王家岭煤矿奥灰带压开采安全性评价

吴振岭

（中国煤炭地质总局 水文地质局，河北 邯郸 056000）

0 引 言

王家岭煤矿位于乡宁县西南约9 km处，行政区划从属乡宁县枣岭乡、西坡镇、西交口乡、昌宁镇。井田面积为119.710 9 km2，年产量750万t/a。目前开采山西组2号煤层。井田地层为走向NE，倾向W和NW的单斜构造，伴有宽缓的背向斜褶曲构造，倾角平缓，一般为4°～8°，局部区域大于15°。井田构造较为简单，发育褶曲2条，落差大于等于10 m的断层19条，未发现陷落柱。

在水文地质单元上，王家岭煤矿位于禹门口泉域径流区，属岩溶埋藏区，并且奥陶系岩溶裂隙含水层富水性弱—极强，富水性极不均一[1]。井田内大部分地段2号煤层位于奥灰岩溶水水位以下，属带压开采，虽水头压力不大，但岩溶陷落柱和构造断裂发育，随着矿井开采水平延深，2号煤层的开采受底板奥灰承压水的威胁越来越严重。为了研究奥灰含水层对2号煤层采掘的影响程度，本文重点分析了井田内奥灰含水层富水性特征、底板隔水层阻水能力及底板扰动破坏深度等因素，采用突水系数法对2号煤层奥灰带压开采进行了安全性评价。

1 奥灰含水层富水性分析

煤系基底为奥陶系碳酸盐岩，厚度约500 m左右，岩性主要由灰岩、白云质灰岩、泥质白云岩、白云岩、角砾状泥灰岩组成。岩溶形态以岩溶裂隙为主，伴有少量的溶孔、溶洞，区域范围内上马家沟组富水性强于峰峰组含水层，也是区域内主要供水含水层[2,3]。

峰峰组含水层的水位标高为+447.76-+591.03 m，统一口径单位涌水量为0.000 4～0.387 4 L/s.m，渗透系数为0.015 7～42.548 4 m/d，富水性弱—中等。

峰峰组和上马家沟组含水层混合水位标高为+442.33—+558.89 m，统一口径单位涌水量为0.000 7~6.243 1 L/s.m，渗透系数为0.002 5～389.578 m/d，富水性弱—极强。

下面从3个方面对比分析峰峰组与上马家沟组含水层的富水性。

（1）以往钻孔揭露峰峰组厚度为63.65～144.25 m，平均为105.46 m，该组裂隙一般不发育，个别节理裂隙较发育层段也多为干裂隙，并且钻进过程中冲洗液消耗量也较小或不消耗，扩散测井未见出水段。上马家沟组厚度为170.80 m~229.38 m，平均为200.42 m，破碎、石灰岩类岩溶发育，故其它条件相同的情况下，上马家沟组含水层的富水性要强于峰峰组含水层。

（2）从横向上看，峰峰组含水层统一口径单位涌水量大部分区域小于0.1 L/s.m，富水性弱，仅SW2、SW6、SW7钻孔富水性达到中等，峰峰组和上马家沟组混合含水层富水性不均一，SW2、SW9号钻孔统一口径单位涌水量均大于5 L/s.m，富水性极强；从纵向上看，峰峰组含水层统一口径单位涌水量远小于峰峰组及上马家沟组混合含水层，从而可以看出上马家沟组含水层的富水性强于峰峰组含水层。

（3）由图1、图2可以看出，井田内奥灰水富水性不均一，在井田北部，在SW2—SW1—SW9号孔一条带上奥灰水富水性为强—极强，而井田在这一条带的南部则富水性为弱—中等。

图1 岩溶裂隙含水层单位涌水量等值线（峰峰组）Fig.1 Contour map of unit water inflowof karst fractured aquifer(O2f)

图2 岩溶裂隙含水层单位涌水量等值线（峰峰组+上马家沟组）Fig.2 Contour map of unit water inflowof karst fractured aquifer(O2f+s)

2 隔水层阻水能力分析

隔水层由2号煤层底板至奥陶系顶界隔水层组成。岩性主要以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、铝土泥岩为主，偶夹薄层石灰岩或泥灰岩。泥岩厚度占隔水层总厚度的68%以上。泥岩属塑性岩类，砂岩属脆性岩类。天然条件下，塑性岩隔水能力强，抗水压能力较弱。脆性岩的隔水能力较弱，但水压能力较强，一般情况下，二者组合可以有效起到阻水抗压作用，对阻止奥灰水与上覆各含水层间水力联系起到较大作用[4]。

