长平煤矿3＃煤层带压开采可行性评价

贾亦真，蒋存浩

（1.桂林理工大学地球科学学院，广西 桂林 541004；2.中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100083）

长平煤矿位于沁水煤田高平矿区中西部，距山西省高平市西北约17km，井田面积为43.5km2，主采煤层为3＃、8＃、15＃煤层，现主要开采3＃煤层。井田内3＃煤层大部分区段为带压开采，8＃、15＃煤层全部为带压开采。目前井区内已揭露或探测出若干岩溶陷落柱，若这些构造将各含水层沟通并导通深部奥灰水，将会严重威胁到矿井的安全生产，甚至产生灾难性后果。国内外学者对煤层带压开采技术已进行了大量的研究［1—8］，本文在研究各种带压开采先进技术的基础上，结合长平煤矿矿区实际水文地质条件和生产现状，采用突水系数、底板隔水层厚度分析、地质构造研究等理论联系实际的方法对长平煤矿3＃煤层带压开采进行了分区评价和研究，以预防该矿井突水危险，提高开采效率。

1 矿井地质与水文地质条件

1.1 地质条件

长平煤矿矿井地层东部受晋获褶断带影响，总体走向北北东，倾向北西西，倾角为5～12°，在倾向上发育次一级的向背斜及断裂构造；矿井西部受沁水盆地南缘东西向构造影响变为东西向，局部受局部构造应力作用变得弯曲。根据地表出露和井下揭露，在长平煤矿矿区内发育的中小型断层较多，断距多为5～10 m。此外，井田范围内陷落柱极为发育，依据生产揭露，其基本形态均呈圆至椭圆状，长轴与短轴最大直径分别为140m 和116m，其中有两个陷落柱局部有出水现象，充水水源均为顶板砂岩裂隙水，最大水量为15～20m3／h，稳定水量为3～4m3／h。

1.2 水文地质条件

1.2.1 地表水体

矿井及附近主要地表河流为丹河，发源于矿井以北丹朱岭西部后沟村西北，从矿井东部边界处由北向南流过。丹河河水流量受季节性影响较大，旱季时水量较小，雨季时水量增大。

1.2.2 主要含水层

（1）中奥陶统峰峰组（O2f）石灰岩岩溶裂隙含水层。该含水层隐伏于煤系地层之下，未见出露，其埋藏深度为390～617m左右，由石灰岩、泥质灰岩及白云岩等组成，为矿井内主要含水层，含水层单位涌水量为0.000 7～0.016 3L／（s·m），渗透系数为0.010 3～0.293 6m／d，水位标高为640.73～693.97m，见图1。

图1 矿井水文地质柱状图Fig.1 Hydrogeological histogram

（2）上石炭统太原组（C2t）岩溶裂隙含水层。该含水层由五层石灰岩组成，水位标高为667～688 m，见图1。

（3）下二叠统山西组（P1sh）及K8砂岩裂隙含水层。该含水层为碎屑岩裂隙含水层，水位标高为757.45m，见图1。

（4）基岩风化带裂隙含水层。该含水层的岩性因地而异，风化裂隙发育因岩性、构造及地形控制而不同，一般发育深度在70 m 左右，水位标高为887.39～941.63m。

（5）松散层孔隙含水层。该含水层主要由具孔隙的亚黏土、砂、砾石等组成，区内大面积出露，水位标高为887.39m。

1.2.3 主要隔水层

石炭系上统太原组（C2t）底部及下统本溪组铝质泥岩、二叠系砂岩含水层层间泥岩为本段主要隔水层，隔水性良好，能隔断各含水层之间的水力联系，起层间隔水作用，见图1。

2 3＃煤层带压开采安全评价

2.1 突水系数

突水系数是衡量矿井突水可能性大小的一个数量指标。该指标在20世纪60年代由我国煤炭工业部组织的焦作会战提出，并开始使用突水系数临界值概念。突水系数临界值主要是通过对大量突水资料统计获得，并一直选用0.06 作为突水系数临界值，以此确定煤层底板水压的安全水头值。在2009年12月1日起开始实施的《煤矿防治水规定》中确定的突水系数公式为［9］

式中：T 为突水系数（MPa／m）；P 为底板隔水层承受的水头压力（MPa）；M 为隔水层厚度（m）。

本文结合我国一些突水资料丰富的矿区总结出的临界突水系数值和《煤矿防治水规定》对突水系数临界值的界定（底板受构造破坏段突水系数值一般不大于0.06 MPa／m，正常块段不大于0.10 MPa／m）［9］，并根据长平煤矿矿井实际水文地质条件和华北型矿井突水系数的经验值，确定长平井田煤层底板最小突水系数的临界值为0.06 MPa／m。

