宏盛聚德煤業(yè)帶壓開采可行性分析

孫 浩，李永軍，程紹強，李 琛

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

0 引言

我國是世界上產(chǎn)煤量最多的國家之一，原煤總產(chǎn)量的90% 以上屬井工開采。然而，我國煤礦地質(zhì)、水文地質(zhì)條件總體來講十分復(fù)雜，受水害威脅的煤炭儲量約占探明儲量的27%，僅華北地區(qū)受底板承壓水威脅的煤炭儲量約為160億噸[1]。

隨著老礦區(qū)可采資源的逐漸枯竭，解放受奧灰水嚴(yán)重威脅的下組煤，是穩(wěn)定老礦區(qū)礦井產(chǎn)能的有效途徑之一[2]。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，煤礦企業(yè)受經(jīng)濟條件制約，很難進行疏水降壓、帷幕注漿等大型的防治水工程，帶壓開采成為受底板灰?guī)r承壓水威脅煤層開采的主要方法，這就為底板突水研究提出了更高更迫切的要求。因此，煤礦底板突水脆弱性預(yù)測和防范，對我國的煤炭工業(yè)的發(fā)展有著重要的意義[3]。

1 煤礦概況

山西柳林聚德煤業(yè)有限公司位于山西省柳林縣城北偏西直距約10 km成家莊鎮(zhèn)聚財塔、吉家塔村，屬柳林縣成家莊鎮(zhèn)管轄。井田呈不規(guī)則多邊形，東西長5.710 km，南北寬5.211 km，礦區(qū)面積16.4362 km2開采深度為510～880 m標(biāo)高。

1.1 地層

井田位于河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)三交勘探區(qū)，柳林國家規(guī)劃礦區(qū)柳林北區(qū)中部，地表大部分被第四系松散層所覆蓋，僅在溝谷中上石盒子組、下石盒子組、山西組及太原組地層零星出露。根據(jù)鉆孔揭露情況，將井田內(nèi)發(fā)育地層由老到新敘述如下：奧陶系中統(tǒng)峰峰組；石炭系中統(tǒng)本溪組；石炭系上統(tǒng)太原組；二疊系下統(tǒng)山西組；二疊系下統(tǒng)下石盒子組；二疊系上統(tǒng)上石盒子組；上第三系上新統(tǒng)；第四系中、上更新統(tǒng)。

1.2 構(gòu)造

井田總體上呈單斜構(gòu)造，地層傾角平緩，走向NNW，傾向SWW，傾角1°～7°。根據(jù)三交勘查區(qū)詳查資料，井田南邊界緊接?xùn)|西走向的聚財塔地塹，地塹北斷層落差200～250 m，傾角為75°，下盤跨越井田東南邊界內(nèi)。受該地塹影響，離邊界10 m左右，發(fā)育1條正斷層，近EW走向，傾向N，落差15 m，傾角75°，延伸長度600 m。

井田西部原大東莊煤業(yè)有限公司4號煤層揭露有1條正斷層，走向NW，傾向SW，落差5 m，傾角85°，延伸長度約110 m。4號煤層總回風(fēng)巷及運輸大巷揭露一個陷落柱，長軸135 m，短軸85m，呈上小下大之勢，夾角約80°。在8號煤集中軌道巷650 m位置揭露一陷落柱，長軸140 m，短軸60 m；8號煤集中運輸巷揭露一個陷落柱，長軸65 m，短軸41 m；8號煤集中軌道巷靠武家山區(qū)域揭露一個陷落柱，長軸40 m，短軸26 m，三個陷落柱均含水，水源為太灰水，不導(dǎo)水。

井田內(nèi)未見巖漿侵入現(xiàn)象，可以判斷，井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜類型為簡單。

1.3 煤層

井田主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組。其中山西組平均厚71.81 m，共含煤6層，自上而下依次為1、2、3 、4、5號煤層；太原組平均厚度86.79 m，共含煤6層，自上而下依次為6、7、8、9、10、11號煤層。其中，可采煤層為4、5、8、9號煤層。

1.4 礦井水文地質(zhì)

1.4.1 地表水

井田內(nèi)無常年性河流,和其它地表水體，幾條大溝谷呈近東西向展布，以大溝谷為主干，構(gòu)成羽狀形態(tài)。雨季時，小溝谷水流匯聚于大溝谷中向西流出井田外，大多情況下，水流途徑短，持續(xù)時間短暫。礦井兼并重組后井口及工業(yè)廣場所在溝底標(biāo)高為847 m，高于該區(qū)域洪水位6 m，井口及工業(yè)場地標(biāo)高又均高于溝底標(biāo)高10 m以上，洪水位線標(biāo)高低于各井口標(biāo)高。

1.4.2 含水層

奧陶系灰?guī)r巖溶含水層：奧陶系地層在井田內(nèi)全部被覆蓋，鉆孔揭露厚度109.1 m，巖性為青灰色、灰-深灰色石灰?guī)r，裂隙較發(fā)育。單位涌水量q=0.40 L/s.m，滲透系數(shù)K=0.45 m/d，含水層富水性中等。

