麻家梁礦帶壓開(kāi)采安全評(píng)價(jià)

白云飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000）

山西寧武煤田麻家梁井田面積104.287 7 km2,目前主采山西組4 號(hào)煤層、未來(lái)將采掘太原組9 號(hào)煤層，為年產(chǎn)量1 200 萬(wàn)t 的特大型煤礦。4 號(hào)煤和9 號(hào)煤采掘時(shí)承受的奧陶系上馬家溝組厚層灰?guī)r含水層水壓平均值為4.67 MPa，由于水壓較高致使2 個(gè)煤層開(kāi)采時(shí)均不同程度面臨著底板奧陶系灰?guī)r突水的威脅。同時(shí)在地質(zhì)構(gòu)造和采煤擾動(dòng)及高水壓聯(lián)合作用下，使得底板奧陶系灰?guī)r突水可能性大大增加。此次分別基于標(biāo)高比對(duì)法、斯氏公式法、突水系數(shù)法對(duì)煤層帶壓開(kāi)采情況進(jìn)行了突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

1 區(qū)域巖溶含水層概況

麻家梁井田內(nèi)鉆孔揭露的含水層組最大厚度203 m，巖性以灰色、淺灰色石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，以溶隙和溶孔為主要形態(tài)。根據(jù)埋深分為上、中、下3 個(gè)含水層段。

上含水層段距奧陶系灰?guī)r頂界面約22.80 m，發(fā)育較穩(wěn)定，巖溶裂隙帶厚0.60 ～16.50 m。區(qū)內(nèi)鉆孔抽水試驗(yàn)及簡(jiǎn)易抽水資料確定的單位涌水量在0.000 58 ～1.107 3 L/（s·m），該含水層段的富水性屬于弱—中等—強(qiáng)，具富水性不均一的特征滲透系數(shù)位于0.003 3 ～8.832 m/d，透水性屬于極弱—弱—中等程度。

中含水層段距奧陶系灰?guī)r頂界面23.75 ～57.00 m，發(fā)育不穩(wěn)定。巖溶裂隙帶厚0.80 ～11.20 m。從鉆孔沖洗液消耗量、巖芯采取率、物探測(cè)井及巖芯情況來(lái)看，該含水層段巖溶裂隙平面上發(fā)育不均一，總體上富水性弱。

下含水層段距奧陶系灰?guī)r頂界面約46.60 ～106.85 m，發(fā)育較穩(wěn)定。巖溶裂隙帶厚0.60 ～13.40 m。鉆孔抽水試驗(yàn)資料計(jì)算的單位涌水量1.049 L/（s·m)，富水性強(qiáng)，但平面上具分布不均勻的特征。

總之，奧陶系上馬家溝組含水層組巖溶裂隙的發(fā)育強(qiáng)弱不等，富水性平面上分布極不均一，垂向上具有分段性特征。到2020 年4 月9 日含水層組區(qū)域內(nèi)水位標(biāo)高為+1 028.52—+1 069.20 m，水壓在3.322 ～6.030 MPa；滲透系數(shù)介于0.003 3 ～8.832 0 m/d，上馬家溝組灰?guī)r含水層的透水性屬于極弱—弱—中等程度，單位涌水量0.005 8 ～1.107 3 L/（s·m)，屬于弱—中等—強(qiáng)，富水必分布不均一。

2 充水條件分析

2.1 底板擾動(dòng)破壞深度

煤層底板擾動(dòng)破壞產(chǎn)生的裂隙，既會(huì)縮小煤層與下伏含水層的有效隔水層厚度，也會(huì)降低底板巖層的隔水能力，從而造成底板含水層突水。同時(shí)，底板擾動(dòng)破壞裂隙存在延展貫通原生構(gòu)造裂隙的可能，同時(shí)也可能使得原生構(gòu)造裂隙更為發(fā)育，從而誘發(fā)構(gòu)造突水。

煤層底板擾動(dòng)破壞深度（Cp） 的估算一般也采用經(jīng)驗(yàn)公式法：

式中：L為工作面寬度，m。

采取2 種計(jì)算方法的最大值作為最終的底板擾動(dòng)破壞深度，經(jīng)計(jì)算，麻家梁礦4 號(hào)煤層底板擾動(dòng)破壞深度在17.26 ～30.37 m，均值為26.35 m。目前9 號(hào)煤層尚未開(kāi)采，其值可比照4 號(hào)煤取值。

2.2 有效隔水層厚度分析

上馬家溝組含水層與4 號(hào)煤層之間由平均厚度123.19 m 的巖層相隔，為4 號(hào)煤層的間接充水水源。該含水層組對(duì)煤層采掘的影響決定于4 號(hào)煤層底至奧陶系灰?guī)r頂界面的距離，即底板隔水層厚度。經(jīng)計(jì)算后，4 號(hào)煤底板有效隔水層厚度均大于底板擾動(dòng)深度，正常情況下4 號(hào)煤采掘受下伏馬家溝組厚層灰?guī)r含水層組的影響不大。但在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育地帶，受采煤擾動(dòng)的影響，存在上馬家溝組灰?guī)r含水層地下水突入采掘工作面可能。因此，4 號(hào)煤層采掘時(shí)須重點(diǎn)提防地質(zhì)構(gòu)造引起的底板突水。

