昊村煤矿10 号煤层采动底板安全性评价研究

杨光源

（安徽省地质矿产勘查局312 地质队，安徽 淮北 235000）

1 概 况

煤层采动后的底板岩体破坏，会使煤层与底板强富水含水层（以“奥陶纪石灰岩”为典型代表）之间的稳定隔水岩体失去隔水作用，在底板采动裂隙、导水断层、导水陷落柱等垂向通道的影响下，煤层底板深部承压水上涌引起涌水现象，特别是在采空区附近时，极易发生突水灾害事故。因此，煤层开采底板破坏规律、底板安全性评价已成为我国华北石炭二叠纪煤田开采矿区的重要地质工作之一。

昊村煤矿是渭北煤田的早期生产矿井，目前山西组的3 号煤层资源近于枯竭，矿方规划开采深部的太原组10 号煤层，但由于受底板奥陶系石灰岩强富水含水层的影响，需要开展大量底板探查和现场试验工作，对太原组煤层开采底板安全性进行深入的分析评价。本文从煤层开采的水文地质条件出发，并基于煤层底板破坏深度和阻水能力的测试，以底板阻渗能力指标评价了10 号煤层开采的安全性，以期对矿井底板防治水工作提供可靠的理论支持。

2 煤层地质条件

昊村煤矿地处渭北石炭二叠纪煤田铜川矿区南缘，井田面积6.45 km2，设计生产能力60 万t/a。煤矿主采山西组的3 号煤和太原组的10 号煤层，未来5 a 仅规划开采南一采区10 号煤层。

10 号煤层厚度0.5～3.6 m，总体赋存较稳定，煤厚变化不大。目前，影响该煤层开采的主要含水层包括煤层顶板的山西组、上石盒子组、下石盒子组砂岩含水层和煤层底板的太原组石英砂岩/石灰岩、奥陶系石灰岩含水层，其中受底板奥灰含水层的威胁最大。

区域上抽水试验结果显示奥灰含水层为局部强富水含水层。根据井田范围内的地面、井下水文探查孔和水文长观孔的抽水试验数据，井田内奥灰含水层单位涌水量为0.001 2～0.164 L/s·m，含水层富水性为弱—中等。单位涌水量总体呈由东向西逐渐增加的趋势，井田东部多属于弱富水区，西部为中等富水区，未来5 a 开采区域主要集中在井田南部。

依据《煤矿防治水细则》的底板突水系数的计算公式，计算并绘制了10 号煤层底板突水系数等值线图（图1）。由图1 可知，井田范围内，底板突水系数为0.01～0.13 MPa/m，总体呈由西南至北东逐渐增加的趋势。井田西南突水系数小于0.06 MPa/m，属于相对安全区；井田中部突水系数在0.06～0.1 MPa/m，属于威胁区；井田东部突水系数大于0.1 MPa/m，属于危险区。

图1 10 煤底板突水系数等值线图Fig.1 Contour of water outburst coefficient of No.10 coal seam floor

3 煤层底板破坏深度和阻水性能试验

3.1 煤层底板破坏深度测试

在南一采区1101 工作面开展煤层底板破坏深度的试验工作。结合生产实际，在1101 工作面轨道运输巷350 m 和460 m 处，分别施工了测点，2个孔均为下俯布置，钻进方向和巷道夹角为30°，钻进过程中每隔一段距离（一般为2 m）安置1 个传感器，用于获取底板破坏信息的采集，如图2 所示。依据不同深度的探头应变测量值来推断煤层底板破坏深度。根据2 个探查孔多个探头的应变响应结果，推断得出2 个孔的底板破坏深度分别为7.4～10.9 m 和8.1～11.5 m。从安全角度出发，确定昊村煤矿10 号煤层开采的底板破坏深度为11.5 m。

图2 底板坏深度探测工程示意图Fig.2 Schematic diagram of floor failure depth detection project

3.2 煤层底板阻水性能监测

3.2.1 工程布置

此次试验在南一采区回风大巷与1101 工作面的交汇处开展，共布置3 个井下测试孔，均为向煤巷道底板下俯施工。钻孔为两两组合，1 个用于注高压水，同时监测水压、流速、流量等参数，另外1 个合作钻孔则安装传感器用以监测水压。此次试验监测了太原组石英砂岩含水层、太原组石灰岩含水层段和奥陶系中统马家沟组灰岩含水层段3 个层位，分别命名为层位1、层位2 和层位3。

3.2.2 监测结果

昊村煤矿各层位导渗压力值的相关参数见表1和表2。监测结果显示，监测孔水压的总体与施压孔的水压呈正相关关系，两者变化趋势基本一致。施压测试的初期，监测压力的变化较为缓慢，在1 h 以后，监测孔的水压变化幅度才开始增加。因此，将监测孔水压变化幅度增大点定为起始渗透点，并将该时段监测孔测试的水压对应的施压水压定为起始导渗水压。

表1 施压1 h 导渗条件参数Table 1 The seepage condition parameters after 1 hour of pressurizing

表2 施压2 h 稳定渗流条件参数Table 2 The stable seepage condition parameters after 2 hours of pressurizing

之后1 h 左右时间内，监测压力值逐渐增大，但到施压2 h 左右时，监测压力值开始处于稳定状态，压力值不再出现明显的波动。因此将监测压力的稳定值定为稳定水压。稳定水压值就显示了在各个层位施压压力水头下的导渗条件。

4 底板安全性评价

4.1 评价方法

煤层底板隔水保护层的阻水能力的评价参数为阻渗强度Pm，计算公式如下。

式中：hi为第i 段含水层厚度，m；P0i为i 段含水层的单位厚度的阻渗强度，MPa/m。

依据昊村煤矿南部地面揭露奥灰钻孔的资料，通过统计各含水层厚度、岩层的结构条件、岩芯采取率等参数，并基于底板破坏深度和底板阻水性能的探查结果，综合计算抗渗强度。

从煤层底板奥灰等含水层的水压与底板隔水保护层的阻渗能力的关系出发，认为煤层底板隔水保护层的阻渗强度大于奥灰水压时，煤层开采不受奥灰的影响；反之，突水危险性就较大。因此，以底板阻渗能力（阻渗安全系数A）指标来评价安全性，公式如下：

式中：Pm为阻渗强度；P 为钻孔水压。即当A 值大于1 时，煤层开采不受底板含水层的影响；反之，有底板突水危险性。

4.2 评价结果

根据上述方法和监测数据，计算并绘制了昊村煤矿南部安全系数（A）的等值线图，如图3 所示。昊村煤矿南部安全系数为1.9～3.5，总体呈由东至西逐渐增加的趋势，且无安全系数小于1 的区域。因此，昊村煤矿南部即将接续开采的南一采区受底板奥灰含水层的影响较小，正常情况下可以实现安全回采。

图3 南一采区安全系数等值线图Fig.3 Safety coefficient contour of southern No.1 mining area

5 结 论

（1）昊村煤矿10 号煤层开采时受底板太原组石灰岩和奥陶系石灰岩含水层的威胁较大，井田中部和北部的底板突水系数均大于0.06 MPa/m，存在安全隐患。

（2）煤层底板破坏深度测试结果显示，10 号煤层开采的底板破坏最大深度为11.5 m；井下多孔联系压渗试验结果显示，监测压力呈缓慢增加-快速增加-稳定的变化特点，获取了各层位的导渗压力值和稳定水压值。

（3）南一采区安全系数（A）均大于1，正常情况下可以实现安全回采。