石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層：太原組含水層主要由4～5層石灰?guī)r組成，平均總厚度19.44 m，巖溶裂隙發(fā)育。單位涌水量0.409 L/s·m，滲透系數(shù)K=2.111 m/d，屬中等富水性。

二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層：該含水層以中粗粒砂巖為主，平均厚度12 m左右，含水層裂隙發(fā)育差。單位涌水量為0.082 L/s·m，滲透系數(shù)為0.567 m/d，富水性較弱，在補給條件較好的地段富水性較好。

1.4.3 隔水層

1)山西組隔水層

山西組5號煤以下至太原組第一層灰?guī)r之間是以泥巖為主，砂泥巖交替的一套地層，厚度為8～21 m，連續(xù)穩(wěn)定，泥巖、粘土巖隔水性較好，可視為山西組與太原組之間良好的隔水層。

2)本溪組隔水層

本溪組厚22～38 m，平均厚度29.62 m。巖性主要為泥巖、粘土巖、粉砂巖夾薄層石灰?guī)r，隔水性能好，在發(fā)育穩(wěn)定。井田內(nèi)最下層可采煤層9號煤層至本溪組距離18～30 m，平均22 m，其間以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及煤層組成。泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖也可以起到隔水作用。

2 底板突水影響因素分析

2.1 充水含水層

充水含水層的富水性是指含水層的含水程度或釋放水量的能力。煤層底板突水和底板含水層的富水性有很大關(guān)系。衡量含水層富水性的最主要指標(biāo)是單位涌水量，本井田奧陶系峰峰組灰?guī)r單位涌水量取L15水文地質(zhì)孔抽水試驗所得q=0.40 L/s·m，滲透系數(shù)K=0.45 m/d，富水性中等。

2.2 斷層

井田總體上呈現(xiàn)較平緩的單斜構(gòu)造，井田南部受聚財塔地塹的影響,地層略有抬升,南部邊界附近有一條正斷層,落差15 m，為聚財塔地塹次一級斷層。井田外聚財塔地塹由南北兩條斷層組成，二者相距450 m，斷層走向近東西向，傾向相向，北部斷層傾角70°～75°，落差80～120 m，局部伴生羽狀斷裂。該兩條斷層為張性正斷層，斷距較大，導(dǎo)水能力強，溝通了各含水層間的水力聯(lián)系。

綜合分析認(rèn)為，井田內(nèi)發(fā)育的陷落柱、斷層等可能成為自然導(dǎo)水通道，導(dǎo)通下部含水層進入采掘工作面，故在采掘過程中需加強對斷層、陷落柱的探測工作，采取防范措施防止突水事故發(fā)生。

3 帶壓開采的可行性研究

3.1 研究區(qū)域

帶壓開采主要是針對底板存在較強承壓充水含水層的煤層。由于煤層與底板強巖溶承壓充水含水層之間往往沉積一定厚度的隔水巖體，故對于底板存在充水含水層并沉積有隔水層的煤層，可以優(yōu)先考慮帶壓開采。

井田范圍內(nèi)奧灰水位標(biāo)高794～802 m，對于低于奧灰水位標(biāo)高的區(qū)域存在帶壓開采問題，故需要進行安全回采設(shè)計。以解決4號煤層所在區(qū)域帶壓開采為例：

圖1 4號煤層存在帶壓開采問題區(qū)域

3.2 脆弱性指數(shù)法評價

3.2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)對聚德煤業(yè)的地質(zhì)、構(gòu)造、水文等條件的分析，確定出該礦區(qū)底板突水的主要控制影響因素及其層次結(jié)構(gòu)模型如下圖所示：

圖2 底板脆弱性評價層次結(jié)構(gòu)模型

3.2.2 構(gòu)造判斷矩陣

在底板突水脆弱性評價這一目標(biāo)(A)下， 構(gòu)造各準(zhǔn)則層Bi的相對重要性的兩兩比較判斷矩陣，運用MATLAB強大的計算功能計算判斷矩陣各因素的權(quán)重，并檢驗一致性。通過MATALAB程序，就可以方便地對層次分析判斷矩陣進行計算，進而進行層次排序及一致性檢驗。目標(biāo)層A與準(zhǔn)則層Bi的判斷矩陣及特征向量為：在B準(zhǔn)則層下，構(gòu)造各評價級別的相對重要性的兩兩比較判斷矩陣(Bi～C)。判斷矩陣一致性指標(biāo)CI與一致性比例CR，存在的CR值都小于0.1，各組判斷矩陣均具有令人滿意的一致性，可通過一致性檢驗。

