王行庄煤矿带压开采安全性研究

王瑞华 王宏宇

(1.河南省煤田地质局资源环境调查中心，河南 郑州 450000；2.河南省煤炭地质勘察研究总院，河南 郑州 450000)

0 前言

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的煤层，无需进行疏干开采，只要使煤层底板承压充水含水层的水头压力疏降至安全开采高度，即可进行安全带压回采，以获得更好的经济效益。

1 矿井水文地质条件

1.1 含水层隔水层结构分析

王行庄煤矿含水层从上至下分为6 层。其中第四系砾石层孔隙潜水含水层(Ⅵ)，上、下石盒子组及上部砂岩孔隙、裂隙承压水含水层(Ⅴ)及山西组（P1sh）二1 煤层顶板砂岩孔隙承压水含水层组(Ⅳ)对二1 煤炭资源开采影响较小，从矿床水文地质角度来看，这三含水层组不作为重点研究对象。对二1 煤炭资源开采起主要影响的是奥陶系中统马家沟组（O2m）灰岩岩溶裂隙承压水含水层(Ⅰ)、太原组下段（C2tL1-4）灰岩岩溶裂隙承压水含水层(Ⅱ)，太原组上段（C2tL7—8）灰岩岩溶裂隙承压水含水层(Ⅲ)。其中III 含水层充水源目前基本疏干，正常开采情况下一般不会造成淹井事故。威胁二1 煤炭开采的主要因素是奥陶系中统马家沟组（O2m）灰岩岩溶裂隙承压水含水层(Ⅰ) 和太原组下段（C2tL1-4）灰岩岩溶裂隙承压水含水层(Ⅱ)，与二1 煤层底板相距分别为65.50m 和57.62m。这两个含水层该含水层岩溶发育，含水性强，联通性好，是巨大的富水体，是威胁安全生产的主要含水层，必须采取措施防治。

1.2 构造特征

王行庄煤矿位于新密复向斜的东段的东南角内侧。矿区内断裂构造较发育。矿区构造是在次级褶曲—草场沟背斜的基础上，发育有多条大小不等的正断层。构造线方向以东西向、北西向为主，与区域不同的是北东向不明显。受区域构造的影响与控制，东西向、北西向断裂构造（欧阳寺正断层、新庄正断层）构成本矿区南北自然边界。

1.3 充水因素分析

（1）二1 煤层顶板砂岩裂隙水，该含水层为二1 煤层的直接顶板，是矿床充水水源之一，但含水层富水性弱，（6001 孔q=0.004L/s·m，K=0.01564m/d），地下水径流迟缓，补给条件较差。充水通道均系微细的孔隙和裂隙，故一般不会对矿井形成较大的充水。

（2）太原群下部C2tL1-4灰岩岩溶裂隙水，该含水层由L1-4灰岩组成，其中灰岩厚度14.37～29.46m，平均厚度20.05m，该含水层溶洞裂隙发育，富水性强，在岩层破碎带或断裂带处将成为矿井间接充水水源。

（3）寒武～奥陶系灰岩岩溶水，矿区内普遍发育寒武-奥陶系灰岩含水层，该含水层岩溶发育，尤其是草场沟背斜轴部、断裂带、露头区。虽然富水性不均匀，但含水性强，在岩层破碎带或裂隙发育带会成为矿井间接充水水源。

（4）钻孔因素，王行庄煤矿范围勘查中，1978年以前施工的有73个钻孔封闭未达要求，同时有19 孔长观孔及大3 孔未封闭。这些钻孔垂向上使不同含水层之间发生水力联系，增大矿井的涌水量，同时也存在着直接导通含水层进入矿井的隐患。

（5）地质构造，矿区采区断裂构造较发育，二1 煤层顶、底板岩层中的构造裂隙是构成王行庄煤矿二1 煤开采突水的主要导水通道，在巷道掘进或工作面回采过程中遇到该类导水裂隙可能会造成矿井突水。

（6）采矿活动，当采矿工作面上部有含水层、导水断裂、充水老空时，由于采矿的作用，可使煤层顶底板产生破坏，并降低强度或形成人工裂隙，造成突水事故，此外，连续采矿活动会不断加剧对上覆地层及塌陷带的破坏，增加了大气降水渗人补给奥灰进而充入矿井的涌水量。

2 煤层带压开采的可行性

根据王行庄煤矿水文地质的特点，是煤系基底为奥陶系厚层灰岩岩溶含水层地应力高，水压高，对开采威胁大。虽然赋藏高压水，但若充分利用底板隔水层的防护作用，就可在不进行或很少进行疏水降压的情况下实现带压开采。

