淺述擔水溝煤礦9層煤帶壓開采的可行性

摘 要：對擔水溝煤礦水文地質(zhì)進行簡要闡述，結(jié)合斯列沙遼夫公式對補勘鉆孔隔水層底板的臨界水壓值、隔水層底板的臨界厚度進行計算，并與隔水層底板的實際水壓值、隔水層底板的實際厚度進行比較來判斷9層煤帶壓開采可行性。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)；斯列沙遼夫公式；隔水層底板的臨界水壓值；隔水層底板的臨界厚度；隔水層底板的實際水壓值；隔水層底板的實際厚度

擔水溝煤礦井田位于管涔山脈東麓，地表大部為黃土覆蓋，溝谷中有二疊系上統(tǒng)上石盒子組、二疊系下統(tǒng)下石盒子組、二疊系下統(tǒng)山西組及石炭系上統(tǒng)太原組部分基巖出露，根據(jù)該礦范圍內(nèi)地層出露情況及鉆孔揭露的地層情況，由老到新分述如下：奧陶系中統(tǒng)馬家溝組（O2m）、石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）、二疊系（P）及第四系（Q）等。大、中型斷層較發(fā)育，小斷層眾多；礦井地質(zhì)條件分類評價構(gòu)造復(fù)雜程度為Ⅱ類。

1 礦井水文地質(zhì)概況

1.1 礦區(qū)地表水

井田邊界內(nèi)無地表水體，井田東部邊界外有馬關(guān)河經(jīng)過，井田內(nèi)大小溝谷平時基本干枯無水，唯雨季時才匯集洪水沿溝排泄至馬關(guān)河，為季節(jié)性河流，屬海河流域永定河水系桑干河支系。

1.2 地下水類型及巖層含水性

井田總體為一寬緩的向斜構(gòu)造，向斜軸位于井田中北部，軸向近NW～EW向，井田大部位于向斜南翼。地層總體上南部高北部低，地下水順層由南向北流動。按地層巖性和含水介質(zhì)的組合特征地下水分為松散層孔隙水、砂巖裂隙水和奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水等三種類型。

本區(qū)基巖裂隙水在露頭區(qū)和蘆子溝背斜補給區(qū)，向較大的向斜部位（寧武向斜、下窯子向斜等）徑流，地下水從無水區(qū)-潛水區(qū)-承壓或局部自流區(qū)過渡。較大向斜軸部的基巖裂隙水含水層匯水條件好，相對富水。蘆子溝背斜以東和以南地區(qū)的基巖裂隙水的天然排泄途徑是寧武向斜的馬關(guān)河谷及西部的七里溝谷和個別溝谷的局部地段，以泉點和散泉排泄，最后在礦區(qū)南部通過擔水溝斷層帶側(cè)排向朔州平原。

1.3 含水層

在井田內(nèi)煤系地層以上及煤系地層均存在含水層，地表黃土覆蓋又因其間有泥巖作為相對隔水層，不易接受上覆含水層越流和大氣降水滲入，補給條件差。含水層一般為極弱富水程度，涌水量小，滲透系數(shù)小，對礦床充水甚微，對安全生產(chǎn)尚不能造成威脅。

在煤系地層以下有奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，奧灰?guī)r溶普遍發(fā)育，富水性達到強至極強程度。根據(jù)補6、補7號孔奧陶系灰?guī)r含水層抽水試驗，水位標高分別為1053.205、1053.653m。

根據(jù)補6、補7號水文孔水位資料，水力坡度按1‰估算，推測本井田奧灰水位標高為1051.50～1054.50m，礦區(qū)巖溶水大致流向為由東北向西南徑流。

綜合以上敘述，除奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層以外，其它含水層均含水量有限，通過裂隙、疏放孔可以疏放，采取一定措施可以治理，只有奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層使礦井北部帶壓開采且目前沒有很好的治理手段，一旦發(fā)生事故，后果十分嚴重。

1.4 井田隔水層劃分

1.4.1 本溪組隔水層組。本溪組下部巖性為泥巖、粘土巖和鋁土巖，夾薄煤層。平均厚度約27.70m，該層隔水性能好，巖性致密完整，區(qū)域穩(wěn)定性好，是奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水與上覆煤系地層裂隙水之間的較穩(wěn)定隔水層。

1.4.2 太原組、山西組隔水層組。為夾于煤層和砂巖之間的泥巖及炭質(zhì)泥巖，厚度變化較大且不太穩(wěn)定。各層泥巖巖性致密較完整，使太原組、山西組各砂巖裂隙含水層、灰?guī)r裂隙含水層之間水力聯(lián)系減弱，形成多個層間含水層，泥巖及炭質(zhì)泥巖起隔水作用。

