng)、奧陶系下統(tǒng)、中生界侏羅系下－中統(tǒng)下花園組、中統(tǒng)髫髻山組、后城組、新生界第四系下更新統(tǒng)泥河灣組、上更新統(tǒng)馬蘭統(tǒng)及全新統(tǒng)。其中中生界侏羅系下－中統(tǒng)下花園組為井田的含煤地層，共含煤8層，其中1號、5號、6號煤層為井田主要可采煤層。1號煤距奧灰頂界面平均厚度7m;5號煤距奧灰頂界面平均厚度40m，6號煤距奧灰頂界面平均間距65m;有些部位奧灰含水層與1號和5號煤層直接接觸，煤層開采構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造特點

蔚縣礦區(qū)在大地構(gòu)造位置上屬于中朝準(zhǔn)地臺（Ⅰ）、燕山沉降帶（Ⅱ）、冀西陷褶帶（Ⅲ）、蔚縣復(fù)向斜（Ⅳ）、蔚縣開闊向斜（Ⅴ）的西北部。蔚縣開闊向斜以其舒緩的褶皺為其特征，開闊向斜南翼被蔚縣斷層，北翼被陽原南山斷層，西部被大灣－暖泉斷層，東部被松枝口－右所堡斷層所圍割，將蔚縣開闊向斜分割成一個相對獨立的矩形斷塊，為一條走向北東、傾向南東的單斜構(gòu)造。斷塊內(nèi)自北而南可劃分為2個一級構(gòu)造單元，即月山向斜和蔚縣背斜。如圖1所示。

圖1 區(qū)域構(gòu)造

1.3 井田水文地質(zhì)特征

根據(jù)井田鉆孔揭露的地層時代、巖性特征、富水性，自下而上劃分為5個含水層段，即寒武系灰?guī)r含水層、奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r含水層、侏羅系中下統(tǒng)下花園組煤系砂巖含水層、侏羅系中統(tǒng)后城組礫巖含水層及第四系砂礫石含水層。其中富水性較強(qiáng)的為奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r含水層。通過在單候井田東南部邊界19－9孔群抽水試驗，確定基底灰?guī)r水接受北部月山裸露區(qū)的補(bǔ)給及西北部暖泉－大灣斷層尖滅帶進(jìn)水口的補(bǔ)給，向東南徑流，流經(jīng)南留莊井田、崔家寨井田進(jìn)入本井田，由于井田東部F33阻水?dāng)鄬拥拇嬖冢叵滤巯蚰衔髯罱K向暖泉排泄。

由于礦區(qū)下奧陶統(tǒng)灰?guī)r含水層水位標(biāo)高為957.34m，下組5煤底板標(biāo)高為650m，煤層底板普遍承受3MPa的水壓。由于煤層下伏隔水層隨古地形的起伏厚度不一，而且井田內(nèi)有6條斷距較大的斷層，受采動的影響，使斷層可能成為溝通含水層的通道從而縮短了煤層底板與奧灰含水層的間距。因而在厚度小的地段或處在構(gòu)造部位，下組5煤的突水系數(shù)達(dá)到0.128，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于帶壓開采的安全上限，因此，研究奧陶統(tǒng)頂部隔水關(guān)鍵層的存在性及厚度有助于順利解放下組5煤。

2 下奧陶統(tǒng)隔水關(guān)鍵層厚度研究

通過對井田中部19－9孔下奧陶統(tǒng)頂部 （如圖2所示）分析，在下奧陶統(tǒng)頂部25m為灰?guī)r和黏土巖互層，其中灰?guī)r巖芯破碎，質(zhì)不純，含泥質(zhì)，滴酸起泡不明顯，堅硬，比重大，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，夾黏土巖條帶和方解石條帶。黏土巖則細(xì)膩，呈鱗片狀。在距離下奧陶統(tǒng)頂面9m處發(fā)育有張性垂直裂隙，充填有泥質(zhì)薄膜;距離下奧陶統(tǒng)頂面19m處發(fā)育一組垂直張裂隙，裂隙長0.4m，充填鈣質(zhì)薄膜。對于巖層來說，泥巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r等松軟柔韌性巖層，都是良好的隔水層或相對隔水層;凡薄層砂巖、礫巖砂礫巖、具有巖溶的可溶性巖層以及堅硬脆性結(jié)構(gòu)面多的巖層，不能作為隔水關(guān)鍵層［13］。通過上述巖性描述可知，下奧陶統(tǒng)頂部隔水性能還是很好的，雖然發(fā)育有裂隙，但是裂隙長度不大，而且充填有泥質(zhì)和鈣質(zhì)薄膜，降低了裂隙的導(dǎo)水能力，可以作為隔水關(guān)鍵層。另外19－9鉆孔對奧陶統(tǒng)做抽水試驗，下管深度達(dá)到410m，而下奧陶統(tǒng)頂面深度為359m，抽水層段距離下奧陶頂面有50m的距離，富水層段距離奧陶頂面50m左右，可知下奧陶統(tǒng)上部富水性不強(qiáng)，從而也可以得知下奧統(tǒng)上部應(yīng)當(dāng)作為隔水層來考慮。

