南凹寺煤業煤層帶壓開采條件分析

李軍旭

（山西沁和能源集團南凹寺煤業有限公司，山西 晉城 048000）

煤層帶壓開采是指利用煤層底板以下相對隔水巖柱的隔水性能，采取綜合防探、防治措施，在不觸及或少觸及巖溶水天然流場條件下，帶著全部巖溶水水頭壓力進行巖溶充水型煤層的開采。山西沁和能源集團南凹寺煤業有限公司批準開采的3、15號煤層底板標高250～585m，井田內下伏奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層水位標高為489～497m，大部區域3號和全部15號煤層底板位于奧陶系巖溶水水位以下，屬帶壓開采煤層。奧陶系灰巖頂面標高230～490m，帶壓水頭東部大于西部，最大位于井田東北部。在底板隔水巖柱薄弱地帶或構造（斷裂、陷落柱）破碎帶，存在著巖溶水突破相對隔水層潰入礦坑的可能性。

1 煤層底板隔水巖柱特征

1.1 隔水巖柱的厚度

巖柱的厚度決定于沉積時的古地理環境，后期構造的改造作用對地層厚度也產生一定的影響，如褶皺變薄帶、斷裂構造破碎帶等。判斷隔水巖柱厚度變化情況，區內鉆孔是最好的資料。共收集山西沁和能源集團南凹寺煤業有限公司揭露O2鉆孔7個，見表1。

表1 3、15號煤層與奧陶系灰巖頂面之間隔水巖柱厚度及奧陶系頂面標高表

從表1中可以看出，3號煤層隔水巖柱最厚的鉆孔是120號孔134.70m，最薄的是119號孔90.82m；15號煤層隔水巖柱最厚的鉆孔是120孔39.78m，最薄的是119號孔11.83m。從隔水層等厚線圖可看出，3、15號煤層隔水層厚度變化情況基本一致：井田西南部隔水層厚度最薄，往東由薄到厚。

1.2 隔水巖柱的空間分布

隔水巖柱的空間分布規律是與區內構造作用相匹配的，由于井田位于晉東南山字形構造體系的背斜部分南端和馬蹄形盾地的東側，新華夏系之二級構造武（鄉）-陽（城）凹褶帶內的構造薄弱地段。對井田起主要作用的應為晉東南山字形構造體系，但也受新華夏體系的影響。井田內斷裂構造不發育，主體構造為向東傾斜的寬緩的單斜構造。礦區勘探及礦井采掘中未發現斷層及陷落柱、巖漿巖。由于井田整體構造以單斜構造為主，區內隔水巖柱的空間分布形態厚度上一般為均勻分布，厚度變化較小。

1.3 煤層底板隔水巖柱的巖性組合特征

對于本區3、15號煤層底板隔水巖柱的巖性組合，因15號煤層底板包含在3號煤層之內，主要研究從3號煤層底至奧陶系頂面的地層巖性組合，其為一套海陸交互相的含煤沉積建造，巖性以砂巖、泥巖、石灰巖、煤層相間出現為特征，這套巖層為柔性的泥巖、硬脆性的砂巖、可溶性的石灰巖等三類巖石組成，受沉積環境和后期構造的影響，在不同部位各類巖層厚度比例各不相同。

1.3.1 本溪組C2b

厚約11.93～16.76m，平均14.34m。巖性以深灰色鋁土質泥巖為主，底部為極不穩定的紫紅色、褐紅色赤鐵礦層。上部鋁土質泥巖中賦存星散狀、鮞狀及結核狀黃鐵礦，呈似層狀。與下伏峰峰組呈平行不整合接觸。

根據鄰區分析資料，當時為海灣咸水環境，因本區地勢較高，海水基本未侵入，故沉積厚度很薄或未接受沉積。該組地層具良好的隔水性能。

1.3.2 太原組C3t

K1砂巖底至K7砂巖底，為區內主要含煤地層，厚94.50～107.42m，平均厚100.96m。主要由石灰巖、煤層、泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、砂巖組成。灰巖一般有5～6層，灰巖中常夾有燧石結核或團塊，富含海相生物化石，層位穩定，是煤層對比的重要標志層。含煤8層。

