阳泉矿区15#煤层带压开采安全性评价研究

张海涛

（宿州学院安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽宿州234000）

0 引言

阳泉矿区有着丰富的煤炭资源，尤其是太原组底部的15#煤层，该煤层下部有承压水层，矿井作业破坏了隔水层的天然应力状态，在水压和矿压的作用下承压含水层会对煤层底板产生破坏作用进而影响煤矿的安全生产。针对煤层底板下具有承压水层的工程特例进行突水评价研究，国内外学者获得了许多成果，主要评价方法有突水系数法、极限跨度法、水压-构造-矿压综合因素理论和关键层理论等，结合研究区实际情况，筛选后采用突水系数法进行带压开采安全性评价。在使用该方法的过程中要充分考虑到除水压和隔水层厚度以外的地质因素对底板突水的影响即矿压和岩性组合，尤其矿压破坏深度的计算要单独提出以保证突水系数计算的精确性。

1 区域水文地质概况

研究区位于沁水盆地的东部偏北位置，从水文地质的角度看该区域属于娘子关泉域的一部分[1]，属于温带半干旱气候，四季分明，年平均降水量为517mm，降水通过地表渗入和地表径流汇入地下形成泉水。近年来由于自然降水减少、陆面蒸发量增加以及人类生产活动对地下开采和泉域内水环境的影响，致使娘子关泉域的流量逐年减少。区域内含水层组按含水介质类型可分为碳酸盐岩溶裂隙、砂岩裂隙、松散孔隙三种类型。娘子关泉域岩溶水主要补给为裸露区大气降水渗入，雨季河谷地表水入渗。娘子关泉域径流区面积约212 km2，沿阳泉-圪套连线东到坡底泉、程家泉一带[2-3]，该区除了有温河、桃河等河流发育外，还有溶蚀裂隙、溶孔、小溶洞等小型地质现象[4-5]。在研究区内岩溶水和地表水相互转化，雨季时河水流量增大入渗，并融汇西、南部地下径流向排泄区汇流，娘子关泉群平均流量为10.85m3∕s。

2 带压开采安全性评价

2.1 含水层特征

根据含水介质和孔隙类型，将研究区主要含水层划分为三大类四小类，三大类即砂岩裂隙、松散的孔隙及碳酸盐岩溶裂隙，四小类是在三大类的基础上将碳酸盐岩溶裂隙按照地质年代进一步细分为二。

2.1.1 第四系表土孔隙含水层组

研究区第四系厚度为0～30m，厚度极其不均匀，主要分布在河谷、冲沟等低洼地区，该含水层段主要岩石包括黄褐色黏土、杂色及棕色泥岩、浅色砂砾层等。此含水层与3#煤层之间由于存在二叠系（与石盒子组泥岩等隔水层组相隔），对3#煤层、15#煤层的开采基本无影响。

2.1.2 二叠系砂岩裂隙含水层组

该含水层组处于二叠系中，可以根据地质年代细分为上、下石盒子组砂岩裂隙含水层组和山西组砂岩裂隙含水层组[6]。K9及K10砂岩是石盒子组中的重要含水层，该砂岩粒度较细，风化后发育有裂隙，在雨季时大气降水会沿着这些裂隙泄出从而形成下降泉。石盒子组砂岩裂隙含水层在矿区中出露层位相对较高，距下部煤层较远且赋水量较少，因此对煤层的开采影响极小。K5砂岩位于山西组中，其裂缝含水层位于8#煤层上面7m左右，作为开掘8#煤的最根本充水层，研究区K5砂岩裂隙含水层距8#煤层的顶板厚度为1m～14.61m，平均6.60 m。K7砂岩厚度在1.35 m～13.25 m之间，平均厚度达4.85m，裂隙不发育且多被泥钙质充填。根据在该层位进行的抽水实验可以看出K7砂岩裂隙含水层渗透系数小，渗透性较差，对煤层开采也几乎不会造成危害。

