正利煤業4-1 號煤層底板奧灰含水層突水危險性評價分析

王 杰

（山西焦煤集團 嵐縣正利煤業有限公司，山西 呂梁 033500）

1 概 況

山西焦煤集團嵐縣正利煤業生產能力為150 萬t/a，礦井屬于低瓦斯礦井，水文地質類型為中等，目前開采4 號和4-1號煤層，煤層自燃傾向性為自燃煤層。4-1號煤層厚度為2.47～3.80 m，平均厚度為3.25 m，煤層內部含有1 層夾矸，夾矸層平均厚度為0.3 m，煤層平均傾角為6°，煤層頂板巖層為炭質泥巖和泥巖，底板巖層為砂質泥巖、4 號煤層和細粒砂巖。根據礦井地質資料可知，影響4-1號煤層回采的主要含水層為底板奧灰含水層，4-1號煤層回采屬于帶壓開采，奧灰含水層的主要補給水源為大氣降水的垂直滲入和周邊河流滲漏段，含水層屬于強富水含水層，4-1號煤層與底板奧灰含水層間的平均間距為135 m。為保障4-1號煤層安全回采，進行底板含水層突水危險性評價分析。

2 煤層開采底板破壞深度分析

在進行煤層底板突水危險性評價分析時，煤層開采后引起的底板礦壓破壞范圍的確定尤為重要。采用RAPA-2D 數值模擬軟件進行煤層回采底板破壞深度的模擬分析，建立模型長×高=250 m×230 m，模型頂部施加等效荷載7.75 MPa，模型劃分單元數為250×230，模型中各巖層的力學參數依據該礦地質報告進行具體賦值。

模擬4-1號煤層回采時，依據工作面采煤截深0.8 m，每天割煤10 刀進行計算，確定開挖步距為8 m，共計進行20 步的開挖作業，具體數值模擬的力學模型如圖1 所示。

圖1 數值模擬力學模型示意Fig.1 Mechanical model of numerical simulation

分別對工作面回采推進8、24、64、96、120、156 m 進行模擬分析，工作面回采不同距離下的底板破壞演化規律如圖2 所示。

圖2 工作面回采不同距離下底板破壞演化規律Fig.2 Floor failure evolution lawunder different mining distances in working face

分析圖2 可知，4-1號煤層回采期間，隨著回采作業的進行，工作面底板礦壓破碎帶的深度和范圍在逐漸增大，在工作面回采至96 m 時，煤層底板礦壓破壞范圍已增大至24 m，隨著工作面進一步回采作業的進行，工作面底板破壞帶的深度不再發生變化，仍然保持在24 m 左右。據此可知，4-1號煤層回采引起的初次來壓和周期來壓對底板巖層的破壞深度約為24 m。

另外考慮到煤層開采期間，回采工作面面長不同，采用數值模擬的方式進行工作面開采寬度在80～200 m 范圍內工作面回采期間底板巖層破壞深度的模擬分析。數值模擬結果可知，隨著工作面開采寬度的增大，底板巖層的破壞深度也在逐漸增大，但當工作面寬度大于160 m 時，底板巖層的破壞深度不再增加，底板巖層破壞深度的范圍為18～26 m。

3 突水危險性評價

根據4-1號煤層的賦存特征，采用“五圖系數法”進行可采煤層底板突水危險性綜合評價。評價方法中的五圖包括底板保護層破壞深度等值線圖、底板保護層厚度等值線圖、煤層底板上的水頭等值線圖、有效保護層厚度等值線圖和帶壓水頭壓力開采評價圖，評價方法中的系數為帶壓系數和突水系數。

（1） 煤層底板礦壓破壞帶和保護層厚度。根據4-1號煤層回采期間底板巖層破壞深度的數值模擬分析結果，結合礦井內鉆孔的地質資料，井田內4-1號煤層底板礦壓破壞深度數據見表1。