根據巖性組合特征及沉積旋回可將本組分為三段。

（1）一段（C3t1）：K1砂巖底至K2石灰巖底，厚17.5～25.88m，平均21.69m。由淺灰—灰白色粉砂巖，灰色泥巖、砂質泥巖夾中細粒砂巖及煤層（15號）組成，含少量植物化石碎片，含星點狀黃鐵礦。底部K1砂巖為灰白色中細粒石英砂巖，交錯層理發育。頂部含主要可采煤層（15號）。

（2）二段（C3t2）：K2石灰巖底至K4石灰巖頂，厚28.5～34.54m，平均31.52m。由深灰色石灰巖（K2、K3、K4）、泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、中細粒砂巖及薄煤層（11號、12號）組成。

（3）三段（C3t3）：K4石灰巖頂至K7砂巖底，厚47～48.5m，平均47.75m。以碎屑巖發育為特征。主要由灰黑色砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖、石灰巖（K2、K3）及煤層（5、7、8-1、8-2、9、10號等）組成。

表2 永2#巖溶水井揭露地層情況

綜上所述，3號煤層以下至奧陶系頂面隔水巖柱地層有，本溪組平均14.34m，太原組3號煤層之下大約100.96m，總厚約115.30m；15號煤層以下至奧陶系頂面隔水巖柱地層有，本溪組平均14.34m，太原組15號煤層之下平均6.93m，總厚約為21.27m左右。隔水巖柱巖性主要為泥巖，其次是石灰巖、砂巖層和煤層煤線，柔性巖層占主導地位，其次為脆性巖層。無論從厚度上還是巖性上看，該巖柱均具有良好的隔水性能。

2 帶壓開采安全性評價

2.1 突水系數的計算

按《煤礦防治水規定》的公式，預算全井田3、15號煤層底板突水系數。

式中：

T-突水系數，MPa/m；

P-隔水層底板承受的水壓，MPa；

M-底板隔水層厚度，m。

參數的確定：巖溶含水層的水頭壓力，根據O2巖溶水等水位線圖而得，各孔水位標高數據見表3；隔水巖柱的厚度取各煤層底板至奧陶系峰峰組含水層頂面之間的隔水完整巖層厚度。

表3 3、15號煤層底板突水系數計算結果統計表

2.2 突水系數計算結果

根據以上各參數計算突水系數其結果見表3。可以看出3號煤層最大突水系數為0.023MPa/m，15號煤層最大突水系數為0.132MPa/m。突水系數從井田西部往井田東部其他區域由低到高呈遞增趨勢。

3 帶壓開采危險區的劃分

本煤礦3號煤層底板突水系數在0.023MPa/m之內，全井田3號煤層底板突水系數值均小于0.06MPa/m。按照《煤礦防治水規定》附錄四“就全國實際資料看，底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段不大于0.1 MPa/m ”。再綜合井田斷裂構造發育規律，煤層底板隔水巖柱的巖性組合，隔水、抗水能力及奧陶系巖溶含水層水文地質特征，將本井田3號煤層帶壓區劃分為帶壓開采危險性較小區和不帶壓區；本煤礦15號煤層最大底板突水系數在0.008～0.132MPa/m之間，將本井田15號煤層由西向東劃分為帶壓開采危險性小、中等、大區。

在本井田內，3號煤層最大突水系數為0.023MPa/m，15號煤層最大突水系數為0.132MPa/m，3號煤層底板突水系數小于0.06 MPa/m。因此，本礦在井田帶壓開采區采掘3號煤層時，正常情況下奧灰水對礦井生產造成的危險性較小，但在礦井的開采過程中，一定要注意新揭露的構造對奧灰水的導通突水；15號煤層底板突水系數大部分區域大于0.06 MPa/m，尤其是井田東部底板突水系數大于0.1MPa/m（《煤礦防治水規定》標準）。

4 結語

綜上所述，本礦在帶壓開采區采掘15號煤層時，正常情況下奧灰水對礦井生產造成的危險性中等到大，在礦井的開采過程中，一定要高度重視，需要進一步研究奧灰峰峰組的富水性以及導水性能，才能對井田東部區域15號煤開采的可能性以及相應的防治措施做出決定。