西上莊煤礦15#煤層帶壓開采的分析與研究

趙明宇

（晉控集團(tuán)南煤公司西上莊煤礦，山西陽泉 045000）

近年來煤礦開采過程中多次發(fā)生底板奧灰?guī)r溶水突水案例，如2012年太原東山煤礦發(fā)生突水，突水量達(dá)520m3/h，使一采區(qū)的工作無法進(jìn)行。2018年山西城底礦井760東軌道大巷硐室右?guī)偷装灏l(fā)生涌水，經(jīng)測定涌水量為350m3/h 左右，水壓1.3MPa 左右，幾個小時后涌水量達(dá)到230m3/h 時左右。以上突水案例均是在采動情況下，受底板采動破壞、承壓水頭壓力，以及構(gòu)造發(fā)育帶的影響，奧灰?guī)r溶水涌入礦坑。西上莊煤礦15#煤層的奧陶系灰?guī)r含水層水位較高，且富水性較強，導(dǎo)致15#煤層開開采期間屬于全區(qū)帶壓開采，開采過程中揭露的頂?shù)讓?dǎo)水構(gòu)造的影響下，給15#煤層安全生產(chǎn)造成一定的水害威脅。

1 煤層概況

西上莊煤礦15#煤層厚度2.95～5.12m，平均3.87m，傾角12°。直接頂板均由砂質(zhì)泥巖、泥巖組成，厚0.15～7.40m，平均2.72m，屬Ⅰ-Ⅱ類頂?shù)装澹恢苯拥装宓膸r性與頂板相同，均厚3.63m，其力學(xué)指標(biāo)如表1所示。根據(jù)地質(zhì)填圖、鉆孔揭露發(fā)現(xiàn)和三維地震解釋成果可知，15#煤層內(nèi)共發(fā)現(xiàn)大小斷層3 條，發(fā)育陷落柱2 個。15#煤層賦存的3 條斷層為隱伏張性逆斷層，導(dǎo)水性一般，陷落柱在煤層采動影響下，存在一定導(dǎo)水風(fēng)險。

2 礦井水文地質(zhì)

（1）15#煤層含水層。頂板含水層：15#煤層老頂覆巖為3層堅硬灰?guī)r，編號為K2～K4，總厚度9.42m，裂隙巖溶不發(fā)育，含水層富水性弱，水文地質(zhì)鉆孔及井檢孔抽水試驗資料，表明該含水層最大涌水量23.81m3/h，對15#煤層開采影響不大。

底板含水層：主要為奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層，富水性強，本區(qū)注水試驗滲透系數(shù)K值為0.000655～0.779m/d，單位涌水量0.000455～0.205L/(s·m)。在帶壓區(qū)域，巖溶陷落柱可以成為奧灰含水層導(dǎo)升的通道，導(dǎo)致含水性及導(dǎo)水性均有增加，是該煤層開采水患風(fēng)險的關(guān)鍵。根據(jù)勘探所揭露的鉆孔水位，本煤層底板奧灰水底板標(biāo)高230.87～357.9m，奧灰水位標(biāo)高為421～436m，底板隔水層承受水壓介于1.407～2.790MPa。

（2）15#煤層隔水層。15#煤層的隔水層包括煤層頂板、底板以及K8～K12間隔水層。其中煤層頂板的穩(wěn)固性較好，且具有較好的隔水作用；隔水層厚度較大；K8～K12 間隔水層厚72.6m，由砂質(zhì)泥巖、粉砂巖組成，有效阻斷了上部含水層與煤系各含水層的水力聯(lián)系，具有良好的隔水效果。

3 煤層奧灰水帶壓開采安全性分析

煤層采掘后，圍巖巖體的應(yīng)力平衡遭到破壞，導(dǎo)致含水層天然流場改變，地下水沿導(dǎo)水裂隙涌入礦坑，引發(fā)突水事故。15#煤層的帶壓安全開采最大突水威脅在于底板奧陶系巖溶水，其主要的突水因素包括地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度和隔水底板奧灰水分布狀態(tài)。15#煤層的帶壓安全開采，決定于煤層的賦存條件，包括水文地質(zhì)構(gòu)造、含水層突水風(fēng)險、隔水層性能以及底板斷裂、陷落柱的發(fā)育狀態(tài)。

3.1 煤層底板隔水巖柱分析

15#煤層底部主要由砂質(zhì)泥巖和泥巖組成，從巖性上分析隔水性能良好。本區(qū)除揭露的新生界巖層為松散破碎的散體結(jié)構(gòu)巖體外，礦井井巷圍巖均為砂巖、粉砂巖以及薄層灰?guī)r，以塊狀結(jié)構(gòu)巖體為主，總體評價巖體以中等完整為主，巖體質(zhì)量分類為中等的。

