寺河矿东区15号煤层承压开采评价及防治技术研究

马鑫

（1.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 45400；2.山西晋煤集团技术中心，山西晋城 048006）

寺河矿东区15号煤层承压开采评价及防治技术研究

马鑫1，2

（1.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 45400；2.山西晋煤集团技术中心，山西晋城 048006）

矿井拟开采的石炭系太原组下部15号煤层存在承压开采问题，采用定量与定性相结合的方法，以含水层富水性、隔水层隔水性、断裂构造发育程度及导水性为主要指标，评价了承压开采可行性及防治水技术措施，为15号煤层安全承压开采提供了科学依据。

15号煤层；承压开采；可行性；安全性；防治技术

1 矿井概况

寺河煤矿目前开采的3号煤层，位于二叠系山西组下部，煤厚4.45 m～8.75 m，平均6.31 m，为稳定全区可采厚煤层。矿井采用斜井盘区式开拓，走向长壁采煤法，综采放顶煤工艺，垮落法管理顶板，中央并列式通风。矿井拟开采的15号煤层，位于石炭系太原组下部，煤厚1.80 m～5.45m，平均2.67 m，属稳定全区可采中厚煤层。煤层直接底板依次为砂质泥岩、本溪组铝土质泥岩及奥陶系灰岩，其中奥陶系灰岩地下水是制约15号煤层开采的主要充水水源[1]。

2 煤层底板水文地质特征

2.1含水层特征

煤层底板含水层主要为奥陶系峰峰组和马家沟组灰岩，由于受岩性、裂隙发育程度的影响，富水性存在显著的差异性。

1）奥陶系峰峰组灰岩含水层。位于15号煤层底板本溪组铝土质泥岩之下，主要由厚层状泥灰岩、石灰岩、角砾状石灰岩及白云质灰岩组成，厚100 m左右。依据抽水试验结果，钻孔涌水量0.014 L/s～0.325 L/s，钻孔单位涌水量0.000 4 L/s·m～0.004 72 L/s·m，为岩溶裂隙极弱富水含水层，水位标高449.70 m～546.54 m，如表1所示。

表1 奥陶系灰岩钻孔抽水试验成果

2）奥陶系马家沟组灰岩含水层。位于峰峰组灰岩以下，主要为石灰岩和白云质灰岩，厚300 m以上，横向与垂向上岩溶裂隙发育程度具有显著的不均衡性，据峰峰组与马家沟组混合抽水试验，钻孔涌水量0.08 L/s～4.35 L/s，钻孔单位涌水量0.000 86 L/s·m～0.188 0 L/s·m，水位标高477.75 m～520.53 m，属极弱至中等富水性。

2.2隔水层特征

15号煤底板距奥灰界面厚9.17 m～41.2 m，平均21m。主要以深灰-灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩和铝土泥岩为主，偶夹薄层石灰岩或泥灰岩。

3 15号煤层承压开采评价

3.1评价方法

考虑到评价的可靠性和安全性，采用定量与定性相结合的方法。定量评价主要采用突水系数法和充水强度预测，其中突水系数法是根据隔水层厚度与其所承受的水头压力计算的系数值，定量评价回采工作面底板承压水突水危险性，按照《煤矿防治水规定》规定，隔水层完整无破坏地段和构造破坏地段临界突水系数分别为0.10与0.06，大于临界值时为突水危险区[2]；根据预测的涌水量评价对矿井生产与安全的影响程度，定性评价主要采用煤层底板主要含水层富水性与地下水赋存特征及构造发育程度和导水性。

3.2承压开采安全性评价

3.2.1 突水系数的计算

采用《煤矿防治水规定》中计算公式：T=P/M.式中：T为突水系数，M P a/m；P为底板隔水层承受的水头压力，M P a；M为底板隔水层厚度，m。

煤层底板隔水层承受的水头压力值，依据水位观测孔实测的水位标高与隔水层底板标高进行换算；隔水层厚度分别采用煤层底板至奥陶系峰峰组顶面和峰峰组上部不含水层段，计算结果如表2所示。

