昊村煤礦10 號煤層采動底板安全性評價研究

楊光源

（安徽省地質礦產勘查局312 地質隊，安徽 淮北 235000）

1 概 況

煤層采動后的底板巖體破壞，會使煤層與底板強富水含水層（以“奧陶紀石灰巖”為典型代表）之間的穩定隔水巖體失去隔水作用，在底板采動裂隙、導水斷層、導水陷落柱等垂向通道的影響下，煤層底板深部承壓水上涌引起涌水現象，特別是在采空區附近時，極易發生突水災害事故。因此，煤層開采底板破壞規律、底板安全性評價已成為我國華北石炭二疊紀煤田開采礦區的重要地質工作之一。

昊村煤礦是渭北煤田的早期生產礦井，目前山西組的3 號煤層資源近于枯竭，礦方規劃開采深部的太原組10 號煤層，但由于受底板奧陶系石灰巖強富水含水層的影響，需要開展大量底板探查和現場試驗工作，對太原組煤層開采底板安全性進行深入的分析評價。本文從煤層開采的水文地質條件出發，并基于煤層底板破壞深度和阻水能力的測試，以底板阻滲能力指標評價了10 號煤層開采的安全性，以期對礦井底板防治水工作提供可靠的理論支持。

2 煤層地質條件

昊村煤礦地處渭北石炭二疊紀煤田銅川礦區南緣，井田面積6.45 km2，設計生產能力60 萬t/a。煤礦主采山西組的3 號煤和太原組的10 號煤層，未來5 a 僅規劃開采南一采區10 號煤層。

10 號煤層厚度0.5～3.6 m，總體賦存較穩定，煤厚變化不大。目前，影響該煤層開采的主要含水層包括煤層頂板的山西組、上石盒子組、下石盒子組砂巖含水層和煤層底板的太原組石英砂巖/石灰巖、奧陶系石灰巖含水層，其中受底板奧灰含水層的威脅最大。

區域上抽水試驗結果顯示奧灰含水層為局部強富水含水層。根據井田范圍內的地面、井下水文探查孔和水文長觀孔的抽水試驗數據，井田內奧灰含水層單位涌水量為0.001 2～0.164 L/s·m，含水層富水性為弱—中等。單位涌水量總體呈由東向西逐漸增加的趨勢，井田東部多屬于弱富水區，西部為中等富水區，未來5 a 開采區域主要集中在井田南部。

依據《煤礦防治水細則》的底板突水系數的計算公式，計算并繪制了10 號煤層底板突水系數等值線圖（圖1）。由圖1 可知，井田范圍內，底板突水系數為0.01～0.13 MPa/m，總體呈由西南至北東逐漸增加的趨勢。井田西南突水系數小于0.06 MPa/m，屬于相對安全區；井田中部突水系數在0.06～0.1 MPa/m，屬于威脅區；井田東部突水系數大于0.1 MPa/m，屬于危險區。

圖1 10 煤底板突水系數等值線圖Fig.1 Contour of water outburst coefficient of No.10 coal seam floor

3 煤層底板破壞深度和阻水性能試驗

3.1 煤層底板破壞深度測試

在南一采區1101 工作面開展煤層底板破壞深度的試驗工作。結合生產實際，在1101 工作面軌道運輸巷350 m 和460 m 處，分別施工了測點，2個孔均為下俯布置，鉆進方向和巷道夾角為30°，鉆進過程中每隔一段距離（一般為2 m）安置1 個傳感器，用于獲取底板破壞信息的采集，如圖2 所示。依據不同深度的探頭應變測量值來推斷煤層底板破壞深度。根據2 個探查孔多個探頭的應變響應結果，推斷得出2 個孔的底板破壞深度分別為7.4～10.9 m 和8.1～11.5 m。從安全角度出發，確定昊村煤礦10 號煤層開采的底板破壞深度為11.5 m。