2.1 采动对煤层顶、底板岩层的破坏

（1）顶板采动裂隙

冒裂带发育高度计算公式：

式中：Hf——冒裂带高度，m；M——开采煤层厚度，m。

王行庄矿主采二1 煤层，煤厚0-24.76m，平均厚度7.07m，本文中取平均值7.07m 计算，则

（2）底板岩体破坏深度计算

目前，王行庄矿主采二1 煤层，开采-300m 以浅。下面以二1 煤为例计算采场底板破坏深度，二1 煤厚0-24.76m，平均厚度7.07m，煤岩层倾角3～18°。在本文中计算时选取：煤层在-300m 采取倾斜分带开采（11011 工作面、11071 工作面、11091 工作面）；工作面上方地表标高一般为+120m，矿区工作面选取值为：11011 工作面走向长度为650m，倾斜长度为150m；11071 工作面走向长度为960m，倾斜长度为150m。11091 工作面还在布置中。工作面采深为420m。由于当工作面倾斜长度大于70m，其它条件不变时，工作面几乎不影响突水强度。下面选取11071 工作面为计算参数。二1 煤层下伏太原组下段灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层，与煤层底板相距分别为57.62m 和65.50m。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》附录六中计算底板采动最大破坏深度公式为：

式中：h1——底板采动破坏带深度，m；

H——开采深度，m；

L——壁式工作面斜长，取150m；

a——煤层倾角，取10°。

则有：在-300m 水平

h1=0.0085×420+0.165×10+0.1079×150-4.3579=17.05m

（3）底板导升高度（h3）的确定

底板导升高度指含水层中的承压水沿隔水底板中的裂隙或断裂破碎带上升的高度。王行庄矿奥陶系灰岩上覆有厚约10m 的铝土岩。该岩层裂隙很少，不利于原始导高带的发育。据井田内揭露奥灰的钻孔统计资料，在地层完整地段，钻进至奥灰顶面左右时，钻孔水位、水量基本未发生变化，说明正常区原始导高带基木不存在或局部存在，但一般小于5m，只有极少数地段大于10m，因此，本文在计算过程中将正常区底板导升高度定为5m，生产中按物探、钻探结果参与分析计算进行修正，特别是在构造发育影响区应作为探查重点。

2.2 底板突水极限压力计算

（1）正常开采时底板突水极限压力理论分析

在承压水体上煤层正常开采过程中，从煤层底板到底部承压含水层顶板之间可以划分为“三带”，即底板采动裂隙带h1、完整有效隔水层保护带h2及承压水导升裂隙带h3。如图1a 所示，在采动裂隙带中，岩层主要受矿山压力的影响而产生破坏裂隙；在完整有效隔水层带，其受到的矿山压力的影响程度明显减弱，没有产生破坏裂隙；承压水导升裂隙带主要受承压水的作用，水压楔入岩体孔隙造成承压水导升。由于采动裂隙带及导升带不能起到完全阻隔承压水的作用。因此，底板是否发生突水，主要取决于有效隔水层带的厚度及其承载能力，所以下面将对底板有效隔水层带能够承载的突水极限压力进行计算。

在正常开采条件下，当长壁式工作面煤层为近水平或缓倾斜赋存时，可以假设底板有效隔水层带为四边固支的矩形平板。板的上部受采动裂隙带的重力作用γh1，下部受均布水压力P 作用。有效隔水层带的体力为γh2，可以将其等效为板面上的面力，如图1b 所示。

由于底板有效隔水层带未受到采动影响破坏，所以可将其看成连续、各向同性的均质介质，符合弹性力学假设条件。下面将底板有效隔水层带视为薄板，对其所能承载的突水极限压力进行分析可获得其弹性理论解。