3 底板扰动破坏深度的分析评价

底板破坏深度主要受矿压作用影响，主要因素有煤层倾角、煤层厚度、开采深度和开采工艺等。采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中计算公式对煤层底板破坏深度进行计算。计算公式见式（1）。

式中：H为开采深度，选用各钻孔的统计资料；α为煤层倾角，煤层倾角一般地段为4°左右，褶皱围为20°左右；L为工作面斜长，取工作面斜长260 m。矿压扰动破坏带破坏了底板隔水层的原始结构，致使隔水层有效厚度减小，有可能诱发构造突水或造成底板突水[5-6]。

从上述计算可以看出，煤层开采深度越大，矿压作用对煤层底板隔水层的破坏程度也越大。2号煤层底板破坏深度为25.38～30.18 m，破坏程度整体呈现中、北部地段较厚，其余地段较薄的趋势（图3）。2号煤层底板距奥灰顶板约64.53～113.05 m，2号煤层底板奥灰有效隔水层厚度为37.27～83.49 m。隔水层完整无断裂构造破坏地段2号煤层底板隔水层厚度均大于矿压作用对煤层底板的破坏深度，具有一定的保护层，发生突水的可能性较小。

图3 2号煤层底板矿压破坏带深度Fig.3 Depth of ground pressure failure zone of No.2 Coal Seam floor

4 2号煤层底板奥灰突水危险性评价

（1）带压范围。2号煤层位于二叠系山西组中下部，下距奥灰顶板约67.49—113.05 m，平均80.74 m。2号煤层底板标高为+50～+930 m，据以往钻孔奥灰抽水资料推测井田内奥灰水水位标高为+400—+560 m，井田内钻孔B2-2—B4-1—B5-2—B6-1—1119—1097—B12-1连线以北及西北地段，2号煤层底板标高低于奥灰水水位标高，属带压开采区（图4）。

图4 2号煤层底板奥灰水带压范围Fig.4 Pressure range of Ordovician limestone water in the floor of No.2 Coal Seam

（2）水头压力。2号煤层底板隔水层承受的水压为0.667～3.392 MPa，井田内2号煤层底板奥灰水头压力由东南向西北逐渐增大（图5）。

图5 2号煤层底板奥灰水头压力等值线Fig.5 Contour of Ordovician limestone head pressure in the floor of No.2 Coal Seam

（3）突水系数法计算。2号煤层底板奥灰隔水层厚度为67.49～113.05 m，平均80.74 m，井田南部、东北地段较厚，西部相对较薄。煤层底板隔水层承受的水压为0.667～3.392 MPa，平均1.677 MPa，井田内水压值整体呈现由东南向西北逐渐增大的趋势。结合钻孔隔水层厚度资料及隔水层底板承受的奥灰水压值，按突水系数计算公式计算得井田内2号煤层底板奥灰水突水系数为0.010～0.048 MPa/m（表1），井田总体呈现突水系数由东南向西北逐渐增大。

表1 2号煤层底板奥灰突水系数统计Table 1 Statistics of Ordovician limestone water inrush coefficient of No.2 Coal Seam floor

续表

（4）突水危险性分区。按《煤矿防治水细则》中底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m，正常块段突水系数不大于0.10 MPa/m[7-10]。井田内2号煤层奥灰突水系数均小于0.06 MPa/m，因此，井田内突水系数小于0.06 MPa/m的正常块段及非带压区，评价为非突水危险区；带压区内构造地段突水系数小于0.06 MPa/m，评价为突水威胁区；该井田不存在奥灰突水危险区（图6）。

5 结 论

（1）据水文钻孔资料，奥灰岩溶水属富水性不均一的含水层，对2号煤层开采构成威胁的主要为奥陶系上马家沟组含水层，2号煤层在井田的北部存在带压开采。

（2）2号煤层底板至奥灰顶界面隔水层岩性主要以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及铝土泥岩为主，偶夹薄层石灰岩或泥灰岩，具有较好的阻隔水能力。

（3）通过计算2号煤层底板破坏深度为25.38～30.18 m，远小于2号煤层底板至奥灰顶板的距离，正常地段发生突水的可能性较小。

（4）井田内2号煤层奥灰突水系数均小于煤层底板受构造破坏地带的临界突水系数0.06 MPa/m，正常地段属于非突水危险区，构造地段属于突水威胁区，不存在突水危险区。煤矿生产过程中应注重断层的导水性探测。

图6 2号煤层奥灰水突水危险性分区Fig.6 Risk zoning of Ordovician limestone water inrush in No.2 Coal Seam