宏盛聚德煤业带压开采可行性分析

孙 浩，李永军，程绍强，李 琛

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

0 引言

我国是世界上产煤量最多的国家之一，原煤总产量的90% 以上属井工开采。然而，我国煤矿地质、水文地质条件总体来讲十分复杂，受水害威胁的煤炭储量约占探明储量的27%，仅华北地区受底板承压水威胁的煤炭储量约为160亿吨[1]。

随着老矿区可采资源的逐渐枯竭，解放受奥灰水严重威胁的下组煤，是稳定老矿区矿井产能的有效途径之一[2]。随着市场经济的发展，煤矿企业受经济条件制约，很难进行疏水降压、帷幕注浆等大型的防治水工程，带压开采成为受底板灰岩承压水威胁煤层开采的主要方法，这就为底板突水研究提出了更高更迫切的要求。因此，煤矿底板突水脆弱性预测和防范，对我国的煤炭工业的发展有着重要的意义[3]。

1 煤矿概况

山西柳林聚德煤业有限公司位于山西省柳林县城北偏西直距约10 km成家庄镇聚财塔、吉家塔村，属柳林县成家庄镇管辖。井田呈不规则多边形，东西长5.710 km，南北宽5.211 km，矿区面积16.4362 km2开采深度为510～880 m标高。

1.1 地层

井田位于河东煤田离柳矿区三交勘探区，柳林国家规划矿区柳林北区中部，地表大部分被第四系松散层所覆盖，仅在沟谷中上石盒子组、下石盒子组、山西组及太原组地层零星出露。根据钻孔揭露情况，将井田内发育地层由老到新叙述如下：奥陶系中统峰峰组；石炭系中统本溪组；石炭系上统太原组；二叠系下统山西组；二叠系下统下石盒子组；二叠系上统上石盒子组；上第三系上新统；第四系中、上更新统。

1.2 构造

井田总体上呈单斜构造，地层倾角平缓，走向NNW，倾向SWW，倾角1°～7°。根据三交勘查区详查资料，井田南边界紧接东西走向的聚财塔地堑，地堑北断层落差200～250 m，倾角为75°，下盘跨越井田东南边界内。受该地堑影响，离边界10 m左右，发育1条正断层，近EW走向，倾向N，落差15 m，倾角75°，延伸长度600 m。

井田西部原大东庄煤业有限公司4号煤层揭露有1条正断层，走向NW，倾向SW，落差5 m，倾角85°，延伸长度约110 m。4号煤层总回风巷及运输大巷揭露一个陷落柱，长轴135 m，短轴85m，呈上小下大之势，夹角约80°。在8号煤集中轨道巷650 m位置揭露一陷落柱，长轴140 m，短轴60 m；8号煤集中运输巷揭露一个陷落柱，长轴65 m，短轴41 m；8号煤集中轨道巷靠武家山区域揭露一个陷落柱，长轴40 m，短轴26 m，三个陷落柱均含水，水源为太灰水，不导水。

井田内未见岩浆侵入现象，可以判断，井田地质构造复杂类型为简单。

1.3 煤层

井田主要含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。其中山西组平均厚71.81 m，共含煤6层，自上而下依次为1、2、3 、4、5号煤层；太原组平均厚度86.79 m，共含煤6层，自上而下依次为6、7、8、9、10、11号煤层。其中，可采煤层为4、5、8、9号煤层。

1.4 矿井水文地质

1.4.1 地表水

井田内无常年性河流,和其它地表水体，几条大沟谷呈近东西向展布，以大沟谷为主干，构成羽状形态。雨季时，小沟谷水流汇聚于大沟谷中向西流出井田外，大多情况下，水流途径短，持续时间短暂。矿井兼并重组后井口及工业广场所在沟底标高为847 m，高于该区域洪水位6 m，井口及工业场地标高又均高于沟底标高10 m以上，洪水位线标高低于各井口标高。

1.4.2 含水层

奥陶系灰岩岩溶含水层：奥陶系地层在井田内全部被覆盖，钻孔揭露厚度109.1 m，岩性为青灰色、灰-深灰色石灰岩，裂隙较发育。单位涌水量q=0.40 L/s.m，渗透系数K=0.45 m/d，含水层富水性中等。

