陽泉礦區15#煤層帶壓開采安全性評價研究

張海濤

（宿州學院安徽省煤礦勘探工程技術研究中心，安徽宿州234000）

0 引言

陽泉礦區有著豐富的煤炭資源，尤其是太原組底部的15#煤層，該煤層下部有承壓水層，礦井作業破壞了隔水層的天然應力狀態，在水壓和礦壓的作用下承壓含水層會對煤層底板產生破壞作用進而影響煤礦的安全生產。針對煤層底板下具有承壓水層的工程特例進行突水評價研究，國內外學者獲得了許多成果，主要評價方法有突水系數法、極限跨度法、水壓-構造-礦壓綜合因素理論和關鍵層理論等，結合研究區實際情況，篩選后采用突水系數法進行帶壓開采安全性評價。在使用該方法的過程中要充分考慮到除水壓和隔水層厚度以外的地質因素對底板突水的影響即礦壓和巖性組合，尤其礦壓破壞深度的計算要單獨提出以保證突水系數計算的精確性。

1 區域水文地質概況

研究區位于沁水盆地的東部偏北位置，從水文地質的角度看該區域屬于娘子關泉域的一部分[1]，屬于溫帶半干旱氣候，四季分明，年平均降水量為517mm，降水通過地表滲入和地表徑流匯入地下形成泉水。近年來由于自然降水減少、陸面蒸發量增加以及人類生產活動對地下開采和泉域內水環境的影響，致使娘子關泉域的流量逐年減少。區域內含水層組按含水介質類型可分為碳酸鹽巖溶裂隙、砂巖裂隙、松散孔隙三種類型。娘子關泉域巖溶水主要補給為裸露區大氣降水滲入，雨季河谷地表水入滲。娘子關泉域徑流區面積約212 km2，沿陽泉-圪套連線東到坡底泉、程家泉一帶[2-3]，該區除了有溫河、桃河等河流發育外，還有溶蝕裂隙、溶孔、小溶洞等小型地質現象[4-5]。在研究區內巖溶水和地表水相互轉化，雨季時河水流量增大入滲，并融匯西、南部地下徑流向排泄區匯流，娘子關泉群平均流量為10.85m3∕s。

2 帶壓開采安全性評價

2.1 含水層特征

根據含水介質和孔隙類型，將研究區主要含水層劃分為三大類四小類，三大類即砂巖裂隙、松散的孔隙及碳酸鹽巖溶裂隙，四小類是在三大類的基礎上將碳酸鹽巖溶裂隙按照地質年代進一步細分為二。

2.1.1 第四系表土孔隙含水層組

研究區第四系厚度為0～30m，厚度極其不均勻，主要分布在河谷、沖溝等低洼地區，該含水層段主要巖石包括黃褐色黏土、雜色及棕色泥巖、淺色砂礫層等。此含水層與3#煤層之間由于存在二疊系（與石盒子組泥巖等隔水層組相隔），對3#煤層、15#煤層的開采基本無影響。

2.1.2 二疊系砂巖裂隙含水層組

該含水層組處于二疊系中，可以根據地質年代細分為上、下石盒子組砂巖裂隙含水層組和山西組砂巖裂隙含水層組[6]。K9及K10砂巖是石盒子組中的重要含水層，該砂巖粒度較細，風化后發育有裂隙，在雨季時大氣降水會沿著這些裂隙泄出從而形成下降泉。石盒子組砂巖裂隙含水層在礦區中出露層位相對較高，距下部煤層較遠且賦水量較少，因此對煤層的開采影響極小。K5砂巖位于山西組中，其裂縫含水層位于8#煤層上面7m左右，作為開掘8#煤的最根本充水層，研究區K5砂巖裂隙含水層距8#煤層的頂板厚度為1m～14.61m，平均6.60 m。K7砂巖厚度在1.35 m～13.25 m之間，平均厚度達4.85m，裂隙不發育且多被泥鈣質充填。根據在該層位進行的抽水實驗可以看出K7砂巖裂隙含水層滲透系數小，滲透性較差，對煤層開采也幾乎不會造成危害。

