長平煤礦3＃煤層帶壓開采可行性評價

賈亦真，蔣存浩

（1.桂林理工大學地球科學學院，廣西 桂林 541004；2.中國地質大學地球科學與資源學院，北京 100083）

長平煤礦位于沁水煤田高平礦區中西部，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，現主要開采3＃煤層。井田內3＃煤層大部分區段為帶壓開采，8＃、15＃煤層全部為帶壓開采。目前井區內已揭露或探測出若干巖溶陷落柱，若這些構造將各含水層溝通并導通深部奧灰水，將會嚴重威脅到礦井的安全生產，甚至產生災難性后果。國內外學者對煤層帶壓開采技術已進行了大量的研究［1—8］，本文在研究各種帶壓開采先進技術的基礎上，結合長平煤礦礦區實際水文地質條件和生產現狀，采用突水系數、底板隔水層厚度分析、地質構造研究等理論聯系實際的方法對長平煤礦3＃煤層帶壓開采進行了分區評價和研究，以預防該礦井突水危險，提高開采效率。

1 礦井地質與水文地質條件

1.1 地質條件

長平煤礦礦井地層東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°，在傾向上發育次一級的向背斜及斷裂構造；礦井西部受沁水盆地南緣東西向構造影響變為東西向，局部受局部構造應力作用變得彎曲。根據地表出露和井下揭露，在長平煤礦礦區內發育的中小型斷層較多，斷距多為5～10 m。此外，井田范圍內陷落柱極為發育，依據生產揭露，其基本形態均呈圓至橢圓狀，長軸與短軸最大直徑分別為140m 和116m，其中有兩個陷落柱局部有出水現象，充水水源均為頂板砂巖裂隙水，最大水量為15～20m3／h，穩定水量為3～4m3／h。

1.2 水文地質條件

1.2.1 地表水體

礦井及附近主要地表河流為丹河，發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性影響較大，旱季時水量較小，雨季時水量增大。

1.2.2 主要含水層

（1）中奧陶統峰峰組（O2f）石灰巖巖溶裂隙含水層。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，由石灰巖、泥質灰巖及白云巖等組成，為礦井內主要含水層，含水層單位涌水量為0.000 7～0.016 3L／（s·m），滲透系數為0.010 3～0.293 6m／d，水位標高為640.73～693.97m，見圖1。

圖1 礦井水文地質柱狀圖Fig.1 Hydrogeological histogram

（2）上石炭統太原組（C2t）巖溶裂隙含水層。該含水層由五層石灰巖組成，水位標高為667～688 m，見圖1。

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

（4）基巖風化帶裂隙含水層。該含水層的巖性因地而異，風化裂隙發育因巖性、構造及地形控制而不同，一般發育深度在70 m 左右，水位標高為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，區內大面積出露，水位標高為887.39m。

1.2.3 主要隔水層

石炭系上統太原組（C2t）底部及下統本溪組鋁質泥巖、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系，起層間隔水作用，見圖1。

2 3＃煤層帶壓開采安全評價

2.1 突水系數

突水系數是衡量礦井突水可能性大小的一個數量指標。該指標在20世紀60年代由我國煤炭工業部組織的焦作會戰提出，并開始使用突水系數臨界值概念。突水系數臨界值主要是通過對大量突水資料統計獲得，并一直選用0.06 作為突水系數臨界值，以此確定煤層底板水壓的安全水頭值。在2009年12月1日起開始實施的《煤礦防治水規定》中確定的突水系數公式為［9］

式中：T 為突水系數（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）。

本文結合我國一些突水資料豐富的礦區總結出的臨界突水系數值和《煤礦防治水規定》對突水系數臨界值的界定（底板受構造破壞段突水系數值一般不大于0.06 MPa／m，正常塊段不大于0.10 MPa／m）［9］，并根據長平煤礦礦井實際水文地質條件和華北型礦井突水系數的經驗值，確定長平井田煤層底板最小突水系數的臨界值為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、砂質泥巖、粉砂巖、灰色砂巖和5層海相薄層石灰巖及6～7層煤層組成，其中除K2、K3和K5薄層灰巖為弱含水層外，其余均為隔水層，隔水層平均厚度約82m。