鉆孔揭露15#煤底板隔水層厚64.12～79.60m，平均72.6m，該隔水層的厚度大、抗水性能強，且隔水層底部的鋁土泥巖具有沉積穩(wěn)定、分布均勻的特點，能起到良好的隔水效果。

3.2 底板隔水能力分析

（1）底板隔水層承壓P。15#煤層開采主要水患源自于奧灰?guī)r溶水，底板隔水層承壓的計算公式如式（1）所示。

式中：H——奧灰水位標(biāo)高，m；

h——底板標(biāo)高，m。

（2）安全水頭壓Ps。煤層采煤工作面隔水層所能承受的安全水頭壓力Ps的計算公式如下：

式中：M——底板隔水層厚度，m；

Ts——臨界突水系數(shù)，取值范圍0.06～0.1MPa/m，根據(jù)15#煤層隔水層的賦存狀況，取0.06MPa/m。

通過計算各煤層底板隔水層能夠承受的壓力P與安全水頭壓Ps如表2 所示，15#煤層的安全水壓值大于底板實際承受的水壓值，表明15#煤層奧灰水帶壓開采安全性。

表2 15#煤層安全水頭壓力計算表

3.3 礦山壓力破壞作用分析

礦山壓力對底板的破壞作用主要通過礦山壓力對底板破壞深度（Hp）體現(xiàn)。底板破壞深度是指圍巖受到煤層采動的影響，產(chǎn)生一定形變和位移的破壞裂隙區(qū)域深度，該深度與煤層的頂?shù)装鍘r性、埋藏深度、傾角以及工作面斜長有關(guān)。經(jīng)驗計算公式如式（3）所示。

式中：Hp——采礦擾動底板破壞帶深度，m；

H——開采深度，即底板標(biāo)高，如表2 所示介于230.87～357.9m；

L——工作面斜長，取值245m；

α——煤層傾角，取值12°。

代入數(shù)值算得，15#煤層底板采礦擾動底板破壞帶深度介于26.04～27.11m 之間，遠(yuǎn)小于煤層底板隔水煤巖層厚度64.12～79.60m，即礦井帶壓區(qū)域內(nèi)煤層開采底板的破壞深度不會超過隔水煤巖層厚度。

3.4 帶壓開采分區(qū)

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，依據(jù)煤層突水系數(shù)把帶壓開采分區(qū)分為三個危險分區(qū)，如表3所示。其中Ⅰ區(qū)段斷層發(fā)育簡單，煤層底板抗隔水條件較好，T＜0.06MPa/m，帶壓開采無發(fā)生突水的可能性；T介于0.06～0.1MPa/m 時，危險分區(qū)為Ⅱ區(qū)，該區(qū)域存在突水的風(fēng)險；Ⅲ區(qū)T≥0.10MPa/m，屬于帶壓開采危險區(qū)，需采取防治水工程后方可以進(jìn)行開采。

表3 帶壓開采分區(qū)指標(biāo)表

煤層突水系數(shù)=底板隔水層承壓P/底板隔水，帶入數(shù)據(jù)算得，15#煤層奧灰突水系數(shù)最小值為0.020，最大值為0.035。表明15#煤層的地質(zhì)構(gòu)造較為簡單且煤層底板抗隔水條件較好，屬于Ⅰ區(qū)，具備帶壓開采條件。

4 結(jié)論和建議

通過15#煤層的鉆孔資料進(jìn)行分析表明，15#煤層底板埋深在230.87～357.9m，煤層底板隔水煤巖層厚度64.12～79.60m，該隔水層具有厚度大、抗水性能強、隔水性能好的特點，能起到良好的隔水效果，15#煤層的安全水壓值大于底板實際承受的水壓值。且煤層底板采礦擾動底板破壞帶深度介于26.04～27.11m，遠(yuǎn)小于煤層底板隔水煤巖層厚度。帶壓開采分區(qū)結(jié)果表明，15#煤層為帶壓開采安全區(qū)，具備帶壓開采條件。

15#煤層帶壓開采突水危險性小，但在陷落柱構(gòu)造薄弱部位存在奧灰突水的可能，礦井可在帶壓區(qū)加強對導(dǎo)水構(gòu)造的探測，對于陷落柱構(gòu)造區(qū)應(yīng)采取注漿治理可進(jìn)行帶壓開采。