太原西山煤田杨庄井田煤层突水危险性分析

周 瑞 耿 杰 李俊杰

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024；2.山西省煤炭地质148勘查院，山西省太原市，030053；3.西山煤电集团地质处，山西省太原市，030053)

近年来，太原组下组煤底板突水正在成为华北地区矿井水害防治的研究热点，国内外不少学者与专家对煤矿奥灰顶部相对隔水性及水文地质特征进行研究，提出了利用奥陶系顶部隔水层释放煤层底板受奥灰水压威胁的问题。太原西山煤田为华北煤田中规模相对较小的向斜构造盆地，由石炭系、二叠系、三叠系组成。很多学者对区内奥陶系峰峰组岩溶发育深度和赋存规律及对下组煤的安全开采的隔水作用等做了很多研究。刘建成、郝柏园等提出太原西山煤田古交矿区奥陶系峰峰组顶部近30 m 厚的古风化裂隙充填带和峰峰组下段约70 m 厚的第一泥灰岩石膏层可分别作为隔水关键层；郭盛彬等利用钻孔实际揭露奥陶系顶部岩溶发育，采用矿井瞬变电磁方法探测岩溶分布状况，推断西山屯兰矿奥陶系地层自峰峰组顶部向下35 m 范围内近乎无水；吴慧芳等研究并划分了太原西山西峪煤矿内9#煤层带压开采的安全区与危险区。本文以太原西山煤田南部未开采的杨庄井田为研究对象，探讨其煤系地层充水水源及上下组煤层突水危险性，以期为将来煤矿开采提供参考资料。

1 研究区水文地质概况

研究区位于古交市南部草庄头乡，晋祠泉域西南部弱径流带，处于太原西山煤田中南部的马兰向斜南段，地层走向近南北，向斜西翼地层较陡，东翼地层较缓，太原西山构造简图如图1所示。

图1 太原西山构造简图

区内主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，太原组的平均厚度为95 m，山西组的平均厚度为53 m，可采煤层为山西组的02#、2#、4#煤层和太原组的6#、7#、8#、9#煤层。主要含水层组有奥陶系中统上马家沟组及峰峰组灰岩含水层组、石炭系上统太原组灰岩含水层组、山西组砂岩含水层组、石盒子及石千峰组砂岩含水组、全新统砾石含水层。

2 充水水源

矿井充水水源主要有大气降水、地表水、地下水。井田内河流均属季节性溪流，受大气降水影响，除了雨季洪水期水量大外，一般水量很小，甚至断流。大川河为区内最大的地表水流，流经井田东部。井田内降水量小，地表水排泄畅通。上组煤顶板直接充水水源主要来自P1s地层砂岩裂隙水及P1x地层K4砂岩裂隙水，间接充水水源主要来自P1x地层K6砂岩裂隙水和P2s地层K7砂岩裂隙水，含水层裂隙不发育，富水性弱。上组煤底板直接充水水源主要来自P1s地层K3砂岩水，裂隙不发育，弱含水层；上组煤底板间接充水水源主要来自C3t灰岩(L1、K2、L4)含水层地下水。进水方式以渗入和淋水为主，属裂隙充水矿床。该含水层砂岩富水性弱，含水层补给条件差，水力联系弱。

下组煤6#煤层位于太原组上部，其直接充水含水层以K3砂岩及东大窑灰岩(L5)为主，山西组地层砂岩及太原组中下部灰岩含水层为其间接充水层，属岩溶裂隙充水矿床。8#、9#煤层位于太原组的下部，顶板直接充水水源主要来自C3t灰岩(L1、K2、L4)含水层地下水，在部分地段L1灰岩为8#煤层直接顶板，富水性弱；下组煤底板间接充水水源主要来自中奥陶统O2f和O2s岩溶含水层地下水，构成了井田内富水性最强的含水结构体，且承压水头较高。但奥灰含水层由于含水层埋藏较深，地表水体少且小，裂隙岩溶不太发育，透水性较弱，本区水文孔抽水试验资料表明，单位涌水量均小于0.1 L/(m·s)，属弱富水性含水层。

3 顶板突水危险性分析

煤层顶板突水危险性是根据2009 年9 月21 日国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局颁布的《煤矿防治水》中引用的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中煤层顶板导水裂缝带高度计算公式计算各煤层导水裂隙带结果。计算公式为：

