蔚州煤田中－下侏罗统下组煤底板带压开采可行性研究

崔祥琨，侯玉德，张 琪

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221008;2.开滦 （集团）蔚州矿业有限责任公司单侯矿，河北蔚州 075700）

蔚州煤田中－下侏罗统下组煤底板带压开采可行性研究

崔祥琨1，侯玉德2，张 琪1

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221008;2.开滦 （集团）蔚州矿业有限责任公司单侯矿，河北蔚州 075700）

以蔚州煤田单侯矿为例，分析下奥陶统富水特征和下组煤底板带压规律，研究下奥陶统顶部隔水关键层存在条件和厚度，计算下组底板采动破坏带深度和有效隔水层厚度，预测下组煤底板下奥陶统突水危险性，评价下组煤带压开采可行性。研究表明:蔚州煤田单侯矿下奥陶统顶部存在约25m厚隔水关键层，隔水关键层使大面积受水压威胁下组煤得以解放。

下组煤;隔水关键层;带压开采

随着越来越多华北石炭二叠系煤田内的矿井进入太原组下组煤开采，利用中奥陶统顶部隔水关键层解放下组煤正在成为我国煤矿防治水领域研究热点。一般突水工作面到水源之间会被若干层岩层所阻隔，而各岩层由于其分层特性和所处采动岩体中的位置不同，其隔水性能是不同的，水最终需要穿透的那部分岩层或最终被阻隔住的岩层被称为隔水关键层［1－2］。岩层控制的关键层理论［3－5］中提到的“关键层”是指采动岩体运动中起主要承载作用的结构关键层，并控制采动岩体破断后的结构形态。

白海波［6］对比、分析了华北各煤田奥陶系残留组段与分布规律，首次明确提出在奥陶系顶部存在隔水关键层，这与以往研究仅讨论华北奥陶系峰峰组富水性强弱是不同的［7－9］。王长申［10］等通过岩石薄片鉴定、X射线荧光光谱分析等综合试验，分析了潞安矿区漳村峰峰组岩性、孔隙结构特征及其垂向分布规律，确定峰峰组可利用隔水关键层达142m。付雷［11］等通过分析王家岭矿区水文孔抽水试验和岩样溶蚀实验结果，结合区域的水文地质特征、构造特点、岩性等方面情况，确定了峰峰组隔水关键层的存在。范春学［12］通过对峰峰矿区奥陶系中统岩性及富水性调查与分析，确定了奥陶系顶部隔水关键层的存在，对今后进一步解放下三层煤，延长矿井寿命，具有很大的价值。

单侯矿位于华北地台北部边缘，煤系地层位于侏罗系下花园组中下部，矿区侏罗统和下奥陶统之间地层缺失，主采煤层下组5煤底板距下奥陶统灰岩含水层只有40m，煤层底板承受着下伏奥灰含水层3MPa的水压，带压开采5煤底板突水的危险性很大，对矿区隔水关键层的研究很有必要。

通过研究奥陶统顶部岩性以及富水位置，确定了奥陶统顶部隔水关键层的存在并确定厚度为25m，并且以突水系数为标准评价下组5煤带压开采可行性。研究表明，奥陶系顶部隔水关键层的存在，有利于下组煤的开采，与研究区的实际开采情况相吻合。

1 井田地质及水文地质条件

1.1 井田地层组成

单侯井田位于蔚县矿区中段南部，研究区内地层自下而上有:古生界寒武系上统、奥陶系下统、中生界侏罗系下－中统下花园组、中统髫髻山组、后城组、新生界第四系下更新统泥河湾组、上更新统马兰统及全新统。其中中生界侏罗系下－中统下花园组为井田的含煤地层，共含煤8层，其中1号、5号、6号煤层为井田主要可采煤层。1号煤距奥灰顶界面平均厚度7m;5号煤距奥灰顶界面平均厚度40m，6号煤距奥灰顶界面平均间距65m;有些部位奥灰含水层与1号和5号煤层直接接触，煤层开采构成严重威胁。