3.2.2 煤层底板含水层富水性

奥陶系峰峰组石灰岩、泥灰岩及马家沟组石灰岩和白云质灰岩，尽管为连续沉积，但由于受岩性组合及空间赋存特征差异性影响，岩溶裂隙发育程度和富水性垂向上存在显著的差异性，其中，峰峰组上段，含水性极弱，地下水以各自独立的形式赋存于岩石空隙中，垂向上不同空间层位的含水层水相互间无水力联系[3]，尤其在弱动力水环境条件下，由于裂隙被结晶的方解石脉或泥灰岩分解后的粘土矿物充填，不仅表现为弱富水性，而且受区域地下水侧向径流补给影响较弱，主要以静态水为主；马家沟组尽管厚度大，但仅在部分层段含水相对较丰富[3]。

3.2.3 构造发育程度及导水性分析

1）断裂构造发育程度及导水性。井田位于沁水复式向斜盆地的东南缘，晋获褶断带的西侧，地层总体走向北北东，倾向北西西，倾角一般5°～8°，局部达12°，宽缓小型褶皱发育，轴向以近南北向为主。东区勘探解释10m及其以上断层8条，最大落差33m，其中逆断层3条，走向近南北，倾向西，落差10 m～33 m，断层带可见明显的挤压现象；正断层5条，走向北北东至近东西，落差10m～23 m，此外，采掘生产揭露小型正断层数十条，主要为正断层，少许逆断层，落差均在2m以下。依据褶皱特征及其构造应力场分析，认为褶皱较宽缓，对裂隙的形成影响不大，逆断层和北北东向正断层结构面力学性质为压性或压扭性，导富水性差，近东西向断层可能存在导富水性，煤层中发育的2m以下小型断层，对煤层底板隔水层破坏深度有限，直接沟通底板奥陶系灰岩水的可能性较小。

2）陷落柱发育程度及导水性。钻探、物探解释井田范围有陷落柱17个，平面形态以椭圆形为主，次为近圆形，纵断面形态为上小下大的锥柱状，陷壁角60°～80°之间，主要分布在井田北部与北东部，目前开采的东区尚未发现有陷落柱。

表2 15号煤层底板奥陶系灰岩突水系数计算结果

3.2.4 承压开采安全性综合分析与评价

按照理论计算结果，若不考虑奥陶系峰峰组上部为相对隔水层，煤层底板隔水层突水系数在0.0016～0.2203之间，在北西部存在突水危险性；若将奥陶系峰峰组上部作为相对隔水层，煤层底板隔水层突水系数在0.0598以下，无突水危险性。由于煤层底板峰峰组灰岩含水层为弱至极弱含水性，依据对不同矿区矿井承压开采研究及生产实践表明，在煤层底板含水层弱至极弱含水的情况下，突水的几率较小，即便有断层、陷落柱和采动破坏诱发的突水，水量在可控制范围内（按钻孔最大涌水量10倍计算为3.25m3/h），采取相应的防治技术措施，可安全承压开采[5]。

4 15号煤层底板承压水的防治

通过定量、定性分析结果表明，矿井拟开采的15号煤层，煤层底板奥陶系峰峰组灰岩，以极弱富水性为主，但由于水头压力大，采取以下防治技术措施确保矿井承压开采的绝对安全性。

4.1合理进行生产布局

依据煤层赋存特征，先期开采地段应优先布置在井田南东部煤层埋藏浅的区域，一是由于煤层底板奥陶系灰岩水头压力小，带压开采安全性高，防治水难度相对简单，在取得15号煤层带压开采经验后，依次向深部推进；二是通过对揭露的断层、陷落柱观测，验证是否存在导富水性，以及采动对底板的破坏影响程度与峰峰组灰岩地下水赋存特征[6]。4.2加大排水设施与能力措施

