長平煤礦3＃煤層帶壓開采可行性評(píng)價(jià)

賈亦真，蔣存浩

（1.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083）

長平煤礦位于沁水煤田高平礦區(qū)中西部，距山西省高平市西北約17km，井田面積為43.5km2，主采煤層為3＃、8＃、15＃煤層，現(xiàn)主要開采3＃煤層。井田內(nèi)3＃煤層大部分區(qū)段為帶壓開采，8＃、15＃煤層全部為帶壓開采。目前井區(qū)內(nèi)已揭露或探測(cè)出若干巖溶陷落柱，若這些構(gòu)造將各含水層溝通并導(dǎo)通深部奧灰水，將會(huì)嚴(yán)重威脅到礦井的安全生產(chǎn)，甚至產(chǎn)生災(zāi)難性后果。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤層帶壓開采技術(shù)已進(jìn)行了大量的研究［1—8］，本文在研究各種帶壓開采先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合長平煤礦礦區(qū)實(shí)際水文地質(zhì)條件和生產(chǎn)現(xiàn)狀，采用突水系數(shù)、底板隔水層厚度分析、地質(zhì)構(gòu)造研究等理論聯(lián)系實(shí)際的方法對(duì)長平煤礦3＃煤層帶壓開采進(jìn)行了分區(qū)評(píng)價(jià)和研究，以預(yù)防該礦井突水危險(xiǎn)，提高開采效率。

1 礦井地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)條件

長平煤礦礦井地層?xùn)|部受晉獲褶斷帶影響，總體走向北北東，傾向北西西，傾角為5～12°，在傾向上發(fā)育次一級(jí)的向背斜及斷裂構(gòu)造；礦井西部受沁水盆地南緣東西向構(gòu)造影響變?yōu)闁|西向，局部受局部構(gòu)造應(yīng)力作用變得彎曲。根據(jù)地表出露和井下揭露，在長平煤礦礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的中小型斷層較多，斷距多為5～10 m。此外，井田范圍內(nèi)陷落柱極為發(fā)育，依據(jù)生產(chǎn)揭露，其基本形態(tài)均呈圓至橢圓狀，長軸與短軸最大直徑分別為140m 和116m，其中有兩個(gè)陷落柱局部有出水現(xiàn)象，充水水源均為頂板砂巖裂隙水，最大水量為15～20m3／h，穩(wěn)定水量為3～4m3／h。

1.2 水文地質(zhì)條件

1.2.1 地表水體

礦井及附近主要地表河流為丹河，發(fā)源于礦井以北丹朱嶺西部后溝村西北，從礦井東部邊界處由北向南流過。丹河河水流量受季節(jié)性影響較大，旱季時(shí)水量較小，雨季時(shí)水量增大。

1.2.2 主要含水層

（1）中奧陶統(tǒng)峰峰組（O2f）石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。該含水層隱伏于煤系地層之下，未見出露，其埋藏深度為390～617m左右，由石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及白云巖等組成，為礦井內(nèi)主要含水層，含水層單位涌水量為0.000 7～0.016 3L／（s·m），滲透系數(shù)為0.010 3～0.293 6m／d，水位標(biāo)高為640.73～693.97m，見圖1。

圖1 礦井水文地質(zhì)柱狀圖Fig.1 Hydrogeological histogram

（2）上石炭統(tǒng)太原組（C2t）巖溶裂隙含水層。該含水層由五層石灰?guī)r組成，水位標(biāo)高為667～688 m，見圖1。

（3）下二疊統(tǒng)山西組（P1sh）及K8砂巖裂隙含水層。該含水層為碎屑巖裂隙含水層，水位標(biāo)高為757.45m，見圖1。

（4）基巖風(fēng)化帶裂隙含水層。該含水層的巖性因地而異，風(fēng)化裂隙發(fā)育因巖性、構(gòu)造及地形控制而不同，一般發(fā)育深度在70 m 左右，水位標(biāo)高為887.39～941.63m。

（5）松散層孔隙含水層。該含水層主要由具孔隙的亞黏土、砂、礫石等組成，區(qū)內(nèi)大面積出露，水位標(biāo)高為887.39m。

1.2.3 主要隔水層

石炭系上統(tǒng)太原組（C2t）底部及下統(tǒng)本溪組鋁質(zhì)泥巖、二疊系砂巖含水層層間泥巖為本段主要隔水層，隔水性良好，能隔斷各含水層之間的水力聯(lián)系，起層間隔水作用，見圖1。

