屯蘭礦8#煤煤層底板帶壓開采評(píng)價(jià)

白俊凱

（山西焦煤西山煤電（集團(tuán)）公司屯蘭礦，山西 古交 030200）

0 引言

底板承壓水是威脅我國(guó)煤炭安全高效開采的重要影響因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)在我國(guó)受底板承壓水影響的煤炭?jī)?chǔ)量達(dá)200億t以上[1]。為有效節(jié)約煤炭資源，必須需提高對(duì)手底板承壓水影響的煤層的采出率，而帶壓開采是實(shí)現(xiàn)這一目的的有效方法[2]。實(shí)施帶壓開采必須要對(duì)開采煤層的地質(zhì)條件、底板隔水層性能等一系列條件進(jìn)行分析，得出該煤層帶壓開采的可行性，提出行之有效的底板防治水措施[3]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)帶壓開采技術(shù)進(jìn)行了研究[4][5]，本文在充分了解帶壓開采最新理論、技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合屯蘭礦8#煤層的生產(chǎn)實(shí)際與地質(zhì)條件，利用理論計(jì)算突水系數(shù)、運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出煤層底板隔水層厚度、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研該煤層地質(zhì)構(gòu)造等方法綜合確定屯蘭礦8#煤帶壓開采的可行性，為該礦的安全生產(chǎn)、為該礦提高煤炭資源采出率提供了理論基礎(chǔ)。

1 礦井地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1.1 礦井地質(zhì)條件

屯蘭井田位于西山煤田西北部。地層走向NW30～60°，傾向SW,傾角5～10°，為一由 NNE向SSW傾伏的波浪狀單斜構(gòu)造。較大褶曲少見，但次一級(jí)小型波狀褶曲較發(fā)育。地表斷層較多，且成組出現(xiàn)，多呈地壘形式。從目前礦井在開拓、采掘過程中揭露的136個(gè)陷落柱看，其形狀大多為橢圓形，井下長(zhǎng)軸直徑一般30m～100m左右，短軸5～60m，柱體形態(tài)多呈橢圓、扁圓或不規(guī)則圓形，剖面上多呈反漏斗狀。部分有滲水和淋水現(xiàn)象，水質(zhì)分析為HCO3—Na型，說明水源來自煤系地層。

1.2 水文地質(zhì)特征

1.2.1 地表水體

屯蘭礦區(qū)邊界以北的汾河是流經(jīng)西山礦區(qū)的最大河流，攔河前汾河最大徑流量為1940m3/s，最小為2.83m3/s。攔洪后不定期放水，放水期間平均放水量20～30m3/s。流經(jīng)本區(qū)的還有屯蘭河、原平河，礦區(qū)邊界以東還有大川河，這些河流均屬季節(jié)性河流，枯水季節(jié)徑流甚微，總量不足1m3/s。

1.2.2 主要含水層

1）第四系全新統(tǒng)砂礫含水層。賦存于汾河河谷及屯蘭河、原平河、大川河河谷中。由礫石及砂層組成，表層多覆以砂質(zhì)粘土。本層滲透性強(qiáng)，極易接受大氣降水及地表水補(bǔ)給，含有豐富的潛水。

2）石盒子組砂巖裂隙含水層。本組厚層砂巖較多，出露范圍也較廣，含水性差，只是風(fēng)化裂隙帶的砂巖，含水性及透水性較好。位于山坡的鉆孔在穿過砂巖風(fēng)化裂隙帶時(shí)常有漏水現(xiàn)象，但穿過風(fēng)化帶后則無此現(xiàn)象。

3）山西組砂巖裂隙含水層。本組砂巖主要是K3砂巖和2、4號(hào)煤層間砂巖。雖然K3巖性及厚度平均5.25m。巖性為中—粗砂巖或含礫砂巖。2、4號(hào)煤層間砂巖穩(wěn)定性差，發(fā)育最好時(shí)巖性與K3相似。本組巖層大多埋藏較深，含水性差，連通性差。