2.2 隔水层厚度

3＃煤层位于山西组下部，该煤层直接底板为平均厚约10m 的泥岩和砂质泥岩。太原组为一套海陆交互相含煤地层，主要由深灰—灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、灰色砂岩和5层海相薄层石灰岩及6～7层煤层组成，其中除K2、K3和K5薄层灰岩为弱含水层外，其余均为隔水层，隔水层平均厚度约82m。

受采掘活动破坏和地质构造的影响而可能导通的含水层为3＃煤层顶板砂岩裂隙水和底板灰岩承压水，自下而上主要有奥陶系灰岩和石炭系太原组K2、K3、K5及K6石灰岩，见表1。

表1 各灰岩含水层基本特征一览表Table 1 Basic features of limestone aquifers

2.3 参数的选取

根据突水系数公式进行计算可知，3＃煤层底板K2、K3、K5和K6承压含水层在深部都存在突水危险性（TS＞0.10 MPa／m），但是由于各含水层厚度小，富水性较弱，与下方的奥陶系灰岩含水层无水力联系，且在生产中揭露承压含水层最大涌水量介于40～207m3／h，按《煤矿防治水规定》［9］属于简单的水文地质类型，在可控制范围之内采取疏水降压等防治水技术可以进行处理。

区内奥陶系灰岩含水层位于3＃煤层底板以下108.4～151.00m，平均值为121.6m，局部富水性强，静水位标高为627m，按照公式（1），并根据钻孔资料的相关数据，对底板奥陶系灰岩含水层对3＃煤层的突水系数进行了计算，具体的计算结果和钻孔分布见图2。其中，参数底板隔水层承受的水头压力P 根据水位标高和3＃煤层底板标高确定；参数隔水层厚度M 根据钻孔资料中3＃煤层底板标高和奥陶系灰岩顶面标高确定。

2.4 带压开采分区

本文通过参考相关文献资料和矿井经验数据［10—12］，并结合本矿井的水文地质条件和生产实际现状，将采取以下方案对3＃煤层进行带压开采分区：Ⅰ区不存在底板突水问题；Ⅱ区可能发生底板突水危险区域，应在加强矿井防治水工作的前提下进行带压开采；Ⅲ区发生底板突水危险较大，需对构造异常区域进行深入的探测研究，并采取可靠的安全技术措施后才能进行带压开采；Ⅳ区是发生底板突水最危险的地段，底板突水是不可避免的，只有在采取疏水降压把突水系数降低到0.10MPa／m 以下时才能实施带压开采，见表2。

表2 带压开采分区范围和标准Table 2 Partition scope and standards for mining under water pressure

图2 3＃煤层带压开采分区图Fig.2 Region division of mining under water pressure in 3＃coal seam

现有国内外的相关生产矿井研究中经常采用地质构造发育程度、突水系数、富水性等指标来划分带压开采区域［12—20］。根据长平煤矿的实际地质与水文地质条件来分析，突水系数法为长平煤矿划分带压开采区域最合理的方法，所以本文将根据突水系数计算结果对长平煤矿3＃煤层进行带压开采分区，即按照公式（1）对各钻孔进行突水系数计算，计算出突水系数后按照上述分区方法依次归类为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ区，见图2。

从突水系数计算结果（见图2）可以看出：在整个矿井范围内，3＃煤层底板奥灰水突水系数均小于0.06 MPa／m，总的变化趋势是井田东北部突水系数较小，向中部、西北部逐渐变大，突水系数最大值为0.040 2 MPa／m，小于突水系数临界值0.06 MPa／m。因此，可将长平煤矿3＃煤层分为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区：①Ⅰ区为安全区，主要分布在2203、2602、2702、2803钻孔东侧，奥灰水位标高610～627 m 以东，为不带压，其开采基本上不受底板奥灰水的影响，在开采过程中主要受顶板砂岩裂隙水的影响，现已基本回采完毕；②Ⅱ区为相对安全区，主要分布在2203、2602、2702、2803钻孔西侧，奥灰水位标高610～627m 以西，为带压开采区域，但全区突水系数值均小于0.06 MPa／m，区内有李家河正断层，落差20～50m 的两个中型陷落柱，都未导通底板高承压奥灰水，虽与太灰薄层灰岩含水层有水力联系，但采取注浆加固或疏水降压措施后可实现安全开采，此区域为矿井当前主采区；③Ⅲ区为相对危险区，主要分布在井田西南部，虽然该区突水系数值均小于0.06 MPa／m，但是区内多发育大中型陷落柱，此区域为中长期规划区，未对陷落柱做进一步的勘探工作，其规模和富水性不明，需在今后工作中做详细的勘探研究，才能制定出相应的防治措施。