2.1.3 石炭系碳酸岩溶裂隙含水层组

石炭系碳酸盐岩溶裂隙含水层以K2、K3、K4灰岩含水层为主，此含水层是15#煤层顶板的重要充水层[7]。K2石灰岩位于15#煤之上12.3m左右，作为开掘15#煤的主要充水含水层，该灰岩沉积稳定，且质地较纯，平均厚度达到4.95m，在矿区东部和东北部都有该灰岩出露，在地表呈狭窄的条带分布。K3灰岩平均厚度3.12m，K4灰岩平均厚度为2.08m，沉积都比较稳定。

2.1.4 奥陶系碳酸盐溶裂隙含水层组

研究区内该含水层作为娘子关泉域岩溶水系统的一部分，属于区域性强含水层，严重影响到了井田的正常开采。该含水岩组包括峰峰组、上下马家沟组，岩性以石灰岩和角砾岩为主，在裸露区多位于区域水位上面，构成透水层或上层滞水，在浅埋区该含水岩组主要发育溶隙、溶洞及溶孔等形态的岩溶[8]。

2.2 隔水层特征

15#煤层底板至奥灰顶板之间的太原组下段和本溪组，正常厚度为34.60m～68.40m，平均厚度55.35m，岩石性质以砂质泥岩为主，底部还发育有稳定的铝土岩。从岩性、实验及资料中得出，在一般情况下可以起到隔水效果，同时岩层组构中，泥岩占57.47%，砂岩占30.18%，灰岩占12.36%。此类软岩和硬岩的搭配对增强隔水层的阻水能力及阻水强度十分有用。

砂岩的隔水性由于其孔隙度大而差，组成砂岩孔隙的孔隙度一般为粗大孔隙，有利于地下水的运移。其次砂岩的裂隙导水性好。砂岩通常在高能环境中形成，单双向交错层理发育，其中层理面就是个透水性强的面，它可以沟通各种导水通道。而泥岩和粉砂岩一般在低能的静水环境中形成的，层理不发育或无层理。

2.3 带压开采安全性评价

2.3.1 突水系数法概述

我国学者在焦作水文会战中开始进行突水规律的研究，发现底板突水与煤层底板承受的水压大小、隔水层厚度有密切关系，从而引出了突水系数这个参数，该参数的值等于隔水层所承受的水压力除以隔水层的厚度[9]。基于发生突水事故矿区的水文资料计算出一个临界值即临界突水系数T0，若 Ts＜T0，一般情况下不会突水；反之，Ts＞T0则绝大多数情况下会发生突水。结合焦作矿区实际情况，发现当突水系数大于0.066MPa∕m时发生事故的比例高达90%以上，而突水系数小于0.066 MPa∕m时发生突水事故的比例小于10%，说明在绝大多数情况下，根据临界突水系数值来判别底板是否突水是比较可靠的。在个别时候会出现偏差，需结合大量的矿井地质实例对突水系数的算法作进一步的完善。在构造复杂或者受到构造破坏的块段，该临界值值取0.06MPa∕m，在正常块段取0.15MPa∕m。计算公式：

式（1）中，Ts为突水系数（MPa∕m）；P为含水层水压（MPa）；M为隔水层厚度（m）。式中突水系数的计算方法只考虑了水压和厚度而没有考虑到地应力和岩性组合这两个因素，因此国内研究机构对突水系数的算法作进一步修改，得出：

式（2）中，Ts为突水系数（MPa∕m）；P为含水层水压（MPa）；M为隔水层厚度（m）；Cp为矿压影响深度（m）。虽然该式考虑矿压这个地质因素，用隔水层厚度减去矿压的影响深度，但还是没有将岩性组合考虑在内，于是通过更深入的研究，使用等值隔水层厚度的概念，再次公式进行修改如下：

公式（3）首先考虑岩性组合的因素将隔水层按照岩性的不同进行分层，其中Mi为隔水层第i层的厚度，σi为第i层隔水层等效厚度的换算系数，以砂岩为标准的强度比值系数[6]，Cp为矿压度底板的破坏深度，修正后突水系数法物理概念明确，对矿井工程实践中底板突水评价起到了十分积极的作用，所以一直沿用至今。

2.3.2 底板破坏带深度计算

矿压破坏主要是由于开采作业下其底板断面有一个压缩-膨胀的过程，岩体发生反向位移形成剪切破坏带，在拉应力的作用下岩层薄弱带也会导致竖向裂缝的产生，这些裂缝就是矿压引发底板突水的直接原因[10]。

