西上莊煤礦15#煤層帶壓開采的分析與研究

趙明宇

（晉控集團南煤公司西上莊煤礦，山西陽泉 045000）

近年來煤礦開采過程中多次發生底板奧灰巖溶水突水案例，如2012年太原東山煤礦發生突水，突水量達520m3/h，使一采區的工作無法進行。2018年山西城底礦井760東軌道大巷硐室右幫底板發生涌水，經測定涌水量為350m3/h 左右，水壓1.3MPa 左右，幾個小時后涌水量達到230m3/h 時左右。以上突水案例均是在采動情況下，受底板采動破壞、承壓水頭壓力，以及構造發育帶的影響，奧灰巖溶水涌入礦坑。西上莊煤礦15#煤層的奧陶系灰巖含水層水位較高，且富水性較強，導致15#煤層開開采期間屬于全區帶壓開采，開采過程中揭露的頂底導水構造的影響下，給15#煤層安全生產造成一定的水害威脅。

1 煤層概況

西上莊煤礦15#煤層厚度2.95～5.12m，平均3.87m，傾角12°。直接頂板均由砂質泥巖、泥巖組成，厚0.15～7.40m，平均2.72m，屬Ⅰ-Ⅱ類頂底板；直接底板的巖性與頂板相同，均厚3.63m，其力學指標如表1所示。根據地質填圖、鉆孔揭露發現和三維地震解釋成果可知，15#煤層內共發現大小斷層3 條，發育陷落柱2 個。15#煤層賦存的3 條斷層為隱伏張性逆斷層，導水性一般，陷落柱在煤層采動影響下，存在一定導水風險。

2 礦井水文地質

（1）15#煤層含水層。頂板含水層：15#煤層老頂覆巖為3層堅硬灰巖，編號為K2～K4，總厚度9.42m，裂隙巖溶不發育，含水層富水性弱，水文地質鉆孔及井檢孔抽水試驗資料，表明該含水層最大涌水量23.81m3/h，對15#煤層開采影響不大。

底板含水層：主要為奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層，富水性強，本區注水試驗滲透系數K值為0.000655～0.779m/d，單位涌水量0.000455～0.205L/(s·m)。在帶壓區域，巖溶陷落柱可以成為奧灰含水層導升的通道，導致含水性及導水性均有增加，是該煤層開采水患風險的關鍵。根據勘探所揭露的鉆孔水位，本煤層底板奧灰水底板標高230.87～357.9m，奧灰水位標高為421～436m，底板隔水層承受水壓介于1.407～2.790MPa。

（2）15#煤層隔水層。15#煤層的隔水層包括煤層頂板、底板以及K8～K12間隔水層。其中煤層頂板的穩固性較好，且具有較好的隔水作用；隔水層厚度較大；K8～K12 間隔水層厚72.6m，由砂質泥巖、粉砂巖組成，有效阻斷了上部含水層與煤系各含水層的水力聯系，具有良好的隔水效果。

3 煤層奧灰水帶壓開采安全性分析

煤層采掘后，圍巖巖體的應力平衡遭到破壞，導致含水層天然流場改變，地下水沿導水裂隙涌入礦坑，引發突水事故。15#煤層的帶壓安全開采最大突水威脅在于底板奧陶系巖溶水，其主要的突水因素包括地質構造發育程度和隔水底板奧灰水分布狀態。15#煤層的帶壓安全開采，決定于煤層的賦存條件，包括水文地質構造、含水層突水風險、隔水層性能以及底板斷裂、陷落柱的發育狀態。

3.1 煤層底板隔水巖柱分析

15#煤層底部主要由砂質泥巖和泥巖組成，從巖性上分析隔水性能良好。本區除揭露的新生界巖層為松散破碎的散體結構巖體外，礦井井巷圍巖均為砂巖、粉砂巖以及薄層灰巖，以塊狀結構巖體為主，總體評價巖體以中等完整為主，巖體質量分類為中等的。

鉆孔揭露15#煤底板隔水層厚64.12～79.60m，平均72.6m，該隔水層的厚度大、抗水性能強，且隔水層底部的鋁土泥巖具有沉積穩定、分布均勻的特點，能起到良好的隔水效果。

3.2 底板隔水能力分析

（1）底板隔水層承壓P。15#煤層開采主要水患源自于奧灰巖溶水，底板隔水層承壓的計算公式如式（1）所示。

式中：H——奧灰水位標高，m；

h——底板標高，m。

（2）安全水頭壓Ps。煤層采煤工作面隔水層所能承受的安全水頭壓力Ps的計算公式如下：

式中：M——底板隔水層厚度，m；

Ts——臨界突水系數，取值范圍0.06～0.1MPa/m，根據15#煤層隔水層的賦存狀況，取0.06MPa/m。

通過計算各煤層底板隔水層能夠承受的壓力P與安全水頭壓Ps如表2 所示，15#煤層的安全水壓值大于底板實際承受的水壓值，表明15#煤層奧灰水帶壓開采安全性。

表2 15#煤層安全水頭壓力計算表

3.3 礦山壓力破壞作用分析

礦山壓力對底板的破壞作用主要通過礦山壓力對底板破壞深度（Hp）體現。底板破壞深度是指圍巖受到煤層采動的影響，產生一定形變和位移的破壞裂隙區域深度，該深度與煤層的頂底板巖性、埋藏深度、傾角以及工作面斜長有關。經驗計算公式如式（3）所示。

式中：Hp——采礦擾動底板破壞帶深度，m；

H——開采深度，即底板標高，如表2 所示介于230.87～357.9m；

L——工作面斜長，取值245m；

α——煤層傾角，取值12°。

代入數值算得，15#煤層底板采礦擾動底板破壞帶深度介于26.04～27.11m 之間，遠小于煤層底板隔水煤巖層厚度64.12～79.60m，即礦井帶壓區域內煤層開采底板的破壞深度不會超過隔水煤巖層厚度。

3.4 帶壓開采分區

根據《煤礦防治水細則》，依據煤層突水系數把帶壓開采分區分為三個危險分區，如表3所示。其中Ⅰ區段斷層發育簡單，煤層底板抗隔水條件較好，T＜0.06MPa/m，帶壓開采無發生突水的可能性；T介于0.06～0.1MPa/m 時，危險分區為Ⅱ區，該區域存在突水的風險；Ⅲ區T≥0.10MPa/m，屬于帶壓開采危險區，需采取防治水工程后方可以進行開采。

表3 帶壓開采分區指標表

煤層突水系數=底板隔水層承壓P/底板隔水，帶入數據算得，15#煤層奧灰突水系數最小值為0.020，最大值為0.035。表明15#煤層的地質構造較為簡單且煤層底板抗隔水條件較好，屬于Ⅰ區，具備帶壓開采條件。

4 結論和建議

通過15#煤層的鉆孔資料進行分析表明，15#煤層底板埋深在230.87～357.9m，煤層底板隔水煤巖層厚度64.12～79.60m，該隔水層具有厚度大、抗水性能強、隔水性能好的特點，能起到良好的隔水效果，15#煤層的安全水壓值大于底板實際承受的水壓值。且煤層底板采礦擾動底板破壞帶深度介于26.04～27.11m，遠小于煤層底板隔水煤巖層厚度。帶壓開采分區結果表明，15#煤層為帶壓開采安全區，具備帶壓開采條件。

15#煤層帶壓開采突水危險性小，但在陷落柱構造薄弱部位存在奧灰突水的可能，礦井可在帶壓區加強對導水構造的探測，對于陷落柱構造區應采取注漿治理可進行帶壓開采。