1.2 地质构造特点

蔚县矿区在大地构造位置上属于中朝准地台（Ⅰ）、燕山沉降带（Ⅱ）、冀西陷褶带（Ⅲ）、蔚县复向斜（Ⅳ）、蔚县开阔向斜（Ⅴ）的西北部。蔚县开阔向斜以其舒缓的褶皱为其特征，开阔向斜南翼被蔚县断层，北翼被阳原南山断层，西部被大湾－暖泉断层，东部被松枝口－右所堡断层所围割，将蔚县开阔向斜分割成一个相对独立的矩形断块，为一条走向北东、倾向南东的单斜构造。断块内自北而南可划分为2个一级构造单元，即月山向斜和蔚县背斜。如图1所示。

图1 区域构造

1.3 井田水文地质特征

根据井田钻孔揭露的地层时代、岩性特征、富水性，自下而上划分为5个含水层段，即寒武系灰岩含水层、奥陶系下统灰岩含水层、侏罗系中下统下花园组煤系砂岩含水层、侏罗系中统后城组砾岩含水层及第四系砂砾石含水层。其中富水性较强的为奥陶系下统灰岩含水层。通过在单候井田东南部边界19－9孔群抽水试验，确定基底灰岩水接受北部月山裸露区的补给及西北部暖泉－大湾断层尖灭带进水口的补给，向东南径流，流经南留庄井田、崔家寨井田进入本井田，由于井田东部F33阻水断层的存在，地下水折向南西最终向暖泉排泄。

由于矿区下奥陶统灰岩含水层水位标高为957.34m，下组5煤底板标高为650m，煤层底板普遍承受3MPa的水压。由于煤层下伏隔水层随古地形的起伏厚度不一，而且井田内有6条断距较大的断层，受采动的影响，使断层可能成为沟通含水层的通道从而缩短了煤层底板与奥灰含水层的间距。因而在厚度小的地段或处在构造部位，下组5煤的突水系数达到0.128，远远高于带压开采的安全上限，因此，研究奥陶统顶部隔水关键层的存在性及厚度有助于顺利解放下组5煤。

2 下奥陶统隔水关键层厚度研究

通过对井田中部19－9孔下奥陶统顶部 （如图2所示）分析，在下奥陶统顶部25m为灰岩和黏土岩互层，其中灰岩岩芯破碎，质不纯，含泥质，滴酸起泡不明显，坚硬，比重大，隐晶质结构，块状构造，夹黏土岩条带和方解石条带。黏土岩则细腻，呈鳞片状。在距离下奥陶统顶面9m处发育有张性垂直裂隙，充填有泥质薄膜;距离下奥陶统顶面19m处发育一组垂直张裂隙，裂隙长0.4m，充填钙质薄膜。对于岩层来说，泥岩、页岩、砂质页岩、泥质胶结的砂岩、粉砂岩、泥质灰岩等松软柔韧性岩层，都是良好的隔水层或相对隔水层;凡薄层砂岩、砾岩砂砾岩、具有岩溶的可溶性岩层以及坚硬脆性结构面多的岩层，不能作为隔水关键层［13］。通过上述岩性描述可知，下奥陶统顶部隔水性能还是很好的，虽然发育有裂隙，但是裂隙长度不大，而且充填有泥质和钙质薄膜，降低了裂隙的导水能力，可以作为隔水关键层。另外19－9钻孔对奥陶统做抽水试验，下管深度达到410m，而下奥陶统顶面深度为359m，抽水层段距离下奥陶顶面有50m的距离，富水层段距离奥陶顶面50m左右，可知下奥陶统上部富水性不强，从而也可以得知下奥统上部应当作为隔水层来考虑。

图2 奥陶统顶部柱状

综上，下奥陶统顶部的25m灰岩和黏土岩互层，坚硬、比重大，裂隙发育不多且裂隙被泥质和钙质薄膜充填，有很好的阻水能力，所以，下奥陶统顶部25m应当作为隔水关键层的厚度。

3 带压开采可行性分析

3.1 底板破坏带深度RFPA数值模拟

用岩石破断过程分析软件RFPA2D，对随工作面推进时底板岩层变形破坏情况进行数值模拟。模拟尺寸:工作面推进方向取300m，铅垂方向取200m，基元取1m×1m，总基元数60000个。在模型的最上部为砾岩，依次往下，分别为砂岩、砾岩、黏土岩、砂岩、黏土岩、粉砂岩、5煤、砂岩和黏土岩。模型左、右两侧为水平方向位移约束。底部为铅垂方向位移约束。上表面边界受向下的均布载荷作用，在模型上方施加面载荷，模拟处于采场上部的几百米厚的岩层自重，分布集度q= 5MPa。模型在距离左边界100m处开挖，开挖10步，每步开挖10m。