圖2 底板壞深度探測工程示意圖Fig.2 Schematic diagram of floor failure depth detection project

3.2 煤層底板阻水性能監測

3.2.1 工程布置

此次試驗在南一采區回風大巷與1101 工作面的交匯處開展，共布置3 個井下測試孔，均為向煤巷道底板下俯施工。鉆孔為兩兩組合，1 個用于注高壓水，同時監測水壓、流速、流量等參數，另外1 個合作鉆孔則安裝傳感器用以監測水壓。此次試驗監測了太原組石英砂巖含水層、太原組石灰巖含水層段和奧陶系中統馬家溝組灰巖含水層段3 個層位，分別命名為層位1、層位2 和層位3。

3.2.2 監測結果

昊村煤礦各層位導滲壓力值的相關參數見表1和表2。監測結果顯示，監測孔水壓的總體與施壓孔的水壓呈正相關關系，兩者變化趨勢基本一致。施壓測試的初期，監測壓力的變化較為緩慢，在1 h 以后，監測孔的水壓變化幅度才開始增加。因此，將監測孔水壓變化幅度增大點定為起始滲透點，并將該時段監測孔測試的水壓對應的施壓水壓定為起始導滲水壓。

表1 施壓1 h 導滲條件參數Table 1 The seepage condition parameters after 1 hour of pressurizing

表2 施壓2 h 穩定滲流條件參數Table 2 The stable seepage condition parameters after 2 hours of pressurizing

之后1 h 左右時間內，監測壓力值逐漸增大，但到施壓2 h 左右時，監測壓力值開始處于穩定狀態，壓力值不再出現明顯的波動。因此將監測壓力的穩定值定為穩定水壓。穩定水壓值就顯示了在各個層位施壓壓力水頭下的導滲條件。

4 底板安全性評價

4.1 評價方法

煤層底板隔水保護層的阻水能力的評價參數為阻滲強度Pm，計算公式如下。

式中：hi為第i 段含水層厚度，m；P0i為i 段含水層的單位厚度的阻滲強度，MPa/m。

依據昊村煤礦南部地面揭露奧灰鉆孔的資料，通過統計各含水層厚度、巖層的結構條件、巖芯采取率等參數，并基于底板破壞深度和底板阻水性能的探查結果，綜合計算抗滲強度。

從煤層底板奧灰等含水層的水壓與底板隔水保護層的阻滲能力的關系出發，認為煤層底板隔水保護層的阻滲強度大于奧灰水壓時，煤層開采不受奧灰的影響；反之，突水危險性就較大。因此，以底板阻滲能力（阻滲安全系數A）指標來評價安全性，公式如下：

式中：Pm為阻滲強度；P 為鉆孔水壓。即當A 值大于1 時，煤層開采不受底板含水層的影響；反之，有底板突水危險性。

4.2 評價結果

根據上述方法和監測數據，計算并繪制了昊村煤礦南部安全系數（A）的等值線圖，如圖3 所示。昊村煤礦南部安全系數為1.9～3.5，總體呈由東至西逐漸增加的趨勢，且無安全系數小于1 的區域。因此，昊村煤礦南部即將接續開采的南一采區受底板奧灰含水層的影響較小，正常情況下可以實現安全回采。

圖3 南一采區安全系數等值線圖Fig.3 Safety coefficient contour of southern No.1 mining area

5 結 論

（1）昊村煤礦10 號煤層開采時受底板太原組石灰巖和奧陶系石灰巖含水層的威脅較大，井田中部和北部的底板突水系數均大于0.06 MPa/m，存在安全隱患。

（2）煤層底板破壞深度測試結果顯示，10 號煤層開采的底板破壞最大深度為11.5 m；井下多孔聯系壓滲試驗結果顯示，監測壓力呈緩慢增加-快速增加-穩定的變化特點，獲取了各層位的導滲壓力值和穩定水壓值。

（3）南一采區安全系數（A）均大于1，正常情況下可以實現安全回采。