石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙含水层：太原组含水层主要由4～5层石灰岩组成，平均总厚度19.44 m，岩溶裂隙发育。单位涌水量0.409 L/s·m，渗透系数K=2.111 m/d，属中等富水性。

二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层：该含水层以中粗粒砂岩为主，平均厚度12 m左右，含水层裂隙发育差。单位涌水量为0.082 L/s·m，渗透系数为0.567 m/d，富水性较弱，在补给条件较好的地段富水性较好。

1.4.3 隔水层

1)山西组隔水层

山西组5号煤以下至太原组第一层灰岩之间是以泥岩为主，砂泥岩交替的一套地层，厚度为8～21 m，连续稳定，泥岩、粘土岩隔水性较好，可视为山西组与太原组之间良好的隔水层。

2)本溪组隔水层

本溪组厚22～38 m，平均厚度29.62 m。岩性主要为泥岩、粘土岩、粉砂岩夹薄层石灰岩，隔水性能好，在发育稳定。井田内最下层可采煤层9号煤层至本溪组距离18～30 m，平均22 m，其间以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及煤层组成。泥岩、砂质泥岩及粉砂岩也可以起到隔水作用。

2 底板突水影响因素分析

2.1 充水含水层

充水含水层的富水性是指含水层的含水程度或释放水量的能力。煤层底板突水和底板含水层的富水性有很大关系。衡量含水层富水性的最主要指标是单位涌水量，本井田奥陶系峰峰组灰岩单位涌水量取L15水文地质孔抽水试验所得q=0.40 L/s·m，渗透系数K=0.45 m/d，富水性中等。

2.2 断层

井田总体上呈现较平缓的单斜构造，井田南部受聚财塔地堑的影响,地层略有抬升,南部边界附近有一条正断层,落差15 m，为聚财塔地堑次一级断层。井田外聚财塔地堑由南北两条断层组成，二者相距450 m，断层走向近东西向，倾向相向，北部断层倾角70°～75°，落差80～120 m，局部伴生羽状断裂。该两条断层为张性正断层，断距较大，导水能力强，沟通了各含水层间的水力联系。

综合分析认为，井田内发育的陷落柱、断层等可能成为自然导水通道，导通下部含水层进入采掘工作面，故在采掘过程中需加强对断层、陷落柱的探测工作，采取防范措施防止突水事故发生。

3 带压开采的可行性研究

3.1 研究区域

带压开采主要是针对底板存在较强承压充水含水层的煤层。由于煤层与底板强岩溶承压充水含水层之间往往沉积一定厚度的隔水岩体，故对于底板存在充水含水层并沉积有隔水层的煤层，可以优先考虑带压开采。

井田范围内奥灰水位标高794～802 m，对于低于奥灰水位标高的区域存在带压开采问题，故需要进行安全回采设计。以解决4号煤层所在区域带压开采为例：

图1 4号煤层存在带压开采问题区域

3.2 脆弱性指数法评价

3.2.1 建立层次结构模型

根据对聚德煤业的地质、构造、水文等条件的分析，确定出该矿区底板突水的主要控制影响因素及其层次结构模型如下图所示：

图2 底板脆弱性评价层次结构模型

3.2.2 构造判断矩阵

在底板突水脆弱性评价这一目标(A)下， 构造各准则层Bi的相对重要性的两两比较判断矩阵，运用MATLAB强大的计算功能计算判断矩阵各因素的权重，并检验一致性。通过MATALAB程序，就可以方便地对层次分析判断矩阵进行计算，进而进行层次排序及一致性检验。目标层A与准则层Bi的判断矩阵及特征向量为：在B准则层下，构造各评价级别的相对重要性的两两比较判断矩阵(Bi～C)。判断矩阵一致性指标CI与一致性比例CR，存在的CR值都小于0.1，各组判断矩阵均具有令人满意的一致性，可通过一致性检验。

