南凹寺煤业煤层带压开采条件分析

李军旭

（山西沁和能源集团南凹寺煤业有限公司，山西 晋城 048000）

煤层带压开采是指利用煤层底板以下相对隔水岩柱的隔水性能，采取综合防探、防治措施，在不触及或少触及岩溶水天然流场条件下，带着全部岩溶水水头压力进行岩溶充水型煤层的开采。山西沁和能源集团南凹寺煤业有限公司批准开采的3、15号煤层底板标高250～585m，井田内下伏奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层水位标高为489～497m，大部区域3号和全部15号煤层底板位于奥陶系岩溶水水位以下，属带压开采煤层。奥陶系灰岩顶面标高230～490m，带压水头东部大于西部，最大位于井田东北部。在底板隔水岩柱薄弱地带或构造（断裂、陷落柱）破碎带，存在着岩溶水突破相对隔水层溃入矿坑的可能性。

1 煤层底板隔水岩柱特征

1.1 隔水岩柱的厚度

岩柱的厚度决定于沉积时的古地理环境，后期构造的改造作用对地层厚度也产生一定的影响，如褶皱变薄带、断裂构造破碎带等。判断隔水岩柱厚度变化情况，区内钻孔是最好的资料。共收集山西沁和能源集团南凹寺煤业有限公司揭露O2钻孔7个，见表1。

表1 3、15号煤层与奥陶系灰岩顶面之间隔水岩柱厚度及奥陶系顶面标高表

从表1中可以看出，3号煤层隔水岩柱最厚的钻孔是120号孔134.70m，最薄的是119号孔90.82m；15号煤层隔水岩柱最厚的钻孔是120孔39.78m，最薄的是119号孔11.83m。从隔水层等厚线图可看出，3、15号煤层隔水层厚度变化情况基本一致：井田西南部隔水层厚度最薄，往东由薄到厚。

1.2 隔水岩柱的空间分布

隔水岩柱的空间分布规律是与区内构造作用相匹配的，由于井田位于晋东南山字形构造体系的背斜部分南端和马蹄形盾地的东侧，新华夏系之二级构造武（乡）-阳（城）凹褶带内的构造薄弱地段。对井田起主要作用的应为晋东南山字形构造体系，但也受新华夏体系的影响。井田内断裂构造不发育，主体构造为向东倾斜的宽缓的单斜构造。矿区勘探及矿井采掘中未发现断层及陷落柱、岩浆岩。由于井田整体构造以单斜构造为主，区内隔水岩柱的空间分布形态厚度上一般为均匀分布，厚度变化较小。

1.3 煤层底板隔水岩柱的岩性组合特征

对于本区3、15号煤层底板隔水岩柱的岩性组合，因15号煤层底板包含在3号煤层之内，主要研究从3号煤层底至奥陶系顶面的地层岩性组合，其为一套海陆交互相的含煤沉积建造，岩性以砂岩、泥岩、石灰岩、煤层相间出现为特征，这套岩层为柔性的泥岩、硬脆性的砂岩、可溶性的石灰岩等三类岩石组成，受沉积环境和后期构造的影响，在不同部位各类岩层厚度比例各不相同。

1.3.1 本溪组C2b

厚约11.93～16.76m，平均14.34m。岩性以深灰色铝土质泥岩为主，底部为极不稳定的紫红色、褐红色赤铁矿层。上部铝土质泥岩中赋存星散状、鲕状及结核状黄铁矿，呈似层状。与下伏峰峰组呈平行不整合接触。

根据邻区分析资料，当时为海湾咸水环境，因本区地势较高，海水基本未侵入，故沉积厚度很薄或未接受沉积。该组地层具良好的隔水性能。

1.3.2 太原组C3t

K1砂岩底至K7砂岩底，为区内主要含煤地层，厚94.50～107.42m，平均厚100.96m。主要由石灰岩、煤层、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、砂岩组成。灰岩一般有5～6层，灰岩中常夹有燧石结核或团块，富含海相生物化石，层位稳定，是煤层对比的重要标志层。含煤8层。