4）太原組砂巖夾薄層灰?guī)r裂隙含水層。由L1、K2、L4三層石灰?guī)r組成，其中以K2最厚，平均2.89m，質(zhì)純，為主要含水層；L1、L4平均厚 1.80m，不甚穩(wěn)定，巖性又常為泥灰?guī)r，因此含水性較差。

5）奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。本含水層是井田的主要充水含水層，主要有中奧陶統(tǒng)峰峰組、上馬家溝組和下馬家溝組。O1地層與煤層間距較大，一般情況下對(duì)煤礦的開采不會(huì)構(gòu)成威脅，以下不再敘述。

奧陶系中統(tǒng)峰峰組巖溶裂隙含水層。本組平行不整合于本溪組之下，厚度平均123.66m，分為上、下兩段。下段為角礫狀泥灰?guī)r、灰?guī)r及石膏，巖溶裂隙不發(fā)育；上段為本區(qū)奧陶系第一含水層，主要由石灰?guī)r、泥灰?guī)r組成，厚45m左右。本組富水性與其埋藏深度關(guān)系極其密切，埋藏愈淺，巖溶裂隙愈發(fā)育，含水也就愈豐富；反之則愈少。本組富水性因地而異，富水性總體由弱至中等。

奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組巖溶裂隙含水層。本組平均厚度218.16m，分為上、中、下三段。下段為泥灰?guī)r、石灰?guī)r夾薄層石膏，厚66.13m左右，巖溶裂隙不發(fā)育，富水性弱，為相對(duì)隔水層；中段主要為厚層石灰?guī)r夾薄層灰?guī)r，平均厚88.3m，巖溶裂隙發(fā)育，富水性較強(qiáng)；上段主要為石灰?guī)r夾薄層泥灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r，平均64.17m，巖溶裂隙發(fā)育，富水性較峰峰組強(qiáng)。本組富水性屬中等至強(qiáng)。

奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組巖溶裂隙含水層。井田東部邊界林場(chǎng)附近的GS-3號(hào)孔揭露下馬家溝組111.1m，主要由石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r組成，巖溶較發(fā)育，O2x含水層有獨(dú)立水位。

1.2.3 主要隔水層

1）8#煤至奧陶系頂界面之間的隔水層。8#煤層底板至奧灰頂面之間的巖層，為井田阻擋奧灰?guī)r溶承壓水向上部含水層和煤層充水的主要隔水層，平均厚度95m左右，其中C2b厚度為25m左右，分布較穩(wěn)定。主要巖性由砂巖、石灰?guī)r夾泥頁巖組成，底部為鋁土質(zhì)泥頁巖，巖石裂隙不發(fā)育，完整性較好，含水條件差，構(gòu)成良好的隔水層，具有較好的隔水作用。這一隔水巖層的存在導(dǎo)致巖溶承壓水與石炭系煤系圍巖水位有很大的水位差。但在井田中部古交斷層、井田南部土地溝斷層、頭南峁斷層帶附近構(gòu)造發(fā)育，破壞了C2b巖層的完整性，產(chǎn)生了連通的可能。因此，當(dāng)開采此區(qū)域煤層時(shí)應(yīng)引起高度重視。

2）峰峰組下段隔水層（O2f1）。巖性主要為灰色、淺灰色角礫狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及膏巖為主，厚度平均80m左右。裂隙不發(fā)育，O2f1泥灰?guī)r石膏段是O2f2與O2s2+3含水層之間的較穩(wěn)定隔水層。

圖1 8#煤層隔水層厚度等值線圖

3）上馬家溝組下段隔水層（O2s1）。本段巖性上部以灰、黃灰色厚層灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，下部以角礫狀灰色、淺灰色灰?guī)r、泥灰?guī)r為主。下部與頂部有時(shí)為豹皮狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，常含2-3層角礫狀泥灰?guī)r夾原生石膏。厚度50m左右，是O2s2+3與O2x2+3含水層之間的良好隔水層。

O2s與O2x水力聯(lián)系差，而且O2x與8#煤相距200m以上，所以O(shè)2x對(duì)8#煤開采一般是通過間接補(bǔ)給峰峰組上段含水層來產(chǎn)生影響。是8#煤開采的間接充水含水層。

