屯兰矿8#煤煤层底板带压开采评价

白俊凯

（山西焦煤西山煤电（集团）公司屯兰矿，山西 古交 030200）

0 引言

底板承压水是威胁我国煤炭安全高效开采的重要影响因素，据统计在我国受底板承压水影响的煤炭储量达200亿t以上[1]。为有效节约煤炭资源，必须需提高对手底板承压水影响的煤层的采出率，而带压开采是实现这一目的的有效方法[2]。实施带压开采必须要对开采煤层的地质条件、底板隔水层性能等一系列条件进行分析，得出该煤层带压开采的可行性，提出行之有效的底板防治水措施[3]。国内外众多学者对带压开采技术进行了研究[4][5]，本文在充分了解带压开采最新理论、技术的基础上，结合屯兰矿8#煤层的生产实际与地质条件，利用理论计算突水系数、运用现场实测得出煤层底板隔水层厚度、现场调研该煤层地质构造等方法综合确定屯兰矿8#煤带压开采的可行性，为该矿的安全生产、为该矿提高煤炭资源采出率提供了理论基础。

1 矿井地质与水文地质条件

1.1 矿井地质条件

屯兰井田位于西山煤田西北部。地层走向NW30～60°，倾向SW,倾角5～10°，为一由 NNE向SSW倾伏的波浪状单斜构造。较大褶曲少见，但次一级小型波状褶曲较发育。地表断层较多，且成组出现，多呈地垒形式。从目前矿井在开拓、采掘过程中揭露的136个陷落柱看，其形状大多为椭圆形，井下长轴直径一般30m～100m左右，短轴5～60m，柱体形态多呈椭圆、扁圆或不规则圆形，剖面上多呈反漏斗状。部分有渗水和淋水现象，水质分析为HCO3—Na型，说明水源来自煤系地层。

1.2 水文地质特征

1.2.1 地表水体

屯兰矿区边界以北的汾河是流经西山矿区的最大河流，拦河前汾河最大径流量为1940m3/s，最小为2.83m3/s。拦洪后不定期放水，放水期间平均放水量20～30m3/s。流经本区的还有屯兰河、原平河，矿区边界以东还有大川河，这些河流均属季节性河流，枯水季节径流甚微，总量不足1m3/s。

1.2.2 主要含水层

1）第四系全新统砂砾含水层。赋存于汾河河谷及屯兰河、原平河、大川河河谷中。由砾石及砂层组成，表层多覆以砂质粘土。本层渗透性强，极易接受大气降水及地表水补给，含有丰富的潜水。

2）石盒子组砂岩裂隙含水层。本组厚层砂岩较多，出露范围也较广，含水性差，只是风化裂隙带的砂岩，含水性及透水性较好。位于山坡的钻孔在穿过砂岩风化裂隙带时常有漏水现象，但穿过风化带后则无此现象。

3）山西组砂岩裂隙含水层。本组砂岩主要是K3砂岩和2、4号煤层间砂岩。虽然K3岩性及厚度平均5.25m。岩性为中—粗砂岩或含砾砂岩。2、4号煤层间砂岩稳定性差，发育最好时岩性与K3相似。本组岩层大多埋藏较深，含水性差，连通性差。

4）太原组砂岩夹薄层灰岩裂隙含水层。由L1、K2、L4三层石灰岩组成，其中以K2最厚，平均2.89m，质纯，为主要含水层；L1、L4平均厚 1.80m，不甚稳定，岩性又常为泥灰岩，因此含水性较差。

5）奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层。本含水层是井田的主要充水含水层，主要有中奥陶统峰峰组、上马家沟组和下马家沟组。O1地层与煤层间距较大，一般情况下对煤矿的开采不会构成威胁，以下不再叙述。

奥陶系中统峰峰组岩溶裂隙含水层。本组平行不整合于本溪组之下，厚度平均123.66m，分为上、下两段。下段为角砾状泥灰岩、灰岩及石膏，岩溶裂隙不发育；上段为本区奥陶系第一含水层，主要由石灰岩、泥灰岩组成，厚45m左右。本组富水性与其埋藏深度关系极其密切，埋藏愈浅，岩溶裂隙愈发育，含水也就愈丰富；反之则愈少。本组富水性因地而异，富水性总体由弱至中等。

奥陶系中统上马家沟组岩溶裂隙含水层。本组平均厚度218.16m，分为上、中、下三段。下段为泥灰岩、石灰岩夹薄层石膏，厚66.13m左右，岩溶裂隙不发育，富水性弱，为相对隔水层；中段主要为厚层石灰岩夹薄层灰岩，平均厚88.3m，岩溶裂隙发育，富水性较强；上段主要为石灰岩夹薄层泥灰岩和泥质灰岩，平均64.17m，岩溶裂隙发育，富水性较峰峰组强。本组富水性属中等至强。

