正利煤業(yè)4-1 號(hào)煤層底板奧灰含水層突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分析

王 杰

（山西焦煤集團(tuán) 嵐縣正利煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033500）

1 概 況

山西焦煤集團(tuán)嵐縣正利煤業(yè)生產(chǎn)能力為150 萬(wàn)t/a，礦井屬于低瓦斯礦井，水文地質(zhì)類型為中等，目前開(kāi)采4 號(hào)和4-1號(hào)煤層，煤層自燃傾向性為自燃煤層。4-1號(hào)煤層厚度為2.47～3.80 m，平均厚度為3.25 m，煤層內(nèi)部含有1 層夾矸，夾矸層平均厚度為0.3 m，煤層平均傾角為6°，煤層頂板巖層為炭質(zhì)泥巖和泥巖，底板巖層為砂質(zhì)泥巖、4 號(hào)煤層和細(xì)粒砂巖。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，影響4-1號(hào)煤層回采的主要含水層為底板奧灰含水層，4-1號(hào)煤層回采屬于帶壓開(kāi)采，奧灰含水層的主要補(bǔ)給水源為大氣降水的垂直滲入和周邊河流滲漏段，含水層屬于強(qiáng)富水含水層，4-1號(hào)煤層與底板奧灰含水層間的平均間距為135 m。為保障4-1號(hào)煤層安全回采，進(jìn)行底板含水層突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分析。

2 煤層開(kāi)采底板破壞深度分析

在進(jìn)行煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分析時(shí)，煤層開(kāi)采后引起的底板礦壓破壞范圍的確定尤為重要。采用RAPA-2D 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行煤層回采底板破壞深度的模擬分析，建立模型長(zhǎng)×高=250 m×230 m，模型頂部施加等效荷載7.75 MPa，模型劃分單元數(shù)為250×230，模型中各巖層的力學(xué)參數(shù)依據(jù)該礦地質(zhì)報(bào)告進(jìn)行具體賦值。

模擬4-1號(hào)煤層回采時(shí)，依據(jù)工作面采煤截深0.8 m，每天割煤10 刀進(jìn)行計(jì)算，確定開(kāi)挖步距為8 m，共計(jì)進(jìn)行20 步的開(kāi)挖作業(yè)，具體數(shù)值模擬的力學(xué)模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模擬力學(xué)模型示意Fig.1 Mechanical model of numerical simulation

分別對(duì)工作面回采推進(jìn)8、24、64、96、120、156 m 進(jìn)行模擬分析，工作面回采不同距離下的底板破壞演化規(guī)律如圖2 所示。

圖2 工作面回采不同距離下底板破壞演化規(guī)律Fig.2 Floor failure evolution lawunder different mining distances in working face

分析圖2 可知，4-1號(hào)煤層回采期間，隨著回采作業(yè)的進(jìn)行，工作面底板礦壓破碎帶的深度和范圍在逐漸增大，在工作面回采至96 m 時(shí)，煤層底板礦壓破壞范圍已增大至24 m，隨著工作面進(jìn)一步回采作業(yè)的進(jìn)行，工作面底板破壞帶的深度不再發(fā)生變化，仍然保持在24 m 左右。據(jù)此可知，4-1號(hào)煤層回采引起的初次來(lái)壓和周期來(lái)壓對(duì)底板巖層的破壞深度約為24 m。

另外考慮到煤層開(kāi)采期間，回采工作面面長(zhǎng)不同，采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行工作面開(kāi)采寬度在80～200 m 范圍內(nèi)工作面回采期間底板巖層破壞深度的模擬分析。數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著工作面開(kāi)采寬度的增大，底板巖層的破壞深度也在逐漸增大，但當(dāng)工作面寬度大于160 m 時(shí)，底板巖層的破壞深度不再增加，底板巖層破壞深度的范圍為18～26 m。

3 突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

根據(jù)4-1號(hào)煤層的賦存特征，采用“五圖系數(shù)法”進(jìn)行可采煤層底板突水危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方法中的五圖包括底板保護(hù)層破壞深度等值線圖、底板保護(hù)層厚度等值線圖、煤層底板上的水頭等值線圖、有效保護(hù)層厚度等值線圖和帶壓水頭壓力開(kāi)采評(píng)價(jià)圖，評(píng)價(jià)方法中的系數(shù)為帶壓系數(shù)和突水系數(shù)。

（1） 煤層底板礦壓破壞帶和保護(hù)層厚度。根據(jù)4-1號(hào)煤層回采期間底板巖層破壞深度的數(shù)值模擬分析結(jié)果，結(jié)合礦井內(nèi)鉆孔的地質(zhì)資料，井田內(nèi)4-1號(hào)煤層底板礦壓破壞深度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 4-1 號(hào)煤層底板礦壓破壞深度值數(shù)據(jù)Table 1 Data of floor pressure failure depth of No.4-1 coal seam