根据岩性组合特征及沉积旋回可将本组分为三段。

（1）一段（C3t1）：K1砂岩底至K2石灰岩底，厚17.5～25.88m，平均21.69m。由浅灰—灰白色粉砂岩，灰色泥岩、砂质泥岩夹中细粒砂岩及煤层（15号）组成，含少量植物化石碎片，含星点状黄铁矿。底部K1砂岩为灰白色中细粒石英砂岩，交错层理发育。顶部含主要可采煤层（15号）。

（2）二段（C3t2）：K2石灰岩底至K4石灰岩顶，厚28.5～34.54m，平均31.52m。由深灰色石灰岩（K2、K3、K4）、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、中细粒砂岩及薄煤层（11号、12号）组成。

（3）三段（C3t3）：K4石灰岩顶至K7砂岩底，厚47～48.5m，平均47.75m。以碎屑岩发育为特征。主要由灰黑色砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、石灰岩（K2、K3）及煤层（5、7、8-1、8-2、9、10号等）组成。

表2 永2#岩溶水井揭露地层情况

综上所述，3号煤层以下至奥陶系顶面隔水岩柱地层有，本溪组平均14.34m，太原组3号煤层之下大约100.96m，总厚约115.30m；15号煤层以下至奥陶系顶面隔水岩柱地层有，本溪组平均14.34m，太原组15号煤层之下平均6.93m，总厚约为21.27m左右。隔水岩柱岩性主要为泥岩，其次是石灰岩、砂岩层和煤层煤线，柔性岩层占主导地位，其次为脆性岩层。无论从厚度上还是岩性上看，该岩柱均具有良好的隔水性能。

2 带压开采安全性评价

2.1 突水系数的计算

按《煤矿防治水规定》的公式，预算全井田3、15号煤层底板突水系数。

式中：

T-突水系数，MPa/m；

P-隔水层底板承受的水压，MPa；

M-底板隔水层厚度，m。

参数的确定：岩溶含水层的水头压力，根据O2岩溶水等水位线图而得，各孔水位标高数据见表3；隔水岩柱的厚度取各煤层底板至奥陶系峰峰组含水层顶面之间的隔水完整岩层厚度。

表3 3、15号煤层底板突水系数计算结果统计表

2.2 突水系数计算结果

根据以上各参数计算突水系数其结果见表3。可以看出3号煤层最大突水系数为0.023MPa/m，15号煤层最大突水系数为0.132MPa/m。突水系数从井田西部往井田东部其他区域由低到高呈递增趋势。

3 带压开采危险区的划分

本煤矿3号煤层底板突水系数在0.023MPa/m之内，全井田3号煤层底板突水系数值均小于0.06MPa/m。按照《煤矿防治水规定》附录四“就全国实际资料看，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m，正常块段不大于0.1 MPa/m ”。再综合井田断裂构造发育规律，煤层底板隔水岩柱的岩性组合，隔水、抗水能力及奥陶系岩溶含水层水文地质特征，将本井田3号煤层带压区划分为带压开采危险性较小区和不带压区；本煤矿15号煤层最大底板突水系数在0.008～0.132MPa/m之间，将本井田15号煤层由西向东划分为带压开采危险性小、中等、大区。

在本井田内，3号煤层最大突水系数为0.023MPa/m，15号煤层最大突水系数为0.132MPa/m，3号煤层底板突水系数小于0.06 MPa/m。因此，本矿在井田带压开采区采掘3号煤层时，正常情况下奥灰水对矿井生产造成的危险性较小，但在矿井的开采过程中，一定要注意新揭露的构造对奥灰水的导通突水；15号煤层底板突水系数大部分区域大于0.06 MPa/m，尤其是井田东部底板突水系数大于0.1MPa/m（《煤矿防治水规定》标准）。

4 结语

综上所述，本矿在带压开采区采掘15号煤层时，正常情况下奥灰水对矿井生产造成的危险性中等到大，在矿井的开采过程中，一定要高度重视，需要进一步研究奥灰峰峰组的富水性以及导水性能，才能对井田东部区域15号煤开采的可能性以及相应的防治措施做出决定。