1）采用双巷掘进，在工作面机巷下方布设专用泄水巷，泄水巷与机巷间由联络巷连通，以预防掘进和回采过程中，局部富水区段涌（突）水增大能及时排泄，采面由上向下布置，则上一采面的泄水巷可作为下一采面的回风巷。该方法虽使工程费用显著增加，但可提高带压开采安全性，在河南、河北等大水矿区，采用该措施，避免了水害事故的发生[7]。

2）在巷道掘进与工作面采过程中，建立完善的排水设施，并配置潜水泵，以防底板意外发生涌突水能够及时排泄。

4.3超前探测措施

采用物探预测，钻探验证措施进行超前探测，一是查明掘进头前方断层、陷落柱发育情况和导富水性；二是在工作面圈成后，查明查明巷道与工作面底板奥陶系峰峰组灰岩富水性，隐伏构造发育情况[8]。4.4疏水降压与注浆加固措施

1）对查明的相对富水区进行超前钻探疏放水，以降低水头压力，增加隔水层的抗水压的能力。由于以局部含弱静态水为主，补给、径流条件差，符合疏水降压的条件。2）在查明的富水异常区与断层或陷落柱复合部位采取局部注浆加固，以防止沟通与马家沟组灰岩承压水的联系。

5 结束语

通过对15号煤层底板奥陶系灰岩含水层富水性、隔水层隔水性能、构造发育程度及导水性分析，研究了15号煤层承压开采可行性。结果表明，由于峰峰组上部灰岩为极弱含水性，大中型断层与陷落柱稀疏，且导水性差，小型断层落差在2 m以下，可进行承压开采。为确保矿井承压开采的绝对安全性，需要采取物探、钻探准确查明相对富水区范围的基础上，进行疏放水、加大排水能力和局部注浆加固技术措施。

[1]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.

[2]牟林,李功宇,姬亚东.晋城寺河矿下组煤底板带压开采条件的探讨[J].煤炭学报,2012（5）：755-761.

[3]于国芳，郭海英.山西柳林峰峰组含水特征及其矿井防治水的意义[J].中国煤田地质，2005，17(4)：28-31. [4]中国科学院地质所.中国煤矿岩溶水突水机理的研究[M].北京:科学出版社，1992.

[5]鲁海峰，袁宝远.带压开采煤层底板突水安全可靠性分析[J].水文地质工程地质，2010，37（6）:1-5.

[6]陈永新，魏丹峰.岳城矿15号煤层承压开采安全性研究[J].采矿与安全工程学报，2014（9）:42-44,52.

[7]陈永庆，申江.15号煤层承压开采安全性研究[J].中州煤炭，2014（11）:73-76.

[8]胡中信，徐进鹏.华北煤矿奥灰突水特点及防治对策研究[J].中国煤炭地质，2009，21(10):34-36，45.

（编辑：樊敏）

Evaluation and Control Technology of M ining above Aquifer in No.15 Coal Seam in East Area of Sihe M ine

MA Xin1，2
(1.Institute of Resources and Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China; 2.Technology Center,Shanxi Jincheng Coal Group,Jincheng 048006,China)

Mining above aquifer exists in No.15 coal seam in lower part of Taiyuan Group in Carboniferous System.Quantitative and qualitativemethodswere combined to evaluate the feasibility and control technology of the mining above aquifer by indicators such as water richness of aquifers, impermeability of auitard,development degree of fault structure and water conductivity,which could providea scientific basis for the safeminingaboveaquifer.

No.15 coalseam;miningaboveaquifer;feasibility;safety;control technology

TD 322

A

1672-5050（2016）06-069-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.021

2016-05-16

马鑫（1984-），男，河北黄骅人，在读工程硕士，工程师，从事煤田地质研究及科技项目管理。