矿压破坏深度的增大会导致隔水层有效厚度的减少，从计算的角度上看突水系数会增大，从而可以判断引发底板突水的可能性变小。矿压破坏深度的计算选用：

式（4）中，h1为底板破坏深度(m)，L为工作面斜长(m)[11]，18207工作面长度为203.9m；α为煤层倾角，18207工作面15#煤层及地层倾角为4°，H为开采深度(m)；18207工作面内T63孔15#煤开采深度为446.48m，18205工作面内T28孔15#煤开采深度为461.32m；GS-11孔15#煤埋深为111.25m，GS-15与GS-10的15#煤埋深仅30m，见表1。15#煤向18207方向呈局部向斜构造，主要依据T28与T63确定18207开采深度为453.5m。

利用上述公式计算后可得15#煤底板破坏带深度为16.5m。构造复杂区域底板破坏带深度是正常岩层的1～2倍，因此，构造复杂区底板破坏深度为30m左右。

2.3.3 突水系数计算

①假定峰峰组作为含水层，忽略其阻水能力，压力水头从峰峰组顶板算起，奥灰水位取马家沟组水位，计算结果见表2。

表1 18207及周边钻孔15#埋藏深度统计表

表2 采用Ts=P/M时计算的突水系数结果

通过上述15个钻孔的计算结果发现突水系数范围为-0.010 22MPa∕m（O2d-4）～0.026 51MPa∕m（O2d-7），远小于临界突水系数0.066MPa∕m。

②假定峰峰组作为含水层，忽略其阻水能力，压力水头从峰峰组顶板算起，取马家沟组水位作为奥灰水位，将15煤底板破坏深度为16.5m这个因素考虑进去，利用式（2）计算突水系数，结果见表3。

表3 考虑底板破坏深度16.5m时的突水系数计算结果

续表3

当考虑阳泉矿区底板破坏的16.5m时，突水系数值为-0.014 46MPa∕m（O2d-4）～0.035 47MPa∕m（O2d-7），远小于临界突水系数值0.066MPa∕m。

③如果把峰峰组一段作为隔水层，那么隔水层厚度平均增大115.5m，压力水头从峰峰一段算起，水头增加1.15MPa，用式（2）计算，最大突水系数仅为0.017 5MPa∕m（O2d-7）；若将峰峰组作为隔水层和不含水层，发生突水时将产生水头损失，按等效含水层厚度计算，峰峰一段上部97.82m为灰岩、膏岩，阻水比值系数取0.8，下部39.18m为泥灰岩，阻水比值系数取0.9；峰峰组二段厚67.70m，若阻水比值系数取0.4，突水系数计算出来的最大值为0.021MPa∕m（O2d-7）。

3 奥灰水防治措施

3.1 15#煤层井田下带压开采的重点问题

①存在陷落柱、断层和封闭不良钻孔等现象时，需要进行超前探测、注浆封堵加固、预疏放、留设防隔水煤岩柱；

②当奥灰含水层富水频繁变化时，需要进行探测，对富水地方进行钻探、预疏放等；

③当奥灰含水层富水地方不能疏放的时候，需要对含水层浇筑泥浆进行改造，对隔水层浇筑泥浆进行加固。

3.2 奥灰水防治的主要技术措施

该矿区开采人员在开采之前做了诸多准备工作，比如为了搞清楚奥灰水的水压强度和水量等富水信息进行打钻探查，然后再依据探查结果实施底板的增固、预留防水煤柱、建立相关的地下水探测系统和排水通道，并且制定了相关的救援措施，从而对该井田进行安全的开采。

4 结论

①通过计算得出研究区底板突水系数最大值为0.035MPa∕m，远小于临界突水系数0.066MPa∕m，且突水系数0.035MPa∕m是保守计算下的结果，说明在无特殊情况下不会发生底板突水事故，实现15#煤带压安全开采是可行的。

②根据15#煤井下带压开采的具体问题，多做准备工作，通过探查获取富水信息，并依据这些信息采用预留防水煤柱、建立排水通道等方法实现目标煤层的带压安全开采。