3.2.3 底板突水主控因素数据采集、量化及专题图的建立

首先将收集到的钻孔数据(如水压、岩性、岩石破碎率等)和现场观测数据(断层、节理统计等)的坐标及量化值等输入到GIS中，利用GIS的数据存储、数据分类以及数据更新等功能，生成相应的离散型数据文件；利用GIS强大的空间数据分析处理功能对网格进行剖分、插值等处理，生成连续型栅格文件；然后对栅格文件数值进行归一化处理；最终把归一化后的结果以图形的形式显示出来，并通过图形输出系统输出专题图。

Ai为归一化处理后的数据，a，b分别为归一化范围的下限和上限，本文取0和1，x为归一化前的原始数据。Min(xi)和min(xi)分别为各主控因素量化值的最大值和最小值。

把各控制因素的信息储存层复合成一个信息存储层中包含所有相关因素的信息，然后依据突水脆弱性指数模型所确定的准则，把各单因素归一化专题复合叠加合成一个新的图形并重建拓扑形成新的拓扑关系属性表，再经归一化处理后所生成的图形即为煤层底板突水脆弱性指数分布图。

图3 4号煤层脆弱性指数法评价分区图

3.3 突水系数法评价

针对研究区4号煤层，利用突水系数法[4]对其底板奥陶系灰岩含水层的突水危险性进行评价分析。为充分利用现有资料，在计算各点突水系数时主要考虑了聚德煤业提供的4号煤层，隔水层厚度图和根据钻孔及其他地质资料。

利用钻孔资料和其他地质资料，对4号煤层底板至奥陶系灰岩顶界面之间隔水层厚度分别进行了统计。最终利用突水系数法算出点4号煤层底板奥陶系灰岩突水的突水系数值，然后插值生成研究区突水系数等值线图(图4)。

图4 4号煤层突水系数等值线图

根据《煤矿防治水规定》[5]，在构造发育地段临界突水系数值为0.06 MPa/m；在正常地段临界突水系数值为0.1 MPa/m。根据实际情况，为安全考虑，取临界突水系数0.06 MPa/m。由图4 与图5可以看出，4号煤层整个井田区域，突水系数均小于0.06 MPa/m，全区属于较安全区域。

图5 4号煤层底板突水危险性评价分区图

4 结论

脆弱性指数法作为一个对全区进行相对性评价的方法，它考虑多种因素的综合作用，能较为全面细致地反映不同区域的相对脆弱关系。突水系数法是传统的评价方法，考虑因素较少。

1)从4号煤层底板奥灰突水系数评价分区图(图5)可以看出： 4号煤层距离奥灰含水层较远，最厚处隔水层达145.38m，水压为1～3Mpa。单从4号煤层底板隔水层厚度和隔水层承受水压这两个因素考虑，最后得出全区安全的结论。

2)从4号煤层底板奥灰突水脆弱性评价分区图(图3)可以看出：井田西部大部分为相对安全区，东部大部分为较安全区；另外，在断层、褶皱轴等构造分布区域突水可能性较大。此结果是综合考虑了4号煤层底板隔水层有效厚度、矿压破坏带以下脆性岩厚度、断层与褶皱分布、断层与褶皱交点分布、奥灰含水层的富水性、奥灰含水层的水压后得出，相对于传统突水系数法仅考虑两个因素，脆弱性指数法考虑更全面。

[1] 白喜庆，白海波，沈智慧.新驿煤田奥灰顶部相对隔水性及底板突水危险性评价[J]. 岩石力学与工程学报，2009，28(2)：273-280.

[2] 慕秀琴.力拓煤矿下组10、11号煤层带压开采安全性评价[J].中国煤炭地质，2012,24(11)：43-47.

[3] 牛建立.煤层底板采动岩水耦合作用与高承压水体上安全开采技术研究[M].北京: 煤炭科学研究院，2008.

[4] 李彩惠，带压开采防治水技术及研究方向[J].煤矿开采，2010,15(1)：47-49.

[5] 国家安全生产监督管理总局．国家煤矿安全监察局．煤矿防治水规定[M]．北京：煤炭工业出版社，2009．