2 帶壓開采可行性分析

2.1 突水系數(shù)的計(jì)算

帶壓開采主要含義為在開采煤層時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分利用煤層底板與下伏有突水威脅的含水層之間的隔水層的隔水性能，結(jié)合現(xiàn)有的煤炭開采技術(shù)，在帶壓開采區(qū)域采取有針對(duì)性的技術(shù)方法，能夠保證煤炭資源的安全高效回采。

對(duì)底板的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)采用完整底板隔水層突水系數(shù)法，通過對(duì)底板巖石隔水性能與力學(xué)穩(wěn)定性兩種方法的分析，最終提出可靠的評(píng)價(jià)結(jié)果。

表1 屯蘭礦8#煤層突水系數(shù)計(jì)算表

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》[6]，突水系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：T為突水系數(shù)（MPa/m）；P為隔水層承壓的水頭壓力（MPa）；M為煤層底板隔水層厚度（m）

上式中，各參數(shù)計(jì)算如下：

1）煤層底板隔水層厚度（m）。隔水層厚度是指煤層底板至下伏由突水威脅的含水層的厚度，即：

式中：H煤為煤層底板標(biāo)高（m）；H為奧灰頂面標(biāo)高（m）

2）底板隔水層承受的水頭壓力（P）。就屯蘭礦井田范圍來講，威脅該區(qū)8#煤層開采的主要含水層為奧陶系巖，故在計(jì)算突水系數(shù)時(shí)，主要考慮奧陶系巖溶水的水頭壓力。具體計(jì)算方法如式（3）。

式中：H為奧灰?guī)r溶水水壓標(biāo)高（m）；h為奧灰頂面標(biāo)高（m）。

匯總?cè)V井17個(gè)主要鉆孔資料，對(duì)8#煤突水系數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算，以提高突水系數(shù)分布精度，見表1。

2.2 屯蘭礦8#煤層帶壓開采安全性評(píng)價(jià)

根據(jù)計(jì)算值繪制8#煤層突水系數(shù)等值線圖如圖1所示。

圖2 8#煤層突水系數(shù)等值線圖

據(jù)表1可知各鉆孔計(jì)算得到的8#煤的突水系數(shù)在0.012～0.040MPa/m，均小于0.06MPa/m。從圖1突水系數(shù)等值線圖中可以看出，突水系數(shù)由東北向西南方向逐漸增大，由東北向西南隨著煤層埋深增加，煤層承受水壓增大，突水系數(shù)增大。鉆孔計(jì)算突水系數(shù)最大為GS-7（0.040MPa/m），在礦區(qū)的東南方向土地溝斷層附近。由于突水系數(shù)向西南逐漸增大，該GS-7孔東北方向?yàn)橄鄬?duì)安全區(qū)，西南部突水系數(shù)增大但據(jù)突水系數(shù)變化趨勢(shì)可認(rèn)為未超過0.06MPa/m。除構(gòu)造破壞帶外，井田內(nèi)8#煤層開采不存在奧灰突水的危險(xiǎn)性，是相對(duì)安全的。但仍需要加強(qiáng)對(duì)隱伏導(dǎo)水通道的探查，特別是在斷層附近加強(qiáng)導(dǎo)水構(gòu)造的探測(cè)工作。

同時(shí)，在煤層開采時(shí)要查明礦井存在的導(dǎo)水?dāng)鄬?、?dǎo)水陷落柱、導(dǎo)水鉆孔等導(dǎo)水通道，并予以采取注漿加固或留設(shè)保護(hù)煤柱等措施，就能大大預(yù)防奧灰突水的發(fā)生。

3 結(jié)論

本文針對(duì)屯蘭煤業(yè)8#煤層底板受奧灰水威脅的問題，對(duì)該層煤底板進(jìn)行了帶壓開采可行性分析。詳細(xì)分析了8#煤層地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，理清了礦井主要含水層與8#煤底板主要隔水層，利用理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，采用突水系數(shù)法，對(duì)8#煤底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行了計(jì)算與預(yù)測(cè)，為屯蘭礦8#煤層的帶壓開采可行性提供了理論依據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。