玉溪煤矿3号煤层奥灰水带压开采安全性评价

李海洋

(山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048214)

奥灰水突水事故是矿井水害事故中破坏性、突发性最为严重的，往往会造成一系列的井下伤亡事故的发生，极易引发巨大的社会不良反响，严重制约着矿井安全高效生产的实现。因此，必须先对矿井地质条件和水文地质条件进行分析，并在此基础上进一步对矿井奥灰水带压开采的安全性进行研究，可为今后矿井带压开采的合理规划、隐患防治对策提供坚实基础，从而保证矿井的安全高效生产[1-2]。

1 矿井概况

玉溪煤矿隶属兰花集团，地处山西省晋城市沁水县胡底乡一带，井田东西长5.0～6.1 km，南北宽约5.1 km，矿区面积26.147 km2，产能240万t/a。矿井采用斜井开拓，布置有主斜井、副斜井及进风立井、回风立井。主要可采煤层为位于山西组的3号煤层，该煤层设计可采储量13 526万t，服务年限41.7 a。总体上，井田地层倾向为东部高、西部低，造就了轴向弯曲次级的宽缓褶曲构造形态。通过地面调查及两次地震勘探，在井田内地面调查控制5条褶曲，一盘区地震勘探解释13条褶曲，共18条；地面调查发现3个陷落柱，一盘区地震勘探解释47个陷落柱；井田内三维地震解释37个断层。矿区内无岩浆岩侵入，属简单类型的地质构造。矿井于2019年建成投产后，首先开采井田南部的一盘区3号煤层，煤厚5.1～7.2 m,平均5.5 m。

2 3号煤层奥灰水带压开采安全评价

3号煤层带压开采的安全性受到隔水层条件、地质构造、水文地质等因素影响，当开采煤层的底板隔水层具有断裂、陷落柱等薄弱情况时，具有奥灰水从底板突出进入矿井的潜在隐患[3]。

2.1 3号煤层底板隔水层分析

井田内，有6个钻孔揭露奥灰顶界，井田周边钻孔2个(1201孔、1203孔)。井田内，3号煤层底板隔水层岩柱平均厚度为100.2 m，总体为北部隔水岩柱厚度相对较厚，南部隔水岩柱相对较薄。3号煤层底板隔水岩柱厚度统计，见表1。

表1 3号煤层底板到奥灰水顶面隔水层厚度统计

隔水岩柱地层层位主要为山西组底部(3号煤层底板)、太原组及本溪组。其中，山西组底部(3号煤层底板)：岩性为泥岩或砂质泥岩，灰黑色，厚层状，为半坚硬岩岩类；太原组及本溪组地层，岩性由铝质泥岩、砂岩、砂质泥岩、石灰岩及煤层等组成，属软弱-坚硬岩石。

2.2 3号煤层底板突水条件分析

1) 水压(P)。在井田范围内，奥灰水水位标高范围580～605 m，3号煤层底板标高范围220～450 m，属带压开采。根据井田内施工的钻孔对奥陶系中统峰峰组(O2f)、上马家沟组(O2s)(上部)进行混合抽水试验结果表明，其单位涌水量为0.002 2～0.005 6 L/s·m，富水性弱。3号煤层底板隔水层承受的奥灰水水压2.835～3.625 MPa。

2) 底板扰动破坏带深度的确定(Cp)。底板突水受采动压力与底板承压水共同影响而发生的。由于掘进和工作面采动，原地应力平衡状态遭到打破，使地应力再次分布，当地应力达到新平衡时，必然会产生应变能，使岩石结构发生改变。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中的底板破坏深度预计经验公式[4]：

Cp=0.008 5H采+0.166 5α+0.107 9L工-4.357 9

(1)