(1)

式中：Hli——导水裂缝带高度，m；

M——煤层平均采厚，m。

经计算山西组02#煤层导水裂隙带最大高度为29.80 m，上距K4砂岩平均5.90 m，沟通了山西组顶部及下石盒子组中下部的砂岩裂隙含水层。2#煤层导水裂隙带最大高度为34.41 m，上距02#煤层平均仅12.92 m，裂隙带能够导通上部采空区积水，4#煤层导水裂隙带最大高度为41.43 m，上距2#煤层平均12.43 m，裂隙带能够导通上部采空区积水，开采2#、4#煤层时必须对上部采空积水进行超前探放，防止发生淹工作面甚至淹采区的严重后果。未来开采上组煤层时，涌水形式主要表现为上组煤层的顶板淋滴水，矿井正常生产时，涌水初始量较大，而后逐渐趋于稳定，经采掘出水可逐年疏干。正常情况下，02#煤层距离地表较远，不会沟通地表，但在断层及陷落柱附近及井田西部边界煤层露头、浅埋区，导水裂隙带存在导通浅层地表水的可能。将来矿井开采时，在雨季应做好地面塌陷及地裂缝的填充工程，防止雨水溃入矿井，引起灌井事件。

太原组上部6#煤层导水裂隙带最大高度为31.26 m，大于6#煤层与4#煤层的间距17.12 m，导水裂缝带可能达到上部采空区积水，对煤层开采带来严重影响。太原组下部8#煤层导水裂隙带最大高度为42.68 m，大于6#煤层与8#煤层的间距36.05 m，但8#煤层导水裂隙带最大高度小于其与4#煤层间距53.17 m，且小于其与2#煤层间距65.60 m，开采8#煤层时，导水裂缝带一般不会到达2#、4#煤层采空区积水处，仅可能沟通4#、6#、8#煤层间的含水层。另外，开采8#煤层，沿顶板掘进将贴近L1灰岩，或因褶曲小断层而破坏L1灰岩，顶板灰岩水泄入巷道。9#煤层导水裂隙带最大高度为38.21 m，大于8#煤层和9#煤层的间距11.90 m，导水裂缝带会到达上部采空区积水处，因此开采下组煤层时必须对上部采空积水进行超前探放。下组煤层顶板充水因素主要为本组灰岩岩溶裂隙水，其次为砂岩裂隙水。石灰岩由于埋藏深，补给有限，富水性弱，随开采时间延长，矿井涌水量将趋于减弱。

4 底板突水危险性分析

4.1 底板隔水层厚度

9#煤层底板至奥灰顶面之间的岩层为阻挡奥灰岩溶承压水向上部含水层和煤层充水的主要隔水层，厚度为51.86～81.10 m，平均厚度为66.65 m，裂隙不发育且呈闭合状。9#煤层底板至奥灰界面厚度等值线图如图2所示。其中本溪组地层厚度为20.70～52.78 m，平均厚度为34.52 m，岩性由深灰、浅灰及灰色细—中粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、铝质泥岩、石灰岩组成，平行不整合于峰峰组之上。底部主要为山西式铁矿，厚度不稳定，以黄铁矿为主；下部铝质泥岩较稳定；中、上部为1～3层泥岩及浅海相薄层石灰岩，具较好的隔水作用。尤其本溪组下段铝土质泥岩其厚度稳定，可以作为很好的疏水降压层。这种泥质岩类与砂岩、石灰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，对抵抗岩溶水压是有利的。这一相对隔水岩层的存在导致岩溶承压水与石炭系煤系围岩水位有很大的水位差。

图2 9#煤层底板至奥灰界面厚度等值线图

此外，区内奥灰峰峰组上段岩性以含石膏泥质灰岩及泥灰岩为主，中夹白云质灰岩，粘土含量显著增大，石膏一般以薄层状、脉状与泥灰岩交织在一起，通常称第一泥灰岩石膏带。据水文孔资料显示本段地层岩芯较完整，裂隙不发育，简易水文观测资料表明水位及消耗量无变化或变化很小，说明岩溶裂隙不发育，隔水性能良好，一般可视为隔水层，正常情况下，亦可以阻隔奥灰含水层与太灰含水层之间的水力联系。