上馬家溝組含水層與9 號(hào)煤層之間有鋁土質(zhì)泥巖相隔，為9 號(hào)煤的間接充水水源。底板隔水層厚度與底板擾動(dòng)破壞深度差值即為9 號(hào)煤底板有效隔水層厚度，經(jīng)計(jì)算，9 號(hào)煤底板有效隔水層厚度均大于底板擾動(dòng)破壞深度。但在底板擾動(dòng)破壞作用下，9 號(hào)煤底板有效隔水層厚度變小并且?guī)r層隔水性能降低，一些地帶將難以承受上馬家溝組含水層高水壓的作用，導(dǎo)致底板突水事故的發(fā)生。其次，在地質(zhì)構(gòu)造展布地帶，其巖層中的斷裂和裂隙較為發(fā)育，一旦與底板擾動(dòng)破壞裂隙貫通也會(huì)發(fā)生底板突水。另外，在采煤擾動(dòng)作用下，巖層中的構(gòu)造斷裂和裂隙將更為發(fā)育，底板突水可能性將大大增加。因此，9 號(hào)煤層采掘過(guò)程中全時(shí)域受到底板奧陶系厚層灰?guī)r含水層地下水的突水威脅。

3 充水途徑分析

3.1 底板擾動(dòng)破壞裂隙

4 號(hào)煤采掘底板擾動(dòng)破壞深度在17.26 ～30.37 m，均值為26.35 m，其產(chǎn)生的裂隙將貫穿下伏的K4砂巖含水層，但由于K4含水層富水性弱，底板擾動(dòng)破壞裂隙對(duì)4 號(hào)煤開(kāi)采的影響不大。如9 號(hào)煤采掘底板擾動(dòng)破壞深度也按26.35 m 計(jì)，其產(chǎn)生的裂隙將穿透下伏太原組巖層至本溪組巖層，使得底板高水壓奧灰含水層突水的概率大大提高。尤其是底板擾動(dòng)破壞裂隙一旦與地質(zhì)構(gòu)造的斷裂和裂隙貫通也會(huì)誘發(fā)底板突水；同時(shí)采煤底板擾動(dòng)將使地質(zhì)構(gòu)造的斷裂和裂隙更為發(fā)育，底板突水可能性將大大增加。因此，底板擾動(dòng)破壞裂隙是9 號(hào)煤需要專(zhuān)門(mén)防治的導(dǎo)水通道。

3.2 斷層破碎帶

斷層的存在會(huì)使主采煤層與充水含水層的有效隔水層厚度縮小甚至直接對(duì)接，因此煤層采掘時(shí)對(duì)斷層須重點(diǎn)予以關(guān)注。麻家梁礦具有斷層比較發(fā)育的特征且局部地帶斷層分布較密集的特點(diǎn)。經(jīng)前期鉆探、地震和巷道等手段查明的斷層共有57 條，其中最大落差為300 m，其斷層落差大于4 號(hào)煤層底板隔水層厚度123.19 m，4 號(hào)煤層與奧陶系灰?guī)r含水層可能直接接觸。因此，在斷層附近開(kāi)采4 號(hào)煤層時(shí)應(yīng)按規(guī)定留設(shè)防隔水煤柱或?qū)嵤┳{加固以防治斷層直接突水。井田內(nèi)落差大于9 號(hào)煤層底板隔水層厚度54.4 m 斷層共有5 條，9 號(hào)煤層與奧灰含水層對(duì)接的可能性很大。未來(lái)9 號(hào)煤采掘時(shí)，對(duì)于這些斷距較大的斷層應(yīng)采取留設(shè)防隔水煤柱、探放水、注漿加固等措施。

井田內(nèi)落差小于4 號(hào)煤底板隔水層厚度123.19 m 的斷層，造成煤層底板隔水層的有效厚度變小，加上灰?guī)r含水層富水性較強(qiáng)且水壓高，因此應(yīng)按0.06 MPa/m 突水系數(shù)并結(jié)合斷層要素，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析確定是留設(shè)防隔水煤柱還是采取注漿加固措施。

其它斷層落差雖然小于9 號(hào)煤底板隔水層厚度54.40 m，但由于斷層將縮短煤層與奧陶系灰?guī)r之間的有效距離，破壞隔水巖層的完整性，尤其是底板擾動(dòng)破壞疊加將使得奧陶系灰?guī)r含水層的突水威脅變大。因此，未來(lái)巷道和工作面布置、煤層回采等階段都必須重視斷層的探測(cè)和加固工作，以防突水事故的發(fā)生。

3.3 褶曲構(gòu)造裂隙

以往歷次勘探工作表明，麻家梁井田褶曲比較發(fā)育，共有規(guī)模不等的3 個(gè)向斜和5 個(gè)背斜，目前查明的褶曲有5 個(gè)，下石碣峪一王萬(wàn)莊向斜、梨園頭向斜、麻家梁背斜、馬場(chǎng)背斜和二分廠向斜。在這些褶曲的軸部一般裂隙比較發(fā)育且相對(duì)富水，當(dāng)采掘過(guò)程中通過(guò)這些部位時(shí)有可能發(fā)生構(gòu)造裂隙突水事故。