2 3＃煤層帶壓開采安全評(píng)價(jià)

2.1 突水系數(shù)

突水系數(shù)是衡量礦井突水可能性大小的一個(gè)數(shù)量指標(biāo)。該指標(biāo)在20世紀(jì)60年代由我國煤炭工業(yè)部組織的焦作會(huì)戰(zhàn)提出，并開始使用突水系數(shù)臨界值概念。突水系數(shù)臨界值主要是通過對(duì)大量突水資料統(tǒng)計(jì)獲得，并一直選用0.06 作為突水系數(shù)臨界值，以此確定煤層底板水壓的安全水頭值。在2009年12月1日起開始實(shí)施的《煤礦防治水規(guī)定》中確定的突水系數(shù)公式為［9］

式中：T 為突水系數(shù)（MPa／m）；P 為底板隔水層承受的水頭壓力（MPa）；M 為隔水層厚度（m）。

本文結(jié)合我國一些突水資料豐富的礦區(qū)總結(jié)出的臨界突水系數(shù)值和《煤礦防治水規(guī)定》對(duì)突水系數(shù)臨界值的界定（底板受構(gòu)造破壞段突水系數(shù)值一般不大于0.06 MPa／m，正常塊段不大于0.10 MPa／m）［9］，并根據(jù)長平煤礦礦井實(shí)際水文地質(zhì)條件和華北型礦井突水系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值，確定長平井田煤層底板最小突水系數(shù)的臨界值為0.06 MPa／m。

2.2 隔水層厚度

3＃煤層位于山西組下部，該煤層直接底板為平均厚約10m 的泥巖和砂質(zhì)泥巖。太原組為一套海陸交互相含煤地層，主要由深灰—灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、灰色砂巖和5層海相薄層石灰?guī)r及6～7層煤層組成，其中除K2、K3和K5薄層灰?guī)r為弱含水層外，其余均為隔水層，隔水層平均厚度約82m。

受采掘活動(dòng)破壞和地質(zhì)構(gòu)造的影響而可能導(dǎo)通的含水層為3＃煤層頂板砂巖裂隙水和底板灰?guī)r承壓水，自下而上主要有奧陶系灰?guī)r和石炭系太原組K2、K3、K5及K6石灰?guī)r，見表1。

表1 各灰?guī)r含水層基本特征一覽表Table 1 Basic features of limestone aquifers

2.3 參數(shù)的選取

根據(jù)突水系數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算可知，3＃煤層底板K2、K3、K5和K6承壓含水層在深部都存在突水危險(xiǎn)性（TS＞0.10 MPa／m），但是由于各含水層厚度小，富水性較弱，與下方的奧陶系灰?guī)r含水層無水力聯(lián)系，且在生產(chǎn)中揭露承壓含水層最大涌水量介于40～207m3／h，按《煤礦防治水規(guī)定》［9］屬于簡單的水文地質(zhì)類型，在可控制范圍之內(nèi)采取疏水降壓等防治水技術(shù)可以進(jìn)行處理。

區(qū)內(nèi)奧陶系灰?guī)r含水層位于3＃煤層底板以下108.4～151.00m，平均值為121.6m，局部富水性強(qiáng)，靜水位標(biāo)高為627m，按照公式（1），并根據(jù)鉆孔資料的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)底板奧陶系灰?guī)r含水層對(duì)3＃煤層的突水系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，具體的計(jì)算結(jié)果和鉆孔分布見圖2。其中，參數(shù)底板隔水層承受的水頭壓力P 根據(jù)水位標(biāo)高和3＃煤層底板標(biāo)高確定；參數(shù)隔水層厚度M 根據(jù)鉆孔資料中3＃煤層底板標(biāo)高和奧陶系灰?guī)r頂面標(biāo)高確定。

2.4 帶壓開采分區(qū)