2.1.3 石炭系碳酸巖溶裂隙含水層組

石炭系碳酸鹽巖溶裂隙含水層以K2、K3、K4灰巖含水層為主，此含水層是15#煤層頂板的重要充水層[7]。K2石灰巖位于15#煤之上12.3m左右，作為開掘15#煤的主要充水含水層，該灰巖沉積穩定，且質地較純，平均厚度達到4.95m，在礦區東部和東北部都有該灰巖出露，在地表呈狹窄的條帶分布。K3灰巖平均厚度3.12m，K4灰巖平均厚度為2.08m，沉積都比較穩定。

2.1.4 奧陶系碳酸鹽溶裂隙含水層組

研究區內該含水層作為娘子關泉域巖溶水系統的一部分，屬于區域性強含水層，嚴重影響到了井田的正常開采。該含水巖組包括峰峰組、上下馬家溝組，巖性以石灰巖和角礫巖為主，在裸露區多位于區域水位上面，構成透水層或上層滯水，在淺埋區該含水巖組主要發育溶隙、溶洞及溶孔等形態的巖溶[8]。

2.2 隔水層特征

15#煤層底板至奧灰頂板之間的太原組下段和本溪組，正常厚度為34.60m～68.40m，平均厚度55.35m，巖石性質以砂質泥巖為主，底部還發育有穩定的鋁土巖。從巖性、實驗及資料中得出，在一般情況下可以起到隔水效果，同時巖層組構中，泥巖占57.47%，砂巖占30.18%，灰巖占12.36%。此類軟巖和硬巖的搭配對增強隔水層的阻水能力及阻水強度十分有用。

砂巖的隔水性由于其孔隙度大而差，組成砂巖孔隙的孔隙度一般為粗大孔隙，有利于地下水的運移。其次砂巖的裂隙導水性好。砂巖通常在高能環境中形成，單雙向交錯層理發育，其中層理面就是個透水性強的面，它可以溝通各種導水通道。而泥巖和粉砂巖一般在低能的靜水環境中形成的，層理不發育或無層理。

2.3 帶壓開采安全性評價

2.3.1 突水系數法概述

我國學者在焦作水文會戰中開始進行突水規律的研究，發現底板突水與煤層底板承受的水壓大小、隔水層厚度有密切關系，從而引出了突水系數這個參數，該參數的值等于隔水層所承受的水壓力除以隔水層的厚度[9]。基于發生突水事故礦區的水文資料計算出一個臨界值即臨界突水系數T0，若 Ts＜T0，一般情況下不會突水；反之，Ts＞T0則絕大多數情況下會發生突水。結合焦作礦區實際情況，發現當突水系數大于0.066MPa∕m時發生事故的比例高達90%以上，而突水系數小于0.066 MPa∕m時發生突水事故的比例小于10%，說明在絕大多數情況下，根據臨界突水系數值來判別底板是否突水是比較可靠的。在個別時候會出現偏差，需結合大量的礦井地質實例對突水系數的算法作進一步的完善。在構造復雜或者受到構造破壞的塊段，該臨界值值取0.06MPa∕m，在正常塊段取0.15MPa∕m。計算公式：

式（1）中，Ts為突水系數（MPa∕m）；P為含水層水壓（MPa）；M為隔水層厚度（m）。式中突水系數的計算方法只考慮了水壓和厚度而沒有考慮到地應力和巖性組合這兩個因素，因此國內研究機構對突水系數的算法作進一步修改，得出：

式（2）中，Ts為突水系數（MPa∕m）；P為含水層水壓（MPa）；M為隔水層厚度（m）；Cp為礦壓影響深度（m）。雖然該式考慮礦壓這個地質因素，用隔水層厚度減去礦壓的影響深度，但還是沒有將巖性組合考慮在內，于是通過更深入的研究，使用等值隔水層厚度的概念，再次公式進行修改如下：

公式（3）首先考慮巖性組合的因素將隔水層按照巖性的不同進行分層，其中Mi為隔水層第i層的厚度，σi為第i層隔水層等效厚度的換算系數，以砂巖為標準的強度比值系數[6]，Cp為礦壓度底板的破壞深度，修正后突水系數法物理概念明確，對礦井工程實踐中底板突水評價起到了十分積極的作用，所以一直沿用至今。

2.3.2 底板破壞帶深度計算

礦壓破壞主要是由于開采作業下其底板斷面有一個壓縮-膨脹的過程，巖體發生反向位移形成剪切破壞帶，在拉應力的作用下巖層薄弱帶也會導致豎向裂縫的產生，這些裂縫就是礦壓引發底板突水的直接原因[10]。

