正利煤业4-1 号煤层底板奥灰含水层突水危险性评价分析

王 杰

（山西焦煤集团 岚县正利煤业有限公司，山西 吕梁 033500）

1 概 况

山西焦煤集团岚县正利煤业生产能力为150 万t/a，矿井属于低瓦斯矿井，水文地质类型为中等，目前开采4 号和4-1号煤层，煤层自燃倾向性为自燃煤层。4-1号煤层厚度为2.47～3.80 m，平均厚度为3.25 m，煤层内部含有1 层夹矸，夹矸层平均厚度为0.3 m，煤层平均倾角为6°，煤层顶板岩层为炭质泥岩和泥岩，底板岩层为砂质泥岩、4 号煤层和细粒砂岩。根据矿井地质资料可知，影响4-1号煤层回采的主要含水层为底板奥灰含水层，4-1号煤层回采属于带压开采，奥灰含水层的主要补给水源为大气降水的垂直渗入和周边河流渗漏段，含水层属于强富水含水层，4-1号煤层与底板奥灰含水层间的平均间距为135 m。为保障4-1号煤层安全回采，进行底板含水层突水危险性评价分析。

2 煤层开采底板破坏深度分析

在进行煤层底板突水危险性评价分析时，煤层开采后引起的底板矿压破坏范围的确定尤为重要。采用RAPA-2D 数值模拟软件进行煤层回采底板破坏深度的模拟分析，建立模型长×高=250 m×230 m，模型顶部施加等效荷载7.75 MPa，模型划分单元数为250×230，模型中各岩层的力学参数依据该矿地质报告进行具体赋值。

模拟4-1号煤层回采时，依据工作面采煤截深0.8 m，每天割煤10 刀进行计算，确定开挖步距为8 m，共计进行20 步的开挖作业，具体数值模拟的力学模型如图1 所示。

图1 数值模拟力学模型示意Fig.1 Mechanical model of numerical simulation

分别对工作面回采推进8、24、64、96、120、156 m 进行模拟分析，工作面回采不同距离下的底板破坏演化规律如图2 所示。

图2 工作面回采不同距离下底板破坏演化规律Fig.2 Floor failure evolution lawunder different mining distances in working face

分析图2 可知，4-1号煤层回采期间，随着回采作业的进行，工作面底板矿压破碎带的深度和范围在逐渐增大，在工作面回采至96 m 时，煤层底板矿压破坏范围已增大至24 m，随着工作面进一步回采作业的进行，工作面底板破坏带的深度不再发生变化，仍然保持在24 m 左右。据此可知，4-1号煤层回采引起的初次来压和周期来压对底板岩层的破坏深度约为24 m。

另外考虑到煤层开采期间，回采工作面面长不同，采用数值模拟的方式进行工作面开采宽度在80～200 m 范围内工作面回采期间底板岩层破坏深度的模拟分析。数值模拟结果可知，随着工作面开采宽度的增大，底板岩层的破坏深度也在逐渐增大，但当工作面宽度大于160 m 时，底板岩层的破坏深度不再增加，底板岩层破坏深度的范围为18～26 m。

3 突水危险性评价

根据4-1号煤层的赋存特征，采用“五图系数法”进行可采煤层底板突水危险性综合评价。评价方法中的五图包括底板保护层破坏深度等值线图、底板保护层厚度等值线图、煤层底板上的水头等值线图、有效保护层厚度等值线图和带压水头压力开采评价图，评价方法中的系数为带压系数和突水系数。

（1） 煤层底板矿压破坏带和保护层厚度。根据4-1号煤层回采期间底板岩层破坏深度的数值模拟分析结果，结合矿井内钻孔的地质资料，井田内4-1号煤层底板矿压破坏深度数据见表1。

表1 4-1 号煤层底板矿压破坏深度值数据Table 1 Data of floor pressure failure depth of No.4-1 coal seam

4-1号煤层底板保护层的厚度为煤层底板标高减去含水层顶板的标高，结合数值模拟和地质资料能够得出底板矿压破坏带厚度等值线图和底板保护层厚度等值线图，如图3、图4 所示。

图3 底板矿压破坏带Fig.3 Floor rock pressure failure zone

图4 保护层厚度Fig.4 Thickness of protective layer

（2） 底板有效保护层厚度。底板有效保护层的厚度为保护层厚度减去底板矿压破坏带的深度，如图5 所示。

图5 4-1 号煤层底板有效保护层厚度等值线图Fig.5 Thickness contour map of effective protective layer on No.4-1coal seam floor

（3） 底板水头等值线图。根据矿井钻孔地质资料统计分析，能够得出灰岩含水层顶界面的标高，再根据含水层水位监测孔的统计数据即可得到含水层水位标高的变化情况，4-1号煤层底板水头值即用含水层的水位标高减去灰岩顶界面的标高，现采用水柱高度作为底板水头，如图6 所示。

图6 4-1 号煤层底板水头等值线图Fig.6 Contour map of floor water head of No.4-1 coal seam

（4） 带压系数和突水系数。带压系数值计算方法为煤层底板总体抗压强度与保护层厚度间的比值，根据矿井钻孔资料的统计分析，得出4-1号煤层底板带压系数，见表2。

表2 4-1 号煤层底板带压系数Table 2 Pressure coefficient of floor of No.4-1 coal seam

突水系数的计算主要是通过煤层底板水头与底板有效保护层间厚度的比值确定，基于井田范围内的钻孔数据，采用地质软件surfer 的等值线计算功能，计算得出带压系数等值线图，通过得到底板水头等值线图和底板有效保护层厚度等值线图，将其进行比值即得到突水系数等值线图，如图7 所示。

图7 4-1 号煤层底板带压系数和突水系数等值线图Fig.7 Conisogram of floor pressure coefficient and water inrush coefficient of No.4-1 coal seam

（5） 基于突水系数与带压系数的比值大小，采用ArcGIS 区域赋值功能，将煤层范围内比值系数大于1 的区域划分为安全区，将比值系数小于1的区域划分为危险区，结果如图8 所示。

图8 4-1 号煤层底板奥灰带压开采评价分区Fig.8 Evaluation zone of pressure mining of Ordovician limestone belt in No.4-1 floor of coal seam

4 防治水建议

针对井田北部底板突水危险区域，主要采取以下措施。

（1） 在该区域进行采掘活动时，应时刻关注采掘工作面情况及涌水量变化情况，加强井下采掘工作面超前探放水的工作。

（2） 综合采用钻探、物探等技术手段，查清煤层底板裂隙密集发育带及地质构造复杂带，分析导水构造部位的导水性能。

（3） 对于有效隔水层厚度较小的区域，采取隔水层注浆加固改造措施，增加有效隔水层厚度，在必要时应留设放水煤（岩） 柱。断层缓冲区、构造端点和交叉点区域除应加强探测作业外，需采取疏导含水层中的承压水、注浆封堵加固和合理留设放水煤（岩） 柱的方式进行防治水。

5 结 语

根据正利煤业井田范围内4-1号煤层的赋存特征，通过数值模拟软件得出煤层回采后底板岩层破坏深度的范围为18～26 m，结合井田内地质钻孔资料，采用“五图系数法”进行底板奥灰含水层突水危险区域的分析。根据分析结果得出，煤层回采期间，井田大部分区域均处于安全区，仅井田中北部和东北部两块危险区域，并提出了相应防治水建议。