通过模拟开采，得出随着工作面的推进，底板的应力集中区分布图，如图3所示。当工作面推进到100m时，工作面后方采空区大部分被岩石充填，底板破坏深度达到17m。

图3 工作面推进100m底板破坏深度

3.2 底板破坏带深度经验公式计算

矿压破坏对隔水层厚度的影响主要取决于矿压破坏深度。破坏深度愈大，隔水层有效厚度的减少愈甚，诱发底板突水的可能性愈大。矿压破坏深度的大小与回采工作面尺寸、开采方法与工艺煤层厚度及倾角、开采深度及顶底板的岩性及结构等因素有关，根据“三下”采煤规程推荐的统计公式，计算底板破坏深度为:

式中，h为底板破坏深度，m;L为工作面斜长，m，6101工作面斜长为150m;α为煤层倾角，6101工作面5煤及地层倾角为8°;H为开采深度，m，主要依据矿区内22－24钻孔揭示5煤埋深为380m。

经计算，底板破坏带深度为16.4m。与RFPA数值模拟的底板破坏深度16～17m是吻合的。

3.3 底板有效隔水层厚度分析

有效隔水层的概念有2种含义:一是根据岩石力学强度比定义的，即评价底板抵抗受力破坏的“强度”等效厚度，砂岩的等效厚度系数最大;另一种是根据岩层隔水能力比 （主要参数为渗透系数K）定义的，评价底板阻水能力的“隔水”等效厚度。

研究区5煤底板隔水层主要由中侏罗统隔水层和奥陶统顶部隔水关键层组成。5煤底板中侏罗统地层岩性多为中砂岩、粉砂岩、泥质砂岩与泥岩互层，具有很好的隔水性能，取其真厚为有效隔水层厚度。井田煤层底板至奥陶系顶部之间岩性多为中砂岩、粉砂岩、泥质砂岩与泥岩互层，偶含砾石层，底部为鲕状泥岩。泥岩为灰色或者黑色，泥质胶结，可以看到植物根部碎屑，岩性致密坚硬。砂岩以中砂岩和粉砂岩为主，灰色，岩芯完整，主要成分为长石和石英，层理不明显，有少量裂隙发育，岩性致密坚硬。这种泥质岩类与砂岩硬脆性岩类的良好组合，既具有隔水性能，又具有一定的力学强度，对抵抗岩溶水压是非常有利的，是较好的隔水岩层。分析井田内的钻孔，这部分岩层最小厚度为40m。奥陶统顶部25m隔水关键层既具有较好的隔水性能，又具有较大力学强度，也取其真厚作为有效隔水层厚度。

研究区5煤层底板有效隔水层总厚度为:

式中，M为5煤底板有效隔水层总厚度，m;h为中侏罗统有效隔水层厚度，取40m;h2为奥陶系顶部隔水关键层厚度，取25m;h1为煤层底板破坏带深度，取16.4m。

如果不考虑下奥陶统隔水关键层的存在，M=h－h1=40－16.4=23.6m。

现在，通过对有效隔水层厚度下奥陶统隔水关键层的分析，确定了下奥陶统隔水关键层的厚度，M=h+h2－h1=40+25－16.4=48.6m。

3.4 带压开采可行性分析

评价煤层带压开采可行性的依据为突水系数Ts。根据《煤矿防治水规定》（2009年），突水系数计算公式为:

式中，P为煤层底板承受水压，3MPa;M为有效隔水层厚度，m。

在没有考虑下奥陶统隔水关键层时，Ts=P/ M=3/23.6=0.127，远远大于带压开采的安全上限Ts=0.06，开采5煤是不可行的;考虑下奥陶统隔水关键层后，Ts=P/M=3/48.6=0.062，接近带压开采安全上限Ts，进行一定的防治水措施即可开采。图4和图5为利用观1等13个进行抽水试验的钻孔水位资料，结合煤层底板以及隔水层厚度得出的考虑下奥陶统隔水关键层前后矿区的突水系数等值线图。不考虑下奥陶统隔水关键层时 （图4），整个矿区5煤底板的突水系数是大于安全上限0.06的;考虑了下奥陶统隔水关键层后 （图5），整个矿区5煤底板的突水系数均小于安全上限0.06，5煤可以安全开采。在矿区的实际开采过程中，下组5煤已经得到安全开采，进一步证实了奥陶统顶部隔水关键层的存在，与本文分析的结果相吻合。