奥陶系中统下马家沟组岩溶裂隙含水层。井田东部边界林场附近的GS-3号孔揭露下马家沟组111.1m，主要由石灰岩、白云质灰岩组成，岩溶较发育，O2x含水层有独立水位。

1.2.3 主要隔水层

1）8#煤至奥陶系顶界面之间的隔水层。8#煤层底板至奥灰顶面之间的岩层，为井田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，平均厚度95m左右，其中C2b厚度为25m左右，分布较稳定。主要岩性由砂岩、石灰岩夹泥页岩组成，底部为铝土质泥页岩，岩石裂隙不发育，完整性较好，含水条件差，构成良好的隔水层，具有较好的隔水作用。这一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。但在井田中部古交断层、井田南部土地沟断层、头南峁断层带附近构造发育，破坏了C2b岩层的完整性，产生了连通的可能。因此，当开采此区域煤层时应引起高度重视。

2）峰峰组下段隔水层（O2f1）。岩性主要为灰色、浅灰色角砾状灰岩、白云质灰岩及膏岩为主，厚度平均80m左右。裂隙不发育，O2f1泥灰岩石膏段是O2f2与O2s2+3含水层之间的较稳定隔水层。

图1 8#煤层隔水层厚度等值线图

3）上马家沟组下段隔水层（O2s1）。本段岩性上部以灰、黄灰色厚层灰岩、泥灰岩为主，下部以角砾状灰色、浅灰色灰岩、泥灰岩为主。下部与顶部有时为豹皮状灰岩、白云质灰岩，常含2-3层角砾状泥灰岩夹原生石膏。厚度50m左右，是O2s2+3与O2x2+3含水层之间的良好隔水层。

O2s与O2x水力联系差，而且O2x与8#煤相距200m以上，所以O2x对8#煤开采一般是通过间接补给峰峰组上段含水层来产生影响。是8#煤开采的间接充水含水层。

2 带压开采可行性分析

2.1 突水系数的计算

带压开采主要含义为在开采煤层时，应当充分利用煤层底板与下伏有突水威胁的含水层之间的隔水层的隔水性能，结合现有的煤炭开采技术，在带压开采区域采取有针对性的技术方法，能够保证煤炭资源的安全高效回采。

对底板的稳定性分析评价采用完整底板隔水层突水系数法，通过对底板岩石隔水性能与力学稳定性两种方法的分析，最终提出可靠的评价结果。

表1 屯兰矿8#煤层突水系数计算表

根据《煤矿防治水规定》[6]，突水系数计算公式为：

式中：T为突水系数（MPa/m）；P为隔水层承压的水头压力（MPa）；M为煤层底板隔水层厚度（m）

上式中，各参数计算如下：

1）煤层底板隔水层厚度（m）。隔水层厚度是指煤层底板至下伏由突水威胁的含水层的厚度，即：

式中：H煤为煤层底板标高（m）；H为奥灰顶面标高（m）

2）底板隔水层承受的水头压力（P）。就屯兰矿井田范围来讲，威胁该区8#煤层开采的主要含水层为奥陶系岩，故在计算突水系数时，主要考虑奥陶系岩溶水的水头压力。具体计算方法如式（3）。

式中：H为奥灰岩溶水水压标高（m）；h为奥灰顶面标高（m）。

汇总全矿井17个主要钻孔资料，对8#煤突水系数分别进行计算，以提高突水系数分布精度，见表1。

2.2 屯兰矿8#煤层带压开采安全性评价

根据计算值绘制8#煤层突水系数等值线图如图1所示。

图2 8#煤层突水系数等值线图

据表1可知各钻孔计算得到的8#煤的突水系数在0.012～0.040MPa/m，均小于0.06MPa/m。从图1突水系数等值线图中可以看出，突水系数由东北向西南方向逐渐增大，由东北向西南随着煤层埋深增加，煤层承受水压增大，突水系数增大。钻孔计算突水系数最大为GS-7（0.040MPa/m），在矿区的东南方向土地沟断层附近。由于突水系数向西南逐渐增大，该GS-7孔东北方向为相对安全区，西南部突水系数增大但据突水系数变化趋势可认为未超过0.06MPa/m。除构造破坏带外，井田内8#煤层开采不存在奥灰突水的危险性，是相对安全的。但仍需要加强对隐伏导水通道的探查，特别是在断层附近加强导水构造的探测工作。

同时，在煤层开采时要查明矿井存在的导水断层、导水陷落柱、导水钻孔等导水通道，并予以采取注浆加固或留设保护煤柱等措施，就能大大预防奥灰突水的发生。

3 结论

本文针对屯兰煤业8#煤层底板受奥灰水威胁的问题，对该层煤底板进行了带压开采可行性分析。详细分析了8#煤层地质与水文地质条件，理清了矿井主要含水层与8#煤底板主要隔水层，利用理论计算与现场实测等方法，采用突水系数法，对8#煤底板突水危险性进行了计算与预测，为屯兰矿8#煤层的带压开采可行性提供了理论依据与现场指导。