2 帶壓開采可行性計算

礦井成立以前在本井田內(nèi)共施工鉆孔26個，周邊施工鉆孔13個，共施工鉆孔39個，這些鉆孔均未施工到奧陶系，有關(guān)計算均采用估算進行，這樣精度、可信度均難以保證。2010年9月-2011年4月中國煤炭地質(zhì)總局一七三勘探隊，在本井田進行了補充勘探，共施工鉆孔7個，工程量3279.09m，其中，2個水文孔（補6、補7），1個工程孔（補3），其余為4個為地質(zhì)孔。水文孔補6和補7終孔層位為奧灰150m，其余孔的終孔層位都為奧灰10m。并編制了《山西中煤擔水溝煤礦補充勘探地質(zhì)報告》。本次計算就針對補勘的7個鉆孔進行，數(shù)據(jù)均為實測，通過每個鉆孔的計算情況來判斷全區(qū)的帶壓開采可行性。

2.1 突水系數(shù)計算

根據(jù)公式：Ts=p/M （1）

式中：Ts-突水系數(shù)（Mpa/m）；p-隔水層底板承受的水壓值（Mpa）

就全國實際資料來看，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06Mpa/m，正常塊段突水系數(shù)一般不大于0.1Mpa/m。如小于0.06Mpa/m，就可以認為在底板受構(gòu)造破壞塊段是可以開采的，是安全的；如大于0.06Mpa/m，小于0.1Mpa/m，可以認為在正常塊段可以開采，是安全的。

2.2 根據(jù)斯列沙遼夫公式

H臨=2Kpt2/L2+rt （2）

t臨=L（■-rL）/4Kp （3）

式中：H臨-隔水層底板的臨界水壓值（t/m2）；t臨-隔水層底板的臨界厚度（m）；L-采區(qū)巷道底寬或回采工作面的最大控頂距（m）；Kp-底板隔水層巖石的抗張強度（t/m2）；r-底板隔水層巖石的容重（t/m3）；H-作用于隔水層底板的水壓值（t/m2）。

根據(jù)上兩式算出的臨界值，與礦井實際存在水壓值及隔水層厚度比較，如：

（1）作用于隔水層底板的實際水壓值小于H臨，但實際的底板隔水層厚度大于t臨，則可認為底板穩(wěn)定，一般可以正常采掘。（2）作用于隔水層地板的實際水壓值小于H臨，而實際的底板隔水層厚度小于t臨，則可認為底板不穩(wěn)定，要保證安全生產(chǎn)，必須采取安全措施。（3）作用于隔水層底板的實際水壓值大于H臨，而實際的底板隔水層厚度也大于t臨，則可認為底板基本上是穩(wěn)定的，但在巖石比較破碎地段，要采取安全措施。（4）作用于隔水層底板的實際水壓值大于H臨，而實際的底板隔水層厚度小于t臨，則可認為底板極不穩(wěn)定，要保證安全生產(chǎn)，必須采取安全措施。

2.3 公式中取值情況說明

根據(jù)中國煤炭地質(zhì)總局一七三勘探隊編制了《山西中煤擔水溝煤礦補充勘探地質(zhì)報告》9煤層底板以下至奧陶系頂面主要隔水層巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖或砂質(zhì)泥巖、細砂巖，巖性致密，裂隙不發(fā)育，工程地質(zhì)條件復(fù)雜程度為中等，結(jié)合現(xiàn)有井下開采實際情況，公式中主要參數(shù)分別為：

Kp-取隔水層最小平均抗張強度83t/m2；r-取隔水巖石的平均容重3.15t/m3；L-掘進工作面取5m，回采工作面取30m；t-隔水層底板厚度是取太原組9煤以下和整個本溪組，具體數(shù)值是根據(jù)鉆孔實測的數(shù)據(jù)，詳見表1。

通過計算，可以看出除補6以外，突水系數(shù)均小于0.06Mpa/m，鉆孔基本參數(shù)及突水系數(shù)計算見表1，可以說9層煤在底板受構(gòu)造破壞塊段開采是安全的。由于補6鉆孔在井田西部邊界以外，只作為一個參考，但在井田邊界以內(nèi)的鉆孔的突水系數(shù)由東往西是逐漸增大的，開采的危險性也是逐漸增大的。

通過對7個鉆孔隔水層底板的臨界水壓值計算，隔水層底板的臨界水壓值計算值及與隔水層底板的實際水壓值比較詳見表2，可以看出不論在掘進期間，還是采煤期間隔水層底板的實際水壓值遠小于隔水層底板的臨界水壓值，因此可以說9層煤的開采是安全的。

通過對隔水層底板能承受相應(yīng)水壓的臨界厚度值計算及與隔水層底板實際厚度值比較（見表3），可以看出不論是掘進期間，還是回采期間隔水層底板能承受相應(yīng)水壓的臨界厚度值均小于隔水層實際厚度值。因此，可以說9層煤的開采是安全的。

3 結(jié)論

根據(jù)補勘的7個鉆孔的突水系數(shù)計算后得知，在井田內(nèi)9煤層突水系數(shù)均小于0.06Mpa/m，可以說9層煤在底板受構(gòu)造破壞塊段開采是安全的，不受突水威脅。

通過斯列沙遼夫公式計算，對補勘的7個鉆孔的承壓含水層與9煤層之間的隔水層能承受的水壓值大于實際水壓值，承壓含水層與9煤層之間的隔水層能承受的水壓值的臨界厚度值小于實際厚度值。因此，可以說9層煤的底板是穩(wěn)定的，正常采掘是安全的，不受突水威脅，是可行的。