西上庄煤矿15#煤层带压开采的分析与研究

赵明宇

（晋控集团南煤公司西上庄煤矿，山西阳泉 045000）

近年来煤矿开采过程中多次发生底板奥灰岩溶水突水案例，如2012年太原东山煤矿发生突水，突水量达520m3/h，使一采区的工作无法进行。2018年山西城底矿井760东轨道大巷硐室右帮底板发生涌水，经测定涌水量为350m3/h 左右，水压1.3MPa 左右，几个小时后涌水量达到230m3/h 时左右。以上突水案例均是在采动情况下，受底板采动破坏、承压水头压力，以及构造发育带的影响，奥灰岩溶水涌入矿坑。西上庄煤矿15#煤层的奥陶系灰岩含水层水位较高，且富水性较强，导致15#煤层开开采期间属于全区带压开采，开采过程中揭露的顶底导水构造的影响下，给15#煤层安全生产造成一定的水害威胁。

1 煤层概况

西上庄煤矿15#煤层厚度2.95～5.12m，平均3.87m，倾角12°。直接顶板均由砂质泥岩、泥岩组成，厚0.15～7.40m，平均2.72m，属Ⅰ-Ⅱ类顶底板；直接底板的岩性与顶板相同，均厚3.63m，其力学指标如表1所示。根据地质填图、钻孔揭露发现和三维地震解释成果可知，15#煤层内共发现大小断层3 条，发育陷落柱2 个。15#煤层赋存的3 条断层为隐伏张性逆断层，导水性一般，陷落柱在煤层采动影响下，存在一定导水风险。

2 矿井水文地质

（1）15#煤层含水层。顶板含水层：15#煤层老顶覆岩为3层坚硬灰岩，编号为K2～K4，总厚度9.42m，裂隙岩溶不发育，含水层富水性弱，水文地质钻孔及井检孔抽水试验资料，表明该含水层最大涌水量23.81m3/h，对15#煤层开采影响不大。

底板含水层：主要为奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层，富水性强，本区注水试验渗透系数K值为0.000655～0.779m/d，单位涌水量0.000455～0.205L/(s·m)。在带压区域，岩溶陷落柱可以成为奥灰含水层导升的通道，导致含水性及导水性均有增加，是该煤层开采水患风险的关键。根据勘探所揭露的钻孔水位，本煤层底板奥灰水底板标高230.87～357.9m，奥灰水位标高为421～436m，底板隔水层承受水压介于1.407～2.790MPa。

（2）15#煤层隔水层。15#煤层的隔水层包括煤层顶板、底板以及K8～K12间隔水层。其中煤层顶板的稳固性较好，且具有较好的隔水作用；隔水层厚度较大；K8～K12 间隔水层厚72.6m，由砂质泥岩、粉砂岩组成，有效阻断了上部含水层与煤系各含水层的水力联系，具有良好的隔水效果。

3 煤层奥灰水带压开采安全性分析

煤层采掘后，围岩岩体的应力平衡遭到破坏，导致含水层天然流场改变，地下水沿导水裂隙涌入矿坑，引发突水事故。15#煤层的带压安全开采最大突水威胁在于底板奥陶系岩溶水，其主要的突水因素包括地质构造发育程度和隔水底板奥灰水分布状态。15#煤层的带压安全开采，决定于煤层的赋存条件，包括水文地质构造、含水层突水风险、隔水层性能以及底板断裂、陷落柱的发育状态。

3.1 煤层底板隔水岩柱分析

15#煤层底部主要由砂质泥岩和泥岩组成，从岩性上分析隔水性能良好。本区除揭露的新生界岩层为松散破碎的散体结构岩体外，矿井井巷围岩均为砂岩、粉砂岩以及薄层灰岩，以块状结构岩体为主，总体评价岩体以中等完整为主，岩体质量分类为中等的。

钻孔揭露15#煤底板隔水层厚64.12～79.60m，平均72.6m，该隔水层的厚度大、抗水性能强，且隔水层底部的铝土泥岩具有沉积稳定、分布均匀的特点，能起到良好的隔水效果。

3.2 底板隔水能力分析

（1）底板隔水层承压P。15#煤层开采主要水患源自于奥灰岩溶水，底板隔水层承压的计算公式如式（1）所示。

式中：H——奥灰水位标高，m；

h——底板标高，m。

（2）安全水头压Ps。煤层采煤工作面隔水层所能承受的安全水头压力Ps的计算公式如下：

式中：M——底板隔水层厚度，m；

Ts——临界突水系数，取值范围0.06～0.1MPa/m，根据15#煤层隔水层的赋存状况，取0.06MPa/m。

通过计算各煤层底板隔水层能够承受的压力P与安全水头压Ps如表2 所示，15#煤层的安全水压值大于底板实际承受的水压值，表明15#煤层奥灰水带压开采安全性。

表2 15#煤层安全水头压力计算表

3.3 矿山压力破坏作用分析

矿山压力对底板的破坏作用主要通过矿山压力对底板破坏深度（Hp）体现。底板破坏深度是指围岩受到煤层采动的影响，产生一定形变和位移的破坏裂隙区域深度，该深度与煤层的顶底板岩性、埋藏深度、倾角以及工作面斜长有关。经验计算公式如式（3）所示。

式中：Hp——采矿扰动底板破坏带深度，m；

H——开采深度，即底板标高，如表2 所示介于230.87～357.9m；

L——工作面斜长，取值245m；

α——煤层倾角，取值12°。

代入数值算得，15#煤层底板采矿扰动底板破坏带深度介于26.04～27.11m 之间，远小于煤层底板隔水煤岩层厚度64.12～79.60m，即矿井带压区域内煤层开采底板的破坏深度不会超过隔水煤岩层厚度。

3.4 带压开采分区

根据《煤矿防治水细则》，依据煤层突水系数把带压开采分区分为三个危险分区，如表3所示。其中Ⅰ区段断层发育简单，煤层底板抗隔水条件较好，T＜0.06MPa/m，带压开采无发生突水的可能性；T介于0.06～0.1MPa/m 时，危险分区为Ⅱ区，该区域存在突水的风险；Ⅲ区T≥0.10MPa/m，属于带压开采危险区，需采取防治水工程后方可以进行开采。

表3 带压开采分区指标表

煤层突水系数=底板隔水层承压P/底板隔水，带入数据算得，15#煤层奥灰突水系数最小值为0.020，最大值为0.035。表明15#煤层的地质构造较为简单且煤层底板抗隔水条件较好，属于Ⅰ区，具备带压开采条件。

4 结论和建议

通过15#煤层的钻孔资料进行分析表明，15#煤层底板埋深在230.87～357.9m，煤层底板隔水煤岩层厚度64.12～79.60m，该隔水层具有厚度大、抗水性能强、隔水性能好的特点，能起到良好的隔水效果，15#煤层的安全水压值大于底板实际承受的水压值。且煤层底板采矿扰动底板破坏带深度介于26.04～27.11m，远小于煤层底板隔水煤岩层厚度。带压开采分区结果表明，15#煤层为带压开采安全区，具备带压开采条件。

15#煤层带压开采突水危险性小，但在陷落柱构造薄弱部位存在奥灰突水的可能，矿井可在带压区加强对导水构造的探测，对于陷落柱构造区应采取注浆治理可进行带压开采。