4.2 水头压力、突水系数及危险性分析

井田内发育巨厚的奥陶系灰岩含水层，为一区域含水层，具有统一的地下水位，根据抽水试验资料确定区内奥灰水位在+820～+920 m之间。下组9#煤层底板突水系数等值线图见图3。

由于含水层埋藏较深，地表水体少且小，水源补给较差，岩溶裂隙不发育，但水压较高，为本区主要含水层，区内水文孔抽水试验资料显示单位涌水量均小于0.1 L/(m·s)，属弱富水性含水层。在确定水头压力时，采用奥陶系峰峰组岩溶水位标高减去揭穿奥灰钻孔的奥灰顶面标高作为煤层底板承受的水压力，经计算水头压力为1.29～2.99 MPa，井田内绝大部分地段煤层底板标高低于奥灰水位，仅在西部P16、Y5-1、Y8-01钻孔连线以西地段煤层不带压，其中井田中部Y5-3、Y7-5钻孔附近水头压力较小，小于2 MPa,其余地段均大于2 MPa，总的来看，区内煤层底板承受水压变化相对平缓。

图3 下组9#煤层底板突水系数等值线图

为合理评价开采煤层的突水危险性，采用突水系数法，参照《煤矿防治水规定》中的相关要求，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m(相对安全区)，正常块段不大于0.10 MPa/m(突水危险区)的规定。突水系数计算公式为：

(2)

式中：T——突水系数，MPa/m；

P——底板隔水层承受的水压，MPa；

M——底板隔水层厚度，即煤层底板至奥灰顶面的距离，m。

根据区内钻孔资料，实际穿过整个煤系地层进入奥陶系灰岩的钻孔为22个。按2#、8#、9#煤层底板标高与奥灰顶面标高值，确定各钻孔隔水层的厚度，代入式(2)计算，结果见表1。经计算，2#煤层带压区奥灰突水系数0.009～0.019 MPa/m，8#煤层带压区奥灰突水系数0.018～0.044 MPa/m，9#煤层带压区奥灰突水系数0.020～0.051 MPa/m，具体见突水系数等值线图，如图3所示。

表1 煤层突水系数一览表

井田奥灰突水系数分布具有从西到东逐渐增大的趋势，最高值位于井田东北部。可见区内各可采煤层奥灰突水系数值均小于0.06 MPa/m，带压开采危险性小，属于相对安全区。需要说明，突水系数计算仅考虑了水压及隔水层厚度，而没有考虑隔水层的抗张强度及隔水性能，如果隔水层的抗张强度小，隔水性能差，或者某些部位本溪组及峰峰组岩层的裂隙较发育，其隔水性能也会受到影响。即使在上述划分的安全区，在遇有导水断层、陷落柱情况下，奥灰岩溶水具有沿构造薄弱部位上升的可能性，导致煤层底板突水事故的发生。建议在生产中密切关注回采工作面情况、涌水量变化和奥灰含水层的水位变化，发现异常及时上报并利用物探、钻探综合探查手段，探查隔水层薄弱地段、富水区段和潜在导水通道。

5 结论

(1)上组02#煤层导水裂隙带能够沟通山西组顶部及下石盒子组中下部的砂岩裂隙含水层。2#、4#煤层导水裂隙带能够导通上部采空区积水，下组6#、8#、9#煤层导水裂隙带均大于其上煤层间距。下组煤回采后，导水裂缝带可能达到上部采空区积水，对太原组煤层开采带来严重影响。另外井田西部边界煤层浅埋区，导水裂隙带存在导通浅层地表水的可能。在隐伏断层及陷落柱附近及井田西部边界煤层露头、浅埋区，导水裂隙带存在导通浅层地表水的可能。

(2)区内各煤层绝大部分地段都为带压开采，仅在西部P16、Y5-1、Y8-01钻孔连线以西地段煤层不带压，其中井田中部Y5-3、Y7-5钻孔附近水头压力较小，小于2 MPa,其余地段均大于2 MPa，带压地段奥灰突水系数值均小于0.06 MPa/m，带压开采危险性小，属于相对安全区，带压开采虽然可行，但应在加强矿井防治水工作的前提下进行带压开采，特别是加强构造导水性的探测工作。

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