受采掘活動破壞和地質構造的影響而可能導通的含水層為3＃煤層頂板砂巖裂隙水和底板灰巖承壓水，自下而上主要有奧陶系灰巖和石炭系太原組K2、K3、K5及K6石灰巖，見表1。

表1 各灰巖含水層基本特征一覽表Table 1 Basic features of limestone aquifers

2.3 參數的選取

根據突水系數公式進行計算可知，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，與下方的奧陶系灰巖含水層無水力聯系，且在生產中揭露承壓含水層最大涌水量介于40～207m3／h，按《煤礦防治水規定》［9］屬于簡單的水文地質類型，在可控制范圍之內采取疏水降壓等防治水技術可以進行處理。

區內奧陶系灰巖含水層位于3＃煤層底板以下108.4～151.00m，平均值為121.6m，局部富水性強，靜水位標高為627m，按照公式（1），并根據鉆孔資料的相關數據，對底板奧陶系灰巖含水層對3＃煤層的突水系數進行了計算，具體的計算結果和鉆孔分布見圖2。其中，參數底板隔水層承受的水頭壓力P 根據水位標高和3＃煤層底板標高確定；參數隔水層厚度M 根據鉆孔資料中3＃煤層底板標高和奧陶系灰巖頂面標高確定。

2.4 帶壓開采分區

本文通過參考相關文獻資料和礦井經驗數據［10—12］，并結合本礦井的水文地質條件和生產實際現狀，將采取以下方案對3＃煤層進行帶壓開采分區：Ⅰ區不存在底板突水問題；Ⅱ區可能發生底板突水危險區域，應在加強礦井防治水工作的前提下進行帶壓開采；Ⅲ區發生底板突水危險較大，需對構造異常區域進行深入的探測研究，并采取可靠的安全技術措施后才能進行帶壓開采；Ⅳ區是發生底板突水最危險的地段，底板突水是不可避免的，只有在采取疏水降壓把突水系數降低到0.10MPa／m 以下時才能實施帶壓開采，見表2。

表2 帶壓開采分區范圍和標準Table 2 Partition scope and standards for mining under water pressure

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

現有國內外的相關生產礦井研究中經常采用地質構造發育程度、突水系數、富水性等指標來劃分帶壓開采區域［12—20］。根據長平煤礦的實際地質與水文地質條件來分析，突水系數法為長平煤礦劃分帶壓開采區域最合理的方法，所以本文將根據突水系數計算結果對長平煤礦3＃煤層進行帶壓開采分區，即按照公式（1）對各鉆孔進行突水系數計算，計算出突水系數后按照上述分區方法依次歸類為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ區，見圖2。

從突水系數計算結果（見圖2）可以看出：在整個礦井范圍內，3＃煤層底板奧灰水突水系數均小于0.06 MPa／m，總的變化趨勢是井田東北部突水系數較小，向中部、西北部逐漸變大，突水系數最大值為0.040 2 MPa／m，小于突水系數臨界值0.06 MPa／m。因此，可將長平煤礦3＃煤層分為Ⅰ區、Ⅱ區和Ⅲ區：①Ⅰ區為安全區，主要分布在2203、2602、2702、2803鉆孔東側，奧灰水位標高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，現已基本回采完畢；②Ⅱ區為相對安全區，主要分布在2203、2602、2702、2803鉆孔西側，奧灰水位標高610～627m 以西，為帶壓開采區域，但全區突水系數值均小于0.06 MPa／m，區內有李家河正斷層，落差20～50m 的兩個中型陷落柱，都未導通底板高承壓奧灰水，雖與太灰薄層灰巖含水層有水力聯系，但采取注漿加固或疏水降壓措施后可實現安全開采，此區域為礦井當前主采區；③Ⅲ區為相對危險區，主要分布在井田西南部，雖然該區突水系數值均小于0.06 MPa／m，但是區內多發育大中型陷落柱，此區域為中長期規劃區，未對陷落柱做進一步的勘探工作，其規模和富水性不明，需在今后工作中做詳細的勘探研究，才能制定出相應的防治措施。