本文通過參考相關(guān)文獻(xiàn)資料和礦井經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)［10—12］，并結(jié)合本礦井的水文地質(zhì)條件和生產(chǎn)實(shí)際現(xiàn)狀，將采取以下方案對(duì)3＃煤層進(jìn)行帶壓開采分區(qū)：Ⅰ區(qū)不存在底板突水問題；Ⅱ區(qū)可能發(fā)生底板突水危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)在加強(qiáng)礦井防治水工作的前提下進(jìn)行帶壓開采；Ⅲ區(qū)發(fā)生底板突水危險(xiǎn)較大，需對(duì)構(gòu)造異常區(qū)域進(jìn)行深入的探測(cè)研究，并采取可靠的安全技術(shù)措施后才能進(jìn)行帶壓開采；Ⅳ區(qū)是發(fā)生底板突水最危險(xiǎn)的地段，底板突水是不可避免的，只有在采取疏水降壓把突水系數(shù)降低到0.10MPa／m 以下時(shí)才能實(shí)施帶壓開采，見表2。

表2 帶壓開采分區(qū)范圍和標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Partition scope and standards for mining under water pressure

圖2 3＃煤層帶壓開采分區(qū)圖Fig.2 Region division of mining under water pressure in 3＃coal seam

現(xiàn)有國內(nèi)外的相關(guān)生產(chǎn)礦井研究中經(jīng)常采用地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度、突水系數(shù)、富水性等指標(biāo)來劃分帶壓開采區(qū)域［12—20］。根據(jù)長平煤礦的實(shí)際地質(zhì)與水文地質(zhì)條件來分析，突水系數(shù)法為長平煤礦劃分帶壓開采區(qū)域最合理的方法，所以本文將根據(jù)突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)長平煤礦3＃煤層進(jìn)行帶壓開采分區(qū)，即按照公式（1）對(duì)各鉆孔進(jìn)行突水系數(shù)計(jì)算，計(jì)算出突水系數(shù)后按照上述分區(qū)方法依次歸類為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ區(qū)，見圖2。

從突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果（見圖2）可以看出：在整個(gè)礦井范圍內(nèi)，3＃煤層底板奧灰水突水系數(shù)均小于0.06 MPa／m，總的變化趨勢(shì)是井田東北部突水系數(shù)較小，向中部、西北部逐漸變大，突水系數(shù)最大值為0.040 2 MPa／m，小于突水系數(shù)臨界值0.06 MPa／m。因此，可將長平煤礦3＃煤層分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)：①Ⅰ區(qū)為安全區(qū)，主要分布在2203、2602、2702、2803鉆孔東側(cè)，奧灰水位標(biāo)高610～627 m 以東，為不帶壓，其開采基本上不受底板奧灰水的影響，在開采過程中主要受頂板砂巖裂隙水的影響，現(xiàn)已基本回采完畢；②Ⅱ區(qū)為相對(duì)安全區(qū)，主要分布在2203、2602、2702、2803鉆孔西側(cè)，奧灰水位標(biāo)高610～627m 以西，為帶壓開采區(qū)域，但全區(qū)突水系數(shù)值均小于0.06 MPa／m，區(qū)內(nèi)有李家河正斷層，落差20～50m 的兩個(gè)中型陷落柱，都未導(dǎo)通底板高承壓奧灰水，雖與太灰薄層灰?guī)r含水層有水力聯(lián)系，但采取注漿加固或疏水降壓措施后可實(shí)現(xiàn)安全開采，此區(qū)域?yàn)榈V井當(dāng)前主采區(qū)；③Ⅲ區(qū)為相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)，主要分布在井田西南部，雖然該區(qū)突水系數(shù)值均小于0.06 MPa／m，但是區(qū)內(nèi)多發(fā)育大中型陷落柱，此區(qū)域?yàn)橹虚L期規(guī)劃區(qū)，未對(duì)陷落柱做進(jìn)一步的勘探工作，其規(guī)模和富水性不明，需在今后工作中做詳細(xì)的勘探研究，才能制定出相應(yīng)的防治措施。

3 巷道底板及掘進(jìn)工作面突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》和有關(guān)資料［5—7，21］，當(dāng)承壓含水層與開采煤層之間的隔水層能夠承受的水頭值大于實(shí)際水頭值時(shí)，開采后隔水層不容易被破壞，煤層底板水突然涌出的可能性小，可以進(jìn)行帶壓開采，但應(yīng)當(dāng)制定安全措施。長平煤礦3＃煤層主要采用帶壓開采技術(shù)，在采取某些技術(shù)措施后，可實(shí)現(xiàn)安全采掘。但煤層底板突水危險(xiǎn)性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是保障承壓水上安全開采煤層的關(guān)鍵，因此可結(jié)合長平煤礦實(shí)際水文地質(zhì)情況，根據(jù)區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道和回采工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，來預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)在構(gòu)造發(fā)育異常區(qū)段采取相應(yīng)的堵水加固措施后3＃煤層安全帶壓開采的可實(shí)現(xiàn)性。