3.2.3 底板突水主控因素數(shù)據(jù)采集、量化及專題圖的建立

首先將收集到的鉆孔數(shù)據(jù)(如水壓、巖性、巖石破碎率等)和現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)(斷層、節(jié)理統(tǒng)計等)的坐標(biāo)及量化值等輸入到GIS中，利用GIS的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分類以及數(shù)據(jù)更新等功能，生成相應(yīng)的離散型數(shù)據(jù)文件；利用GIS強大的空間數(shù)據(jù)分析處理功能對網(wǎng)格進行剖分、插值等處理，生成連續(xù)型柵格文件；然后對柵格文件數(shù)值進行歸一化處理；最終把歸一化后的結(jié)果以圖形的形式顯示出來，并通過圖形輸出系統(tǒng)輸出專題圖。

Ai為歸一化處理后的數(shù)據(jù)，a，b分別為歸一化范圍的下限和上限，本文取0和1，x為歸一化前的原始數(shù)據(jù)。Min(xi)和min(xi)分別為各主控因素量化值的最大值和最小值。

把各控制因素的信息儲存層復(fù)合成一個信息存儲層中包含所有相關(guān)因素的信息，然后依據(jù)突水脆弱性指數(shù)模型所確定的準(zhǔn)則，把各單因素歸一化專題復(fù)合疊加合成一個新的圖形并重建拓?fù)湫纬尚碌耐負(fù)潢P(guān)系屬性表，再經(jīng)歸一化處理后所生成的圖形即為煤層底板突水脆弱性指數(shù)分布圖。

圖3 4號煤層脆弱性指數(shù)法評價分區(qū)圖

3.3 突水系數(shù)法評價

針對研究區(qū)4號煤層，利用突水系數(shù)法[4]對其底板奧陶系灰?guī)r含水層的突水危險性進行評價分析。為充分利用現(xiàn)有資料，在計算各點突水系數(shù)時主要考慮了聚德煤業(yè)提供的4號煤層，隔水層厚度圖和根據(jù)鉆孔及其他地質(zhì)資料。

利用鉆孔資料和其他地質(zhì)資料，對4號煤層底板至奧陶系灰?guī)r頂界面之間隔水層厚度分別進行了統(tǒng)計。最終利用突水系數(shù)法算出點4號煤層底板奧陶系灰?guī)r突水的突水系數(shù)值，然后插值生成研究區(qū)突水系數(shù)等值線圖(圖4)。

圖4 4號煤層突水系數(shù)等值線圖

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》[5]，在構(gòu)造發(fā)育地段臨界突水系數(shù)值為0.06 MPa/m；在正常地段臨界突水系數(shù)值為0.1 MPa/m。根據(jù)實際情況，為安全考慮，取臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m。由圖4 與圖5可以看出，4號煤層整個井田區(qū)域，突水系數(shù)均小于0.06 MPa/m，全區(qū)屬于較安全區(qū)域。

圖5 4號煤層底板突水危險性評價分區(qū)圖

4 結(jié)論

脆弱性指數(shù)法作為一個對全區(qū)進行相對性評價的方法，它考慮多種因素的綜合作用，能較為全面細(xì)致地反映不同區(qū)域的相對脆弱關(guān)系。突水系數(shù)法是傳統(tǒng)的評價方法，考慮因素較少。

1)從4號煤層底板奧灰突水系數(shù)評價分區(qū)圖(圖5)可以看出： 4號煤層距離奧灰含水層較遠(yuǎn)，最厚處隔水層達145.38m，水壓為1～3Mpa。單從4號煤層底板隔水層厚度和隔水層承受水壓這兩個因素考慮，最后得出全區(qū)安全的結(jié)論。

2)從4號煤層底板奧灰突水脆弱性評價分區(qū)圖(圖3)可以看出：井田西部大部分為相對安全區(qū)，東部大部分為較安全區(qū)；另外，在斷層、褶皺軸等構(gòu)造分布區(qū)域突水可能性較大。此結(jié)果是綜合考慮了4號煤層底板隔水層有效厚度、礦壓破壞帶以下脆性巖厚度、斷層與褶皺分布、斷層與褶皺交點分布、奧灰含水層的富水性、奧灰含水層的水壓后得出，相對于傳統(tǒng)突水系數(shù)法僅考慮兩個因素，脆弱性指數(shù)法考慮更全面。

[1] 白喜慶，白海波，沈智慧.新驛煤田奧灰頂部相對隔水性及底板突水危險性評價[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(2)：273-280.

[2] 慕秀琴.力拓煤礦下組10、11號煤層帶壓開采安全性評價[J].中國煤炭地質(zhì)，2012,24(11)：43-47.

[3] 牛建立.煤層底板采動巖水耦合作用與高承壓水體上安全開采技術(shù)研究[M].北京: 煤炭科學(xué)研究院，2008.

[4] 李彩惠，帶壓開采防治水技術(shù)及研究方向[J].煤礦開采，2010,15(1)：47-49.

[5] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局．國家煤礦安全監(jiān)察局．煤礦防治水規(guī)定[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2009．