3 巷道底板及掘進工作面突水危險性評價

根據《煤礦防治水規定》和有關資料［5—7，21］，當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際水頭值時，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，可以進行帶壓開采，但應當制定安全措施。長平煤礦3＃煤層主要采用帶壓開采技術，在采取某些技術措施后，可實現安全采掘。但煤層底板突水危險性的準確預測預報是保障承壓水上安全開采煤層的關鍵，因此可結合長平煤礦實際水文地質情況，根據區內掘進巷道和回采工作面底板突水危險性評價，來預測評價在構造發育異常區段采取相應的堵水加固措施后3＃煤層安全帶壓開采的可實現性。

目前掘進巷道和回采工作面底板突水危險性預測與評價主要采用突水系數法和斯列薩列夫公式［20—23］。

3.1 掘進巷道底板突水危險性評價

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度（MPa）；r為底板巖石的視密度（MN／m3）。

參數的選取和計算如下：巷道底板寬度L 取5 m；水壓P，依據研究區域3＃煤層底板標高290～690m，K3、K5和K6水位標高為688m，K2水位標高為667m，奧陶系灰巖水位標高采用研究區近期水位觀測結果627 m，換算成水壓P 分別為0～3.98MPa、0～3.77MPa和0～3.37MPa；依據煤層底板巖石物理力學性質測試結果（礦方數據），巖石抗拉強度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，取各含水層的最大和最小水壓分別計算煤層底板相對于各含水層的安全隔水層厚度，具體計算結果見表3。

表3 3＃煤層底板相對于各含水層的安全隔水層厚度計算結果Table 3 Calculation of the thickness of aquifuges under floors

根據表3計算結果，掘進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，表明在無構造破壞的正常地段，不會產生底板突水，構不成對巷道充水影響，各含水層均為安全。此外，井田Ⅱ區內大中型的斷層和陷落柱發育較少，且都未導通奧灰高承壓含水層，防治難度不大；Ⅲ區內大中型陷落柱較發育，且無詳細資料，需進一步探測后才能制定相應的防治措施。

3.2 回采工作面底板突水危險性評價

《煤礦防治水規定》附錄五中回采工作面安全水壓值計算公式為［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（MPa／m）。

參數的選取和計算如下：

臨界突水系數采用保守值0.06 MPa／m；K3、K5和K6水位標高為688m，K2水位標高為667m，奧陶系灰巖含水層水位標高采用研究區近期水位觀測結果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）以及確定的參數計算3＃煤層回采工作面底板各灰巖含水層突水系數和安全水壓，其計算結果見表4。

表4 3＃煤層回采工作面底板各灰巖含水層突水系數和安全水壓計算結果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灰巖水分別在447m 和585m 水位標高以下，突水系數和水壓值超出安全范圍，其他灰巖含水層均在安全水壓值范圍之內。

4 結論

本文以長平煤礦3＃煤層為研究對象，在深入分析長平煤礦地質與水文地質特征的基礎上，對長平煤礦3＃煤層進行了底板帶壓開采的分區，并通過理論分析和數據計算相結合的方法，采用突水系數法和斯列薩列夫公式對3＃煤層底板突水危險性進行了預測與評價，確定了底板高承壓水的影響范圍，為實現3＃煤層的安全帶壓開采提供了一定的依據和參考，并得出在采取綜合的預防治理措施后，實現3＃煤層的安全帶壓開采是可行的結論。

［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保障體系建設［J］.中國煤炭，2010，36（1）：98-103.

［6］李彩惠.帶壓開采防治水技術及研究方向［J］.煤礦開采，2010，15（1）：47-49.

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

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

［9］國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定［M］.北京：煤炭工業出版社，2009.

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

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

［12］王奇生，郭森.帶壓開采分區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］王計堂，王秀蘭.突水系數法分析預測煤層底板突水危險性的探討［J］.煤炭科學技術，2011，39（7）：106-110.

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

［22］高明玉.利用斯列薩列夫公式評價巷道底板突水危害［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性評價方法探討［J］.人民長江，2012，43（13）：39-42.