目前掘進(jìn)巷道和回采工作面底板突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)主要采用突水系數(shù)法和斯列薩列夫公式［20—23］。

3.1 掘進(jìn)巷道底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

斯列薩列夫公式為

式中：t為底板隔水層臨界厚度（m）；L 為巷道底板寬度（m）；P 為底板隔水層承受的水頭壓力（簡稱水壓，MPa）；KP為底板巖石的平均抗拉強(qiáng)度（MPa）；r為底板巖石的視密度（MN／m3）。

參數(shù)的選取和計(jì)算如下：巷道底板寬度L 取5 m；水壓P，依據(jù)研究區(qū)域3＃煤層底板標(biāo)高290～690m，K3、K5和K6水位標(biāo)高為688m，K2水位標(biāo)高為667m，奧陶系灰?guī)r水位標(biāo)高采用研究區(qū)近期水位觀測(cè)結(jié)果627 m，換算成水壓P 分別為0～3.98MPa、0～3.77MPa和0～3.37MPa；依據(jù)煤層底板巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果（礦方數(shù)據(jù)），巖石抗拉強(qiáng)度KP取平均值1.31 MPa；巖石視密度r按巖石組合，取平均 值2.76t／m3，即0.002 76 MN／m3；按照公式（2）以及確定的參數(shù)，取各含水層的最大和最小水壓分別計(jì)算煤層底板相對(duì)于各含水層的安全隔水層厚度，具體計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 3＃煤層底板相對(duì)于各含水層的安全隔水層厚度計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation of the thickness of aquifuges under floors

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，掘進(jìn)巷道底板隔水層臨界厚度最大值為6.15m，3＃煤層底板與含水層最小距離為10.46m，該距離大于隔水層厚度臨界值，表明在無構(gòu)造破壞的正常地段，不會(huì)產(chǎn)生底板突水，構(gòu)不成對(duì)巷道充水影響，各含水層均為安全。此外，井田Ⅱ區(qū)內(nèi)大中型的斷層和陷落柱發(fā)育較少，且都未導(dǎo)通奧灰高承壓含水層，防治難度不大；Ⅲ區(qū)內(nèi)大中型陷落柱較發(fā)育，且無詳細(xì)資料，需進(jìn)一步探測(cè)后才能制定相應(yīng)的防治措施。

3.2 回采工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

《煤礦防治水規(guī)定》附錄五中回采工作面安全水壓值計(jì)算公式為［9］

式中：P 為安全水壓（MPa）；M 為底板隔水層厚度（m）；TS為臨界突水系數(shù)（MPa／m）。

參數(shù)的選取和計(jì)算如下：

臨界突水系數(shù)采用保守值0.06 MPa／m；K3、K5和K6水位標(biāo)高為688m，K2水位標(biāo)高為667m，奧陶系灰?guī)r含水層水位標(biāo)高采用研究區(qū)近期水位觀測(cè)結(jié)果627m，換算成水壓P 分別為0～3.98MPa、0～3.77 MPa和0～3.37 MPa。

按照公式（3）以及確定的參數(shù)計(jì)算3＃煤層回采工作面底板各灰?guī)r含水層突水系數(shù)和安全水壓，其計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 3＃煤層回采工作面底板各灰?guī)r含水層突水系數(shù)和安全水壓計(jì)算結(jié)果Table 4 Results of water inrush coefficients and safety water pressures of limestone aquifers under the working surface in 3＃coal seam

由表4可以看出：太原組上部K5、K6灰?guī)r水分別在447m 和585m 水位標(biāo)高以下，突水系數(shù)和水壓值超出安全范圍，其他灰?guī)r含水層均在安全水壓值范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