已有研究證明，煤層頂板含水層在向斜軸部的富水性更強(qiáng)，而煤層底板含水層在背斜軸部的富水性更強(qiáng)，因此煤層采掘過(guò)程中在向斜軸部需重點(diǎn)防治頂板突水事故或做好涌（淋） 水量增大的準(zhǔn)備，而在背斜軸部需重點(diǎn)防治底板突水事故的發(fā)生。

另外，褶曲與斷層交叉復(fù)合部位的巖石比較破碎，應(yīng)加強(qiáng)這些部位的地質(zhì)、水文地質(zhì)、水文地球化學(xué)、地球物探探查工作，并系統(tǒng)分析所獲得的綜合信息，在采掘通過(guò)這些地帶時(shí)應(yīng)制定專(zhuān)門(mén)的安全措施。

4 主采煤層帶壓開(kāi)采危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

4.1 標(biāo)高比對(duì)法

根據(jù)各鉆孔奧灰水位標(biāo)高與4 號(hào)、9 號(hào)煤底板標(biāo)高，奧陶系上馬家溝組灰?guī)r含水層水位標(biāo)高與4號(hào)煤層底板標(biāo)高的差值在184.20 ～503.33 m，差值平均值為354.44 m，與9 號(hào)煤層底板標(biāo)高的差值在271.30 ～571.33 m，差值平均值為420.82 m，水位標(biāo)高均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤層底板標(biāo)高，因此全井田范圍內(nèi)4、9 號(hào)煤采掘時(shí)均屬帶壓開(kāi)采，為可能突水區(qū)。

4.2 突水系數(shù)法

用突水系數(shù)來(lái)界定突水可能性時(shí)，將突水系數(shù)大于0 區(qū)域定義為煤層底板帶壓開(kāi)采區(qū)，將突水系數(shù)值處于0～0.01 MPa/m 范圍區(qū)域定義為非突水危險(xiǎn)區(qū)，將突水系數(shù)值大于等于0.01 MPa/m 區(qū)域定義為可能突水區(qū)。針對(duì)可能突水區(qū)，在構(gòu)造破壞地段，將突水系數(shù)處于0.01 ～0.06 MPa/m 范圍的區(qū)域定義為突水威脅區(qū)，在突水系數(shù)大于等于0.06 MPa/m 的區(qū)域定義為突水危險(xiǎn)區(qū)。

根據(jù)奧陶系上馬家溝組灰?guī)r含水層的水壓和主采煤層底板隔水層厚度，經(jīng)計(jì)算36 個(gè)鉆孔的突水系數(shù)，4 號(hào)煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層突水系數(shù)在0.021 ～0.056 MPa/m，平均值為0.038 MPa/m。9 號(hào)煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層突水系數(shù)在0.049 ～0.152 MPa/m（僅一個(gè)鉆孔計(jì)算為0.049 MPa/m），平均值為0.087 MPa/m。根據(jù)判別準(zhǔn)則，4 號(hào)煤層均為可能突水區(qū)且屬于突水威脅區(qū)，9 號(hào)煤層均為可能突水區(qū)且大部分區(qū)域?qū)儆谕凰ｋU(xiǎn)區(qū)。

4.3 斯氏公式法

工作面巷道掘進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)巷道揭露斷層或底板隔水層厚度較薄時(shí)也存在突水可能。巷道底板突水可能性評(píng)價(jià)常用斯氏公式來(lái)計(jì)算。

式中：p為底板隔水層可承受的安全水壓，MPa；t為隔水層厚度，m；L為巷道寬度，m；γ 為底板隔水層的平均重度，MN/m3；Kp為底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度，MPa。

表1 煤層巷道底板隔水層可承受水壓計(jì)算表Table 1 Coal seam roadway floor aquifuge can withstand water pressure calculation table

斯氏公式計(jì)算表明，4、9 號(hào)煤層底板實(shí)際承受的水壓最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許承受的安全水壓。因此掘進(jìn)巷道雖然是帶壓的但屬于非突水危險(xiǎn)區(qū)，正常情況下掘進(jìn)是安全的，主要威脅來(lái)自于揭露斷層的突水。

5 結(jié)論

（1） 麻家梁礦4、9 號(hào)煤層采掘時(shí)均處于帶壓開(kāi)采狀態(tài)，屬可能突水區(qū)，且4 煤屬于突水威脅區(qū)，9 煤大部分屬于突水危險(xiǎn)區(qū)。

（2） 無(wú)論是威脅區(qū)還是危險(xiǎn)區(qū)均存在斷裂構(gòu)造突水的可能性，其中危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造突水的可能性更大。

（3） 生產(chǎn)實(shí)際中，可先用突水系數(shù)法對(duì)工作面底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后結(jié)合采掘情況，再用斯氏公式對(duì)掘進(jìn)工作面巷道所處位置進(jìn)行突水判識(shí)，若其中有一種方法得出有突水可能的結(jié)果，就必須采取防治突水措施。