图1 底板隔水层力学模型

对于长Lx、宽Ly，四边固支受均匀载荷q=p-λh 作用的矩形薄板，可以采用Ritz 法求解。假设板中面的挠曲函数为：

式中，m=n=1、3、5∧

上式能够满足固支板的边界条件，对其简化并根据H·Tresca 屈服准则整理，得到底板有效隔水层带所能承载的突水极限压力为：

式中：τ0——底板岩石的平均抗剪强度；

h2——底板有效隔水层带厚度；

H——底板采动裂隙带、有效隔水层带及承压水导高带厚度之和；

γ、ν——底板岩石容重与泊松比；

Lx、Ly——所研究区域的长和宽。

（2）王行庄煤矿正常开采工作面底板突水极限压力计算

现以二1 煤带压开采为例计算正常开采工作面底板突水极限压力，由公式（4）可知，可计算正常开采阶段底板有效隔水层带所能承载的突水极限压力P。

所需参数为：底板岩石的平均抗剪强度：τ0=6MPa；底板岩石容重：γ=2600kg/m3，泊松比：ν=0.3；

研究区域的长和宽分别为Lx，Ly；本文选取10071 工作面计算：Lx=960m，Ly=150m。

对于-300m 工作面，有效隔水层厚度h2=H-h1-h3，则

表1 二1 煤层有效隔水层厚度一览表

根据以上计算可以得到二1 煤正常开采阶段底板对L1-4有效隔水层带所能承载的突水极限压力：

同理，可以计算出二1 煤正常开采阶段底板对奥灰有效隔水层带所能承载的突水极限压力为4.15MPa。

由上述计算可知二1 煤正常开采阶段底板有效隔水层所能承载的突水极限压力大于目前观测到的最大水头压力（2.8MPa）。可以进行带压开采。

（3）断裂构造带安全性分析

对断裂构造带的阻水能力要具体分析，可分以下两种情况讨论:

a）充水、导水断层:它既为水源，又是通道。必须留设足够的煤柱。

b）不导水断层:一般充填物较软，强度低，断裂带附近地应力值也低，因此其阻水能力也大大降低。据室内相似材料模拟证实，断层处的应力及软弱充填物的强度降低到最小值的1/2 左右，因此断裂带的阻水系数Z；以奥灰含水层为例，可取

以穿过煤层的断层为例，若断层倾角60°，断裂带的导水破坏带深度为25m，导高为5m 时，则有效隔水层带的长度为55.5m。断裂带的阻水系数:

其阻水能力为1.66 MPa，小于目前观测到的最大水压pw(2.8MPa)，故有突水可能。

2.3 底板突水分析

这里采用突水系数法。就整个华北型煤田而言，关于底板奥灰突水可能性分区问题，可以考虑以下方案：

I 区：奥灰承压水面以上的地区，不存在底板奥灰突水问题；

II 区：奥灰承压水面以下，但突水系数Ts＜0.06，为可能发生底板突水危险地区，应在加强矿井防治水工作的情况下进行带压开采；

Ш 区：突水系数Ts介于0.06～0.15 的地区，发生底板突水危险较大，仅在构造简单的地段采取可靠安全技术措施后才可能进行带压开采；

IV 区：突水系数Ts＞0.15 的地区，是发生底板突水最危险地段，底板突水是不可避免的。只有在采取疏水降压把突水系数Ts减小到0.15 以下，才能实施带压开采或进行注浆加固。

结合上述计算的h1，h3数值，可以计算出二1 煤层三个开采工作面的极限突水系数。

表2 二1 煤层工作面底板极限突水系数一览表

结果显示，该井田内临界突水系数均超过0.06，而小于0.15，位于III 区，可以进行“带压开采”，在底板隔水层完整地段进行采煤生产是安全的；但若揭露严重破坏底板隔水层完整性的断裂构造，就仍可能诱发突水事故发生。

3 结语

根据王行庄矿的实际资料，对二1 煤层开采受到的灰岩水威胁的水患类型及特征进行了分析，认为在二1 煤层底板完整区段，水压不可能压裂岩层，有效隔水层能有效阻抗灰岩水压。在突水系数大于0.06MPa/m 的底板破裂区，建议留设防水煤柱，暂不开采。对于突水系数小于0.1MPa/m 的煤层底板正常区段，根据已有的防治水经验，在采用综合探查手段查明底板完整的情况下，可以实施安全开采。对于突水系数大于0.10MPa/m，但小于0.15MPa/m，在采取综合手段查明底板完整后，实施先探后掘，先探后采或实施局部疏水降压等技术手段，将采区突水系数降至0.10MPa/m 以下，且在回采阶段严密监测底板以及奥灰水压。对突水系数大于0.15MPa/m 的区段，暂不开采。

［1］张壮路，洪益清，田干.赵各庄煤矿深部带压开采可行性研究[J].煤炭地质与勘探，2005，33（8）.

［2］王小同，王公忠.王行庄煤矿突水灾害地质条件分析与防治措施[J].煤矿安全，2010-06：109-111.

［3］李加祥.煤层带压开采的安全性预测[J].煤炭地质与勘探，1985，05：39-43.

［4］刘元洪，李耀伟.河南省庇山矿二1-11091 采面带压开采论证及防治水措施[J].中国煤炭地质，2010，22（12）：46-49.