本文以長平煤礦3＃煤層為研究對(duì)象，在深入分析長平煤礦地質(zhì)與水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，對(duì)長平煤礦3＃煤層進(jìn)行了底板帶壓開采的分區(qū)，并通過理論分析和數(shù)據(jù)計(jì)算相結(jié)合的方法，采用突水系數(shù)法和斯列薩列夫公式對(duì)3＃煤層底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行了預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，確定了底板高承壓水的影響范圍，為實(shí)現(xiàn)3＃煤層的安全帶壓開采提供了一定的依據(jù)和參考，并得出在采取綜合的預(yù)防治理措施后，實(shí)現(xiàn)3＃煤層的安全帶壓開采是可行的結(jié)論。

［1］Shan，Y.，Y.Qin，W.F.Wang.Chromium leaching mechanism of coal mine water—A modeling study based on Xuzhou-Datun coal mine district［J］.Mining Science and Technology（China），2010，20（1）：97-102.

［2］Hower，J.C.Geologic hazards in coal mining：Prediction and prevention［J］.International Journal of Coal Geology，2005，64（1）：1-2.

［3］Wu，X.，X.G.Wang，X.W.Jiang.A study on coal mining under large reservoir areas［J］.Environmental Geology，2009，57（3）：675-683.

［4］Hang，Y.，G.L.Zhang，G.Y.Yang.Numerical simulation of dewatering thick unconsolidated aquifers for safety of underground coal mining［J］.Mining Science and Technology（China），2009，19（3）：312-316.

［5］趙慶彪.帶壓開采防治水技術(shù)保障體系建設(shè)［J］.中國煤炭，2010，36（1）：98-103.

［6］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.

［7］易海霞，胡家新，洪勇，等.小型煤礦環(huán)境地質(zhì)問題及防治對(duì)策——以湖南漣源地區(qū)為例［J］.安全與環(huán)境工程，2005，12（4）：64-67.

［8］吳見，曹代勇，張繼坤，等.煤炭開采的生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)——以山西省為例［J］.安全與環(huán)境工程，2009，16（3）：18-25.

［9］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.

［10］王劍峻.礦井突水案例分析及帶壓開采分區(qū)［J］.中國礦山工程，2008，37（5）：39-41.

［11］張榮華.新民煤礦井1＃、8＃、9＃煤帶壓開采危險(xiǎn)性分區(qū)［J］.能源技術(shù)與管理，2012（1）：79-82.

［12］王奇生，郭森.帶壓開采分區(qū)劃分方法的研究與探討［J］.太原科技，2008（4）：66-70.

［13］Wo1kersdorfer，C.，R.Bowell.Contemporary reviews of mine water studies in Europe［J］.Mine Water and the Environjrnent，2004，23：161-164.

［14］Singh，R.N.，M.Jankman.Strata monitoring investigations around longwall panels beneath the Cataract Reservoir［J］.Mine Water and the Environment，2001（20）：55-64.

［15］Nevolin，N.V.，B.P.Shilkov，V.M.PotePko.Sudden rock failures in mining coal seams of the Kizel Basin［J］.Jourmal of Mining Science，2003，39（1）：21-28.

［16］Kuznetsov，S.V.，V.A.Trofimov.Hydrodynamic effect of coal seam compression［J］.Journal of Mining Science，2002，39（3）：205-208.

［17］Zhang，J.C.，B.H.Shen.Coal mining under aquifers in China：A case study［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41（4）：629-639.

［18］Salis，M.，L.Duckstein.Mining under a limestone aquifer in southern Sardinia：A multiobjective approach［J］.International Journal of Mining Engineering，1983，1（4）：357-374.

［19］Zhang，Y.，Y.Q.Xue，J.C.Wu.Mechanical modeling of aquifer sands under long-term groundwater withdrawal［J］.Engineering Geology，2012，125：74-80.

［20］王計(jì)堂，王秀蘭.突水系數(shù)法分析預(yù)測(cè)煤層底板突水危險(xiǎn)性的探討［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39（7）：106-110.

［21］宋清坤，呂樂樂.西合煤礦10號(hào)煤層帶壓開采可行性評(píng)價(jià)［J］.中州煤炭，2013（6）：22-24.

［22］高明玉.利用斯列薩列夫公式評(píng)價(jià)巷道底板突水危害［J］.中國礦山工程，2013，42（3）：47-48.

［23］張樂中，許田柱.煤層底板帶壓開采危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法探討［J］.人民長江，2012，43（13）：39-42.