表1 4-1 號煤層底板礦壓破壞深度值數據Table 1 Data of floor pressure failure depth of No.4-1 coal seam

4-1號煤層底板保護層的厚度為煤層底板標高減去含水層頂板的標高，結合數值模擬和地質資料能夠得出底板礦壓破壞帶厚度等值線圖和底板保護層厚度等值線圖，如圖3、圖4 所示。

圖3 底板礦壓破壞帶Fig.3 Floor rock pressure failure zone

圖4 保護層厚度Fig.4 Thickness of protective layer

（2） 底板有效保護層厚度。底板有效保護層的厚度為保護層厚度減去底板礦壓破壞帶的深度，如圖5 所示。

圖5 4-1 號煤層底板有效保護層厚度等值線圖Fig.5 Thickness contour map of effective protective layer on No.4-1coal seam floor

（3） 底板水頭等值線圖。根據礦井鉆孔地質資料統計分析，能夠得出灰巖含水層頂界面的標高，再根據含水層水位監測孔的統計數據即可得到含水層水位標高的變化情況，4-1號煤層底板水頭值即用含水層的水位標高減去灰巖頂界面的標高，現采用水柱高度作為底板水頭，如圖6 所示。

圖6 4-1 號煤層底板水頭等值線圖Fig.6 Contour map of floor water head of No.4-1 coal seam

（4） 帶壓系數和突水系數。帶壓系數值計算方法為煤層底板總體抗壓強度與保護層厚度間的比值，根據礦井鉆孔資料的統計分析，得出4-1號煤層底板帶壓系數，見表2。

表2 4-1 號煤層底板帶壓系數Table 2 Pressure coefficient of floor of No.4-1 coal seam

突水系數的計算主要是通過煤層底板水頭與底板有效保護層間厚度的比值確定，基于井田范圍內的鉆孔數據，采用地質軟件surfer 的等值線計算功能，計算得出帶壓系數等值線圖，通過得到底板水頭等值線圖和底板有效保護層厚度等值線圖，將其進行比值即得到突水系數等值線圖，如圖7 所示。

圖7 4-1 號煤層底板帶壓系數和突水系數等值線圖Fig.7 Conisogram of floor pressure coefficient and water inrush coefficient of No.4-1 coal seam

（5） 基于突水系數與帶壓系數的比值大小，采用ArcGIS 區域賦值功能，將煤層范圍內比值系數大于1 的區域劃分為安全區，將比值系數小于1的區域劃分為危險區，結果如圖8 所示。

圖8 4-1 號煤層底板奧灰帶壓開采評價分區Fig.8 Evaluation zone of pressure mining of Ordovician limestone belt in No.4-1 floor of coal seam

4 防治水建議

針對井田北部底板突水危險區域，主要采取以下措施。

（1） 在該區域進行采掘活動時，應時刻關注采掘工作面情況及涌水量變化情況，加強井下采掘工作面超前探放水的工作。

（2） 綜合采用鉆探、物探等技術手段，查清煤層底板裂隙密集發育帶及地質構造復雜帶，分析導水構造部位的導水性能。

（3） 對于有效隔水層厚度較小的區域，采取隔水層注漿加固改造措施，增加有效隔水層厚度，在必要時應留設放水煤（巖） 柱。斷層緩沖區、構造端點和交叉點區域除應加強探測作業外，需采取疏導含水層中的承壓水、注漿封堵加固和合理留設放水煤（巖） 柱的方式進行防治水。

5 結 語

根據正利煤業井田范圍內4-1號煤層的賦存特征，通過數值模擬軟件得出煤層回采后底板巖層破壞深度的范圍為18～26 m，結合井田內地質鉆孔資料，采用“五圖系數法”進行底板奧灰含水層突水危險區域的分析。根據分析結果得出，煤層回采期間，井田大部分區域均處于安全區，僅井田中北部和東北部兩塊危險區域，并提出了相應防治水建議。