3 巷道底板及掘进工作面突水危险性评价

根据《煤矿防治水规定》和有关资料［5—7，21］，当承压含水层与开采煤层之间的隔水层能够承受的水头值大于实际水头值时，开采后隔水层不容易被破坏，煤层底板水突然涌出的可能性小，可以进行带压开采，但应当制定安全措施。长平煤矿3＃煤层主要采用带压开采技术，在采取某些技术措施后，可实现安全采掘。但煤层底板突水危险性的准确预测预报是保障承压水上安全开采煤层的关键，因此可结合长平煤矿实际水文地质情况，根据区内掘进巷道和回采工作面底板突水危险性评价，来预测评价在构造发育异常区段采取相应的堵水加固措施后3＃煤层安全带压开采的可实现性。

目前掘进巷道和回采工作面底板突水危险性预测与评价主要采用突水系数法和斯列萨列夫公式［20—23］。

3.1 掘进巷道底板突水危险性评价

斯列萨列夫公式为

式中：t为底板隔水层临界厚度（m）；L 为巷道底板宽度（m）；P 为底板隔水层承受的水头压力（简称水压，MPa）；KP为底板岩石的平均抗拉强度（MPa）；r为底板岩石的视密度（MN／m3）。

参数的选取和计算如下：巷道底板宽度L 取5 m；水压P，依据研究区域3＃煤层底板标高290～690m，K3、K5和K6水位标高为688m，K2水位标高为667m，奥陶系灰岩水位标高采用研究区近期水位观测结果627 m，换算成水压P 分别为0～3.98MPa、0～3.77MPa和0～3.37MPa；依据煤层底板岩石物理力学性质测试结果（矿方数据），岩石抗拉强度KP取平均值1.31 MPa；岩石视密度r按岩石组合，取平均 值2.76t／m3，即0.002 76 MN／m3；按照公式（2）以及确定的参数，取各含水层的最大和最小水压分别计算煤层底板相对于各含水层的安全隔水层厚度，具体计算结果见表3。

表3 3＃煤层底板相对于各含水层的安全隔水层厚度计算结果Table 3 Calculation of the thickness of aquifuges under floors

根据表3计算结果，掘进巷道底板隔水层临界厚度最大值为6.15m，3＃煤层底板与含水层最小距离为10.46m，该距离大于隔水层厚度临界值，表明在无构造破坏的正常地段，不会产生底板突水，构不成对巷道充水影响，各含水层均为安全。此外，井田Ⅱ区内大中型的断层和陷落柱发育较少，且都未导通奥灰高承压含水层，防治难度不大；Ⅲ区内大中型陷落柱较发育，且无详细资料，需进一步探测后才能制定相应的防治措施。

3.2 回采工作面底板突水危险性评价

《煤矿防治水规定》附录五中回采工作面安全水压值计算公式为［9］

式中：P 为安全水压（MPa）；M 为底板隔水层厚度（m）；TS为临界突水系数（MPa／m）。

参数的选取和计算如下：

临界突水系数采用保守值0.06 MPa／m；K3、K5和K6水位标高为688m，K2水位标高为667m，奥陶系灰岩含水层水位标高采用研究区近期水位观测结果627m，换算成水压P 分别为0～3.98MPa、0～3.77 MPa和0～3.37 MPa。

按照公式（3）以及确定的参数计算3＃煤层回采工作面底板各灰岩含水层突水系数和安全水压，其计算结果见表4。

表4 3＃煤层回采工作面底板各灰岩含水层突水系数和安全水压计算结果Table 4 Results of water inrush coefficients and safety water pressures of limestone aquifers under the working surface in 3＃coal seam

由表4可以看出：太原组上部K5、K6灰岩水分别在447m 和585m 水位标高以下，突水系数和水压值超出安全范围，其他灰岩含水层均在安全水压值范围之内。

4 结论

本文以长平煤矿3＃煤层为研究对象，在深入分析长平煤矿地质与水文地质特征的基础上，对长平煤矿3＃煤层进行了底板带压开采的分区，并通过理论分析和数据计算相结合的方法，采用突水系数法和斯列萨列夫公式对3＃煤层底板突水危险性进行了预测与评价，确定了底板高承压水的影响范围，为实现3＃煤层的安全带压开采提供了一定的依据和参考，并得出在采取综合的预防治理措施后，实现3＃煤层的安全带压开采是可行的结论。

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