礦壓破壞深度的增大會導致隔水層有效厚度的減少，從計算的角度上看突水系數會增大，從而可以判斷引發底板突水的可能性變小。礦壓破壞深度的計算選用：

式（4）中，h1為底板破壞深度(m)，L為工作面斜長(m)[11]，18207工作面長度為203.9m；α為煤層傾角，18207工作面15#煤層及地層傾角為4°，H為開采深度(m)；18207工作面內T63孔15#煤開采深度為446.48m，18205工作面內T28孔15#煤開采深度為461.32m；GS-11孔15#煤埋深為111.25m，GS-15與GS-10的15#煤埋深僅30m，見表1。15#煤向18207方向呈局部向斜構造，主要依據T28與T63確定18207開采深度為453.5m。

利用上述公式計算后可得15#煤底板破壞帶深度為16.5m。構造復雜區域底板破壞帶深度是正常巖層的1～2倍，因此，構造復雜區底板破壞深度為30m左右。

2.3.3 突水系數計算

①假定峰峰組作為含水層，忽略其阻水能力，壓力水頭從峰峰組頂板算起，奧灰水位取馬家溝組水位，計算結果見表2。

表1 18207及周邊鉆孔15#埋藏深度統計表

表2 采用Ts=P/M時計算的突水系數結果

通過上述15個鉆孔的計算結果發現突水系數范圍為-0.010 22MPa∕m（O2d-4）～0.026 51MPa∕m（O2d-7），遠小于臨界突水系數0.066MPa∕m。

②假定峰峰組作為含水層，忽略其阻水能力，壓力水頭從峰峰組頂板算起，取馬家溝組水位作為奧灰水位，將15煤底板破壞深度為16.5m這個因素考慮進去，利用式（2）計算突水系數，結果見表3。

表3 考慮底板破壞深度16.5m時的突水系數計算結果

續表3

當考慮陽泉礦區底板破壞的16.5m時，突水系數值為-0.014 46MPa∕m（O2d-4）～0.035 47MPa∕m（O2d-7），遠小于臨界突水系數值0.066MPa∕m。

③如果把峰峰組一段作為隔水層，那么隔水層厚度平均增大115.5m，壓力水頭從峰峰一段算起，水頭增加1.15MPa，用式（2）計算，最大突水系數僅為0.017 5MPa∕m（O2d-7）；若將峰峰組作為隔水層和不含水層，發生突水時將產生水頭損失，按等效含水層厚度計算，峰峰一段上部97.82m為灰巖、膏巖，阻水比值系數取0.8，下部39.18m為泥灰巖，阻水比值系數取0.9；峰峰組二段厚67.70m，若阻水比值系數取0.4，突水系數計算出來的最大值為0.021MPa∕m（O2d-7）。

3 奧灰水防治措施

3.1 15#煤層井田下帶壓開采的重點問題

①存在陷落柱、斷層和封閉不良鉆孔等現象時，需要進行超前探測、注漿封堵加固、預疏放、留設防隔水煤巖柱；

②當奧灰含水層富水頻繁變化時，需要進行探測，對富水地方進行鉆探、預疏放等；

③當奧灰含水層富水地方不能疏放的時候，需要對含水層澆筑泥漿進行改造，對隔水層澆筑泥漿進行加固。

3.2 奧灰水防治的主要技術措施

該礦區開采人員在開采之前做了諸多準備工作，比如為了搞清楚奧灰水的水壓強度和水量等富水信息進行打鉆探查，然后再依據探查結果實施底板的增固、預留防水煤柱、建立相關的地下水探測系統和排水通道，并且制定了相關的救援措施，從而對該井田進行安全的開采。

4 結論

①通過計算得出研究區底板突水系數最大值為0.035MPa∕m，遠小于臨界突水系數0.066MPa∕m，且突水系數0.035MPa∕m是保守計算下的結果，說明在無特殊情況下不會發生底板突水事故，實現15#煤帶壓安全開采是可行的。

②根據15#煤井下帶壓開采的具體問題，多做準備工作，通過探查獲取富水信息，并依據這些信息采用預留防水煤柱、建立排水通道等方法實現目標煤層的帶壓安全開采。