图4 不考虑隔水关键层时突水系数等值线

图5 考虑隔水关键层时突水系数等值线

4 结论

通过对奥陶统顶部岩性分析以及对奥陶统富水位置的研究，确定了奥陶统顶部隔水关键层的存在，并且确定其厚度为25m，有效隔水层厚度因此大大增加，从而在理论上证明了开采在不考虑隔水关键层时不能开采的下组5煤是安全的，这也在矿区的实际开采过程中得到验证。隔水关键层理论在华北其他矿区也是有效的，这对于解放下组煤有着重要的意义。

［1］缪协兴，浦 海，白海波.隔水关键层原理及其在保水采煤中的应用研究［J］.中国矿业大学学报，2008，37（1）.

［2］缪协兴，陈荣华，白海波.保水开采隔水关键层的基本概念及力学分析［J］.煤炭学报，2007，32（6）:561－564.

［3］钱鸣高，缪协兴，许家林，等.岩层控制的关键层理论［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

［4］缪协兴，钱鸣高.采动岩体的关键层理论研究新进展［J］.中国矿业大学学报，2000，29（1）:25－29.

［5］茅献彪，缪协兴，钱鸣高.采动岩体中关键层的破断规律研究［J］.中国矿业大学学报，1998，27（1）:39－42.

［6］白海波.奥陶顶部岩层渗流力学特性及作为隔水关键层应用研究［D］.徐州:中国矿业大学，2008.

［7］汤邦义，周忠孝，王秀进.山西省太原西山奥陶系岩溶水特征及其资源的初步评价［A］.中国北方岩溶和岩溶水［M］.北京:地质出版社，1982.

［8］李定龙，周治安，王才会.华北地区奥陶系灰岩岩溶研究的几点思考［J］.世界地质，1997，16（1）:60－65，100.

［9］张之淦.娘子关地区马家沟灰岩岩溶［A］.中国地质学会第二届岩溶学术会议论文选集［C］.北京:科学出版社，1982.

［10］王长申，白海波，缪协兴.漳村矿峰峰组隔水关键层孔隙性实验研究［J］.中国矿业大学学报，2009.38（4）:455－462.

［11］付 雷，李壮福，许进鹏，等.王家岭煤矿中奥陶统峰峰组隔水特征分析［J］.中国煤炭地质，2010，22（3）:28－31.

［12］范春学，李同霖.对峰峰鼓山奥陶系中统富水性的调查分析［J］.北京地质，2001（1）:12－15.

［13］李春意，崔希民，袁德宝，等.隔水关键层水文地质概念模型的建立与分析［J］.煤矿安全，2009（4）:11－15.

Feasibility of Mining Lower Coal-seam with Floor Water-pressure at Middle-down Jurassic Period in Weizhou Coalfield

CUIXiang-kun1，HOU Yu-de2，ZHANG Qi1

（1.Resources＆Earth Science School，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221008，China; 2.Danhou Colliery，Weizhou Mining Corporation of Kailuan Group，Weizhou 075700，China）

Taking Danhou Colliery as an example，this paper analyzed hydrological characteristic of Ordovician period and floor water pressure rule of lower coal-seam.Existence condition of key strata against water in top of Ordovician period and its thickness was researched.It calculated depth of floor damage induced bymining and effective aquiclude thickness，predicted water-burst danger and evaluated feasibility ofmining with water pressure.Result showed that about25m thick aquiclude exist in top of lower Ordovician period and it could provide protection formining lower coal influenced by water pressure.

lower coal;key strata againstwater;mining with water pressure

TD823.86

A

1006-6225（2011）04-0048-04

2011－03－29

国家重点基础研究发展计划 （973）资助项目 （2007CB209400）

崔祥琨 （1988－），男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向为矿井水害防治技术。

［责任编辑:李宏艳］