圖2 奧陶統(tǒng)頂部柱狀

綜上，下奧陶統(tǒng)頂部的25m灰?guī)r和黏土巖互層，堅硬、比重大，裂隙發(fā)育不多且裂隙被泥質(zhì)和鈣質(zhì)薄膜充填，有很好的阻水能力，所以，下奧陶統(tǒng)頂部25m應(yīng)當(dāng)作為隔水關(guān)鍵層的厚度。

3 帶壓開采可行性分析

3.1 底板破壞帶深度RFPA數(shù)值模擬

用巖石破斷過程分析軟件RFPA2D，對隨工作面推進(jìn)時底板巖層變形破壞情況進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬尺寸:工作面推進(jìn)方向取300m，鉛垂方向取200m，基元取1m×1m，總基元數(shù)60000個。在模型的最上部為礫巖，依次往下，分別為砂巖、礫巖、黏土巖、砂巖、黏土巖、粉砂巖、5煤、砂巖和黏土巖。模型左、右兩側(cè)為水平方向位移約束。底部為鉛垂方向位移約束。上表面邊界受向下的均布載荷作用，在模型上方施加面載荷，模擬處于采場上部的幾百米厚的巖層自重，分布集度q= 5MPa。模型在距離左邊界100m處開挖，開挖10步，每步開挖10m。

通過模擬開采，得出隨著工作面的推進(jìn)，底板的應(yīng)力集中區(qū)分布圖，如圖3所示。當(dāng)工作面推進(jìn)到100m時，工作面后方采空區(qū)大部分被巖石充填，底板破壞深度達(dá)到17m。

圖3 工作面推進(jìn)100m底板破壞深度

3.2 底板破壞帶深度經(jīng)驗公式計算

礦壓破壞對隔水層厚度的影響主要取決于礦壓破壞深度。破壞深度愈大，隔水層有效厚度的減少愈甚，誘發(fā)底板突水的可能性愈大。礦壓破壞深度的大小與回采工作面尺寸、開采方法與工藝煤層厚度及傾角、開采深度及頂?shù)装宓膸r性及結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，根據(jù)“三下”采煤規(guī)程推薦的統(tǒng)計公式，計算底板破壞深度為:

式中，h為底板破壞深度，m;L為工作面斜長，m，6101工作面斜長為150m;α為煤層傾角，6101工作面5煤及地層傾角為8°;H為開采深度，m，主要依據(jù)礦區(qū)內(nèi)22－24鉆孔揭示5煤埋深為380m。

經(jīng)計算，底板破壞帶深度為16.4m。與RFPA數(shù)值模擬的底板破壞深度16～17m是吻合的。

3.3 底板有效隔水層厚度分析

有效隔水層的概念有2種含義:一是根據(jù)巖石力學(xué)強(qiáng)度比定義的，即評價底板抵抗受力破壞的“強(qiáng)度”等效厚度，砂巖的等效厚度系數(shù)最大;另一種是根據(jù)巖層隔水能力比 （主要參數(shù)為滲透系數(shù)K）定義的，評價底板阻水能力的“隔水”等效厚度。

研究區(qū)5煤底板隔水層主要由中侏羅統(tǒng)隔水層和奧陶統(tǒng)頂部隔水關(guān)鍵層組成。5煤底板中侏羅統(tǒng)地層巖性多為中砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)砂巖與泥巖互層，具有很好的隔水性能，取其真厚為有效隔水層厚度。井田煤層底板至奧陶系頂部之間巖性多為中砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)砂巖與泥巖互層，偶含礫石層，底部為鮞狀泥巖。泥巖為灰色或者黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，可以看到植物根部碎屑，巖性致密堅硬。砂巖以中砂巖和粉砂巖為主，灰色，巖芯完整，主要成分為長石和石英，層理不明顯，有少量裂隙發(fā)育，巖性致密堅硬。這種泥質(zhì)巖類與砂巖硬脆性巖類的良好組合，既具有隔水性能，又具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，對抵抗巖溶水壓是非常有利的，是較好的隔水巖層。分析井田內(nèi)的鉆孔，這部分巖層最小厚度為40m。奧陶統(tǒng)頂部25m隔水關(guān)鍵層既具有較好的隔水性能，又具有較大力學(xué)強(qiáng)度，也取其真厚作為有效隔水層厚度。

