礦壓作用對奧灰水帶壓區煤層開采的影響

米 然

(山西地寶能源有限公司，山西 太原 030045)

奧灰巖溶承壓水是煤礦安全生產的主要隱患之一，導致奧灰水底板突水的影響因素主要有奧灰巖溶含水層的富水性、煤層底板隔水層厚度、地質構造及礦壓作用等。其中礦壓作用會導致底板隔水層的強度降低，阻水性能下降。筆者本次以石碣峪煤礦為例，探討礦壓作用對奧灰帶壓區煤礦生產的影響。

1 研究區內奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層概況

研究區位于大同盆地南部邊緣，水文地質單元屬于神頭泉域徑流區。

奧陶系中統上、下馬家溝組碳酸鹽巖類巖溶含水層埋藏于井田深部，研究區外東南部地表有基巖出露。據礦方提供的資料：研究區鉆孔揭露奧陶系灰巖。上馬家溝組巖性為灰色、淺灰色泥灰巖、角礫狀泥灰巖夾灰白色白云巖；下馬家溝組巖性為厚層白云巖、白云質灰巖。根據水文孔水位觀測成果，結合區域水文地質資料，研究區內奧灰巖溶含水層水位標高為1058～1067m，水力坡度平均為2.36‰，總體向東北徑流（見圖1）。研究區內可采煤層為4、9、11號煤層。本次以最下部的11號煤層來分析礦壓作用對奧灰突水的影響，11號煤層底板標高在670～1140m之間，屬奧灰水大部帶壓開采煤層。

圖1 井田奧灰巖溶水等水位線圖

2 隔水層對奧灰突水的抑制作用

11號煤層底板隔水層厚度在28.13～57.49m之間，平均為48.20m，厚度總的變化趨勢是中南部薄，向南、向北逐漸變厚；東西向西部較薄，東部逐漸變厚（見圖2）。相對于奧灰巖溶含水層，井田內11號煤層底板隔水層包括石炭系太原組和本溪組。太原組主要由中—粗粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖和煤組成；本溪組主要由鋁質泥巖、泥巖、砂質泥巖、中—細粒砂巖，夾1～2層石灰巖組成。隔水巖層中剛性較強的巖層，如灰巖、砂巖等具有較高的強度，對抵抗礦壓的破壞起較大作用。柔性巖石，如泥巖、頁巖等，強度較低，抵抗礦壓破壞的能力差，但其隔水阻水能力較強。

本次僅利用研究區內以往地質勘探終孔層位達到奧陶系灰巖的8個鉆孔：SZK101、SZK102、SZK202、SZK203、SZK205、SZK302、補1、補2，對煤層底板隔水層進行評述。

依據《煤礦防治水細則》附錄五突水系數計算公式：

T=P/M

式中：T——突水系數，MPa/m；

P——底板隔水層承受的水壓，MPa；

M——底板隔水層厚度，m。

按公式計算的突水系數，在底板受構造破壞塊段一般不大于0.06MPa/m突水危險性小，正常塊段不大于0.10MPa/m突水危險性小。鉆孔煤層底板隔水層厚度及突水系數見表1。

由表1可知：研究區內隔水層完整無斷裂構造破壞的地段突水系數均小于安全臨界值0.1MPa/m，因此，隔水層完整的情況下，研究區內奧灰帶壓區域不存在突水危險，隔水層對奧灰突水起到良好的抑制作用。

表1 鉆孔煤層底板隔水層厚度計算成果表

3 礦壓作用對底板突水的影響

承壓水對煤層底板的破壞機理比較復雜，它是地質條件（隔水層的性質與厚度）、水文地質條件（底板含水層靜水壓力）及采礦活動產生的礦山壓力綜合作用的結果。底板采動破壞程度主要取決于工作面的礦壓作用，其影響因素有開采深度、煤層傾角、采高、工作面長度、開采方法及頂板管理方式等。其次是底板巖層的抗破壞能力，包括巖石強度、巖性組合及原始裂隙發育狀況等。因此煤層底板破壞深度的計算公式頗多，但都是以現場采集的統計數據總結出的經驗公式，距普遍應用還較遠。為簡便起見，本次采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中的經驗公式進行計算：

h1＝0.0085H＋0.1665α＋0.1079L-4.3579

式中：h1——底板破壞深度，m；

H——開采深度，m；

α——煤層傾角，（°）；

L——工作面斜長，取140m。

根據井田內以往地質勘探資料，井田內11號煤層底板破壞深度計算成果見表2。

表2 11號煤層底板破壞深度計算成果表

原始導升高度是在自然狀態下隔水層底部的承壓水沿隔水層中的斷層或裂隙向上導升的高度，它與奧灰含水層頂面以上隔水層的巖性及其組合有關。由于本溪組底部含1～2層穩定的鋁質泥巖，厚度6.46～13.80m，平均9.61m，因此近似認為原始導升高度為零。

設煤層隔水底板總厚度為h，底板破壞深度、有效隔水層厚度與原始導升高度分別為h1、h2和h3，則：

顯然，當hh1+h3時，則保護層存在，是否會發生底板突水，則取決于有效隔水層的厚度及其阻抗水的能力。阻抗水的能力根據現場壓水破壞試驗結果確定。

從上述計算可以看出，煤層開采深度越大，礦壓作用對煤層底板隔水層的破壞程度也越大。正常地段11號煤層底板破壞深度為13.13～16.21m，平均14.91m。當底板隔水層厚度均大于礦壓作用對煤層底板的破壞深度，具有一定的保護層，是否會發生底板突水，取決于有效隔水層的厚度及其阻抗水的能力。11號通過對完整隔水層和有效隔水層區域的兩次突水系數計算，由于受礦壓作用的影響，表2中突水系數較表1中會大很多，說明隔水層隔水強度大大降低，甚至在SZK205附近有效隔水層厚度為0，該區域保護層不存在，承壓巖溶水會直接涌入礦井，導致底板突水。

4 結語

礦壓作用的研究對奧灰帶壓區煤層的安全開采具有重要意義，礦壓作用直接影響著隔水層的隔水強度和阻水性，在煤礦生產時應當加強對對礦壓作用的探查，尤其是灰巖、砂巖等具有較高的強度的巖層更容易被礦壓破壞，只有對區域內礦壓破壞程度及規律有一個接近實際的認識正確的布置采面，從而安全生產。