煤层底板突水影响因素分析与带压开采安全评价――以山西省乡宁矿区某井田为例

魏甜

（中煤地质集团有限公司北京大地高科地质勘查有限公司，北京 100040）

1.概况

1.1 井田地质

本区属半掩盖区，基岩仅沿沟谷出露。根据地质填图及钻孔揭露资料，地质层从最底层到最顶层分别是奥陶系下马家沟组、上马家沟组、峰峰组，石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组，三叠系刘家沟组、和尚沟组，第四系。

这个井田内地层走向是北东向，向北西向偏斜，单斜构造，倾角为5°～15°。在单斜构造的基础上发育短轴褶曲，与走向大致平行。井田内的断层并不发育，区内也没有发现陷落柱和岩浆岩，由此断定井田内的构造比较简单。井田内部只有一个发育落差大于30m的断层，两个小于30m的断层[1]。

井田中开采的含煤矿层，主要出现于太原组和山西组，自上而下分别为2上、2号、3号、9号煤层。

1.2 井田水文地质

该井田位于乡宁矿区的中部，禹门口泉域深部的迳流区，水文地质单元上属于禹门口泉域岩溶水系统的一部分。

井田主要含水层为 ：第四系松散层孔隙含水岩组，受季节影响较大，富水性差，局部区段富水性较好；三叠系刘家沟组及二叠系上统石盒子组、石千峰组砂岩裂缝含水层（段），富水性弱～中等；山西组及下石盒子组底部砂岩裂缝含水层，富水性弱；太原组碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂缝含水岩组，富水性极弱；奥陶系碳酸盐岩岩溶裂缝含水层岩溶裂缝不发育，埋藏较深，径流条件差，缺乏有效的补给，富水性弱。

2.矿井充水影响因素

雨水是矿井的间接补充水源，但本区降水量小，对地下水的补给路径长，从而使得矿井涌水量随降水量变化有一滞后的过程；井田内部两条主要河流，由于煤层埋藏深，上部有巨厚的岩层阻隔，对煤矿开采无大的影响；山西组及下石盒子底部砂岩裂缝含水层和太原组石灰岩、砂岩岩溶裂缝含水层富水性弱，补给、径流条件差，水量一般不大，以静储量为主，对矿井安全生产威胁不大[2]。

奥陶系碳酸盐岩岩溶裂缝含水层是本区可采煤层下伏的主要含水层，属于深埋藏型。钻探揭露峰峰组岩芯完整，裂缝多被方解石充填，其灰岩顶部发生漏水现象，漏失量为全漏，简易水文观测水位为773m；揭露上马家沟组含水段以中部中厚层灰岩，白云质灰岩及上部薄～中厚层状石灰岩为主，岩芯大部分为长柱状，岩芯较完整；揭露下马家沟组岩芯坚硬完整夹泥岩薄层。

本区5个孔做抽水试验，水2孔单位涌水量q=0.00181 L/(s·m)，k=0.000767m/d，其余钻孔无水或断流。

根据水文地质资料分析，禹门口岩溶水系东部边界为地表分水岭。区内部地层整体向北西倾斜，岩溶水受这种地层构造的限制和影响，向西流动。地下流域可能与地表流域一致。分水岭的东面属龙子祠泉域，分水岭的西面属于禹门口泉域。该井田处于禹门口泉域的东部边界旁边，与龙子祠泉域的西边界相邻，因地层西倾，奥灰埋藏渐深，奥灰岩溶裂缝发育程度较弱。受区域岩溶水系统径流场的控制和影响，井田内部奥灰水位东高西低，整体由东向西径流。由于区内部奥陶系灰岩含水层埋藏深，径流条件差，缺乏有效的补给，含水层富水性弱。再结合井田内部及周边矿井钻探及抽水试验资料，确定井田内部奥灰含水层水位标高630m～700m。经统计，9号煤层底板标高205.19m～778.19m，井田全范围基本处于带压状态。

3.奥灰突水影响因素分析

3.1 矿井底板突水机理

自然情况之下，含煤的岩体是保持平衡的，煤层之下的地下水体被地层岩性、地形地貌、地质构造及溶蚀条件的控制，它处于自然流动和调节状态。开挖后，岩体应力平衡被损坏。为达到新的平衡，会发生底鼓、煤堤塌陷等一系列工程地质现象。底鼓会改变含水层的自然流场，在有足够水量或导通的情况下，地下水会沿导水裂缝涌入坑内部，造成突水这种危险情况的发生。

3.2 突水因素

影响奥陶系灰岩岩溶含水层发生突水的主要因素有：奥陶系地下水压分布、地质构造的发育程度、奥陶系含水层的富水强弱和其内部岩溶发育程度、煤层隔水底板中软硬岩的结合和抗水性。

4.奥灰突水影响因素分析

4.1 突水系数计算

根据《煤矿防治水细则》附录五，计算公式为：

T=P/M

式中，T—突水系数，MPa/m；P—隔水层承受的水压，即奥灰顶界面至其承压含水层水位的水柱压力，MPa；M—底板隔水层厚度，m。

井田内部9号煤层底板低于奥灰水水位标高，属奥灰水带压开采。在带压范围内部，奥灰水有可能沿构造薄弱带、底鼓裂缝进入矿井，可能对矿井安全生产构成威胁。

计算结果显示，该井田9号煤层带压开采范围内部的底板突水系数为0.0128MPa/m～0.0806MPa/m。

4.2 带压开采分区

通过系统分析矿区地质构造发育规律，以及各个煤层底板隔水岩柱的岩性组合和隔水性能，奥陶系中统岩溶裂缝富水层水文地质特点，本论文发现矿井突水现象的发生也与隔水层的厚度，水头的压力，地质构造的发育阶段等一系列原因有关。

根据《煤矿防治水细则》，结合地质构造发育程度，本次采用两个分区系列：即在综合考虑井田地质构造发育的基础上，选取突水系数0.06MPa/m和0.10MPa/m做为划分标准，当突水系数小于0.06MPa/m时，这是一个相对安全的带压开采区（I）。一般情况下，突水情况发生的概率很小就算是发生突水，造成的损坏也很小，但在导水断层油气、地矿、电力设备管理与技术结构旁边发生突水的可能性；当突水系数大于0.06MPa/m且小于0.10MPa/m时，是过渡带（Ⅱ）。在该段中，当裂缝结构发育不完善时，很大概率不会发生底板突水事故，但在构造破碎的区域有突水的危险。遇有可能造成较大破坏和损失的突水事故，要在确定井场构造发育程度的前提下，认真做好阻水工作，根据情况进行处置和应对；当突水系数大于0.10MPa/m时，为危险区（Ⅲ）。该段水压高，容易发生地面突水。一旦发生突水，可能造成更大的损害。只有通过排水减压将突水系数降低到0.10MPa/m下面时，才能实施带压开采，但在构造破碎带还应采取其他策略。

根据突水系数的计算结果显示，9号煤层中东大部分地区为带压开采相对安全区（Ⅰ），西部地区为带压开采过渡区（Ⅱ），即过渡区（见图1）；区内部三条断层都处于9号煤层开采相对安全区，同样根据经验将断层旁边30m的范围评为过渡区，开采过程须留设30m防水煤柱。

图1 9号煤层带压开采安全性评价图