4-1號(hào)煤層底板保護(hù)層的厚度為煤層底板標(biāo)高減去含水層頂板的標(biāo)高，結(jié)合數(shù)值模擬和地質(zhì)資料能夠得出底板礦壓破壞帶厚度等值線圖和底板保護(hù)層厚度等值線圖，如圖3、圖4 所示。

圖3 底板礦壓破壞帶Fig.3 Floor rock pressure failure zone

圖4 保護(hù)層厚度Fig.4 Thickness of protective layer

（2） 底板有效保護(hù)層厚度。底板有效保護(hù)層的厚度為保護(hù)層厚度減去底板礦壓破壞帶的深度，如圖5 所示。

圖5 4-1 號(hào)煤層底板有效保護(hù)層厚度等值線圖Fig.5 Thickness contour map of effective protective layer on No.4-1coal seam floor

（3） 底板水頭等值線圖。根據(jù)礦井鉆孔地質(zhì)資料統(tǒng)計(jì)分析，能夠得出灰?guī)r含水層頂界面的標(biāo)高，再根據(jù)含水層水位監(jiān)測(cè)孔的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)即可得到含水層水位標(biāo)高的變化情況，4-1號(hào)煤層底板水頭值即用含水層的水位標(biāo)高減去灰?guī)r頂界面的標(biāo)高，現(xiàn)采用水柱高度作為底板水頭，如圖6 所示。

圖6 4-1 號(hào)煤層底板水頭等值線圖Fig.6 Contour map of floor water head of No.4-1 coal seam

（4） 帶壓系數(shù)和突水系數(shù)。帶壓系數(shù)值計(jì)算方法為煤層底板總體抗壓強(qiáng)度與保護(hù)層厚度間的比值，根據(jù)礦井鉆孔資料的統(tǒng)計(jì)分析，得出4-1號(hào)煤層底板帶壓系數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 4-1 號(hào)煤層底板帶壓系數(shù)Table 2 Pressure coefficient of floor of No.4-1 coal seam

突水系數(shù)的計(jì)算主要是通過(guò)煤層底板水頭與底板有效保護(hù)層間厚度的比值確定，基于井田范圍內(nèi)的鉆孔數(shù)據(jù)，采用地質(zhì)軟件surfer 的等值線計(jì)算功能，計(jì)算得出帶壓系數(shù)等值線圖，通過(guò)得到底板水頭等值線圖和底板有效保護(hù)層厚度等值線圖，將其進(jìn)行比值即得到突水系數(shù)等值線圖，如圖7 所示。

圖7 4-1 號(hào)煤層底板帶壓系數(shù)和突水系數(shù)等值線圖Fig.7 Conisogram of floor pressure coefficient and water inrush coefficient of No.4-1 coal seam

（5） 基于突水系數(shù)與帶壓系數(shù)的比值大小，采用ArcGIS 區(qū)域賦值功能，將煤層范圍內(nèi)比值系數(shù)大于1 的區(qū)域劃分為安全區(qū)，將比值系數(shù)小于1的區(qū)域劃分為危險(xiǎn)區(qū)，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 4-1 號(hào)煤層底板奧灰?guī)洪_(kāi)采評(píng)價(jià)分區(qū)Fig.8 Evaluation zone of pressure mining of Ordovician limestone belt in No.4-1 floor of coal seam

4 防治水建議

針對(duì)井田北部底板突水危險(xiǎn)區(qū)域，主要采取以下措施。

（1） 在該區(qū)域進(jìn)行采掘活動(dòng)時(shí)，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注采掘工作面情況及涌水量變化情況，加強(qiáng)井下采掘工作面超前探放水的工作。

（2） 綜合采用鉆探、物探等技術(shù)手段，查清煤層底板裂隙密集發(fā)育帶及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜帶，分析導(dǎo)水構(gòu)造部位的導(dǎo)水性能。

（3） 對(duì)于有效隔水層厚度較小的區(qū)域，采取隔水層注漿加固改造措施，增加有效隔水層厚度，在必要時(shí)應(yīng)留設(shè)放水煤（巖） 柱。斷層緩沖區(qū)、構(gòu)造端點(diǎn)和交叉點(diǎn)區(qū)域除應(yīng)加強(qiáng)探測(cè)作業(yè)外，需采取疏導(dǎo)含水層中的承壓水、注漿封堵加固和合理留設(shè)放水煤（巖） 柱的方式進(jìn)行防治水。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)正利煤業(yè)井田范圍內(nèi)4-1號(hào)煤層的賦存特征，通過(guò)數(shù)值模擬軟件得出煤層回采后底板巖層破壞深度的范圍為18～26 m，結(jié)合井田內(nèi)地質(zhì)鉆孔資料，采用“五圖系數(shù)法”進(jìn)行底板奧灰含水層突水危險(xiǎn)區(qū)域的分析。根據(jù)分析結(jié)果得出，煤層回采期間，井田大部分區(qū)域均處于安全區(qū)，僅井田中北部和東北部?jī)蓧K危險(xiǎn)區(qū)域，并提出了相應(yīng)防治水建議。