式中：H采表示设计最大采深，m；α表示煤层倾角，按8°计算；L工表示工作面斜长，据采掘工程平面图，取200 m。

将相关参数代入公式(1)得出，3号煤层底板破坏深度22.08～24.74 m，平均为23.78 m。

3) 底板采动地下水导升裂隙带(Hd)。考虑到井田内奥灰含水层顶板存在隔水性较好的铝质泥岩，其平均厚度11.27 m，标高范围551～575 m，而3号煤层底板标高范围220～450 m，根据上述计算，3号煤层开采期间的底板破坏深度22.08～24.74 m，平均为23.78 m，因此不会导通裂隙带，计算突水系数时，未考虑底板采动地下水导升裂隙带(Hd)。

4) 有效隔水层厚度。取井田内3号煤层底板至峰峰组顶面之间的隔水完整岩层厚度,除去3号煤层底板扰动破坏带厚度(Cp)和底板采动地下水导升裂隙带(Hd)后的隔水层厚度，根据玉溪煤矿地质情况计算得出，其有效隔水层平均厚度为67.51 m。太原组及本溪组的铝土质泥岩隔水层，可以有效地阻断3号煤层与奥灰水之间的水力联系。

5) 突水通道。由于断层和陷落柱抗水压强度很难预先查明，大断层明显减小隔水层厚度，其临界突水系数也减小。或岩石破碎，抗压强度低，隔水层等效厚度变小，隔水性能降低。当完全导水时，等效厚度为零，因此对于井田范围内施工的奥陶系钻孔，必须在开采时对其留设防水煤柱。

2.3 突水系数计算及突水危险性区带划分

根据《煤矿防治水细则》附录公式，对3号煤层突水系数进行计算[5]。

(2)

式中：P表示底板隔水层承受的水头压力，MPa，P=(H-h)×0.009 8；H表示奥灰岩溶水压标高，m；h表示奥灰顶面标高，m；M表示底板隔水层的厚度，m。

将井田内钻孔资料代入公式(2)，3号煤层的突水系数在0.028～0.050 MPa/m的范围之内。根据《煤矿防治水细则》，井田内3号煤层开采属于相对安全区，一般不会造成底板奥灰突水，可对其进行带压开采。然而在井田范围具有隐伏导水的断层、陷落柱等地质构造的可能性，为排除奥灰水突水隐患、实现矿井安全生产，必须加强对构造导水性的探测工作，对构造破坏地段应留设防隔水煤柱。

3 3号煤层奥灰水突水量预测

根据上述结论分析，3号煤层带压开采相对安全，但是不排除隐伏导水构造引起突水的因素。因此，3号煤层奥灰水突水量按照工作面回采中遇导水断层时单点突水情况进行计算，将水平掘进的坑道穿过垂直或近于垂直的充水断裂视为垂直含水层中的水平井，利用以达西定律为基础的承压水稳定流解析法计算公式，对其涌水量进行计算[6]：

(3)

式中：S表示水平井降深,m；M表示含水层厚度,m；K表示渗透系数,m/d；r0表示水平井半径,m;亦即开拓巷道的半径,m；L表示水平井距底部补给边界的距离,即巷道底板距奥灰顶板的距离,m。

将井田内钻孔资料代入公式(3)，预测3号煤层奥灰水突水量为13.19 m3/h。在井田东部范围内，通过三维地震显示存在陷落柱，说明该地段具有岩溶发育构造，局部存在富水情况。由于奥灰岩溶水分布不均匀，若遇富水地段，其突水量应远大于预测水量，生产中应引起注意。

4 结 语

在对玉溪煤矿地质条件分析的基础上，从隔水岩柱、突水条件等方面，对3号煤层奥灰水带压开采安全评价，并计算分析3号煤层的突水系数并预测突水量。井田内3号煤层开采属于相对安全区，一般不会造成底板奥灰突水，可对其进行带压开采。然而在井田范围具有隐伏导水的断层、陷落柱等地质构造的可能性，为排除奥灰水突水隐患、实现矿井安全生产，必须加强对构造导水性的探测工作，对构造破坏地段应留设防隔水煤柱。