研究區(qū)5煤層底板有效隔水層總厚度為:

式中，M為5煤底板有效隔水層總厚度，m;h為中侏羅統(tǒng)有效隔水層厚度，取40m;h2為奧陶系頂部隔水關(guān)鍵層厚度，取25m;h1為煤層底板破壞帶深度，取16.4m。

如果不考慮下奧陶統(tǒng)隔水關(guān)鍵層的存在，M=h－h(huán)1=40－16.4=23.6m。

現(xiàn)在，通過對有效隔水層厚度下奧陶統(tǒng)隔水關(guān)鍵層的分析，確定了下奧陶統(tǒng)隔水關(guān)鍵層的厚度，M=h+h2－h(huán)1=40+25－16.4=48.6m。

3.4 帶壓開采可行性分析

評價煤層帶壓開采可行性的依據(jù)為突水系數(shù)Ts。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》（2009年），突水系數(shù)計算公式為:

式中，P為煤層底板承受水壓，3MPa;M為有效隔水層厚度，m。

在沒有考慮下奧陶統(tǒng)隔水關(guān)鍵層時，Ts=P/ M=3/23.6=0.127，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于帶壓開采的安全上限Ts=0.06，開采5煤是不可行的;考慮下奧陶統(tǒng)隔水關(guān)鍵層后，Ts=P/M=3/48.6=0.062，接近帶壓開采安全上限Ts，進(jìn)行一定的防治水措施即可開采。圖4和圖5為利用觀1等13個進(jìn)行抽水試驗的鉆孔水位資料，結(jié)合煤層底板以及隔水層厚度得出的考慮下奧陶統(tǒng)隔水關(guān)鍵層前后礦區(qū)的突水系數(shù)等值線圖。不考慮下奧陶統(tǒng)隔水關(guān)鍵層時 （圖4），整個礦區(qū)5煤底板的突水系數(shù)是大于安全上限0.06的;考慮了下奧陶統(tǒng)隔水關(guān)鍵層后 （圖5），整個礦區(qū)5煤底板的突水系數(shù)均小于安全上限0.06，5煤可以安全開采。在礦區(qū)的實際開采過程中，下組5煤已經(jīng)得到安全開采，進(jìn)一步證實了奧陶統(tǒng)頂部隔水關(guān)鍵層的存在，與本文分析的結(jié)果相吻合。

圖4 不考慮隔水關(guān)鍵層時突水系數(shù)等值線

圖5 考慮隔水關(guān)鍵層時突水系數(shù)等值線

4 結(jié)論

通過對奧陶統(tǒng)頂部巖性分析以及對奧陶統(tǒng)富水位置的研究，確定了奧陶統(tǒng)頂部隔水關(guān)鍵層的存在，并且確定其厚度為25m，有效隔水層厚度因此大大增加，從而在理論上證明了開采在不考慮隔水關(guān)鍵層時不能開采的下組5煤是安全的，這也在礦區(qū)的實際開采過程中得到驗證。隔水關(guān)鍵層理論在華北其他礦區(qū)也是有效的，這對于解放下組煤有著重要的意義。

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Feasibility of Mining Lower Coal-seam with Floor Water-pressure at Middle-down Jurassic Period in Weizhou Coalfield

CUIXiang-kun1，HOU Yu-de2，ZHANG Qi1

（1.Resources＆Earth Science School，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221008，China; 2.Danhou Colliery，Weizhou Mining Corporation of Kailuan Group，Weizhou 075700，China）

Taking Danhou Colliery as an example，this paper analyzed hydrological characteristic of Ordovician period and floor water pressure rule of lower coal-seam.Existence condition of key strata against water in top of Ordovician period and its thickness was researched.It calculated depth of floor damage induced bymining and effective aquiclude thickness，predicted water-burst danger and evaluated feasibility ofmining with water pressure.Result showed that about25m thick aquiclude exist in top of lower Ordovician period and it could provide protection formining lower coal influenced by water pressure.

lower coal;key strata againstwater;mining with water pressure

TD823.86

A

1006-6225（2011）04-0048-04

2011－03－29

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃 （973）資助項目 （2007CB209400）

崔祥琨 （1988－），男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向為礦井水害防治技術(shù)。

［責(zé)任編輯:李宏艷］