麻家梁矿带压开采安全评价

2024-03-30白云飞

煤炭与化工 2024年2期

白云飞

（晋能控股煤业集团浙能麻家梁煤业有限责任公司，山西朔州 036000）

山西宁武煤田麻家梁井田面积104.287 7 km2,目前主采山西组4 号煤层、未来将采掘太原组9 号煤层，为年产量1 200 万t 的特大型煤矿。4 号煤和9 号煤采掘时承受的奥陶系上马家沟组厚层灰岩含水层水压平均值为4.67 MPa，由于水压较高致使2 个煤层开采时均不同程度面临着底板奥陶系灰岩突水的威胁。同时在地质构造和采煤扰动及高水压联合作用下，使得底板奥陶系灰岩突水可能性大大增加。此次分别基于标高比对法、斯氏公式法、突水系数法对煤层带压开采情况进行了突水危险性评价。

1 区域岩溶含水层概况

麻家梁井田内钻孔揭露的含水层组最大厚度203 m，岩性以灰色、浅灰色石灰岩、白云质灰岩为主，以溶隙和溶孔为主要形态。根据埋深分为上、中、下3 个含水层段。

上含水层段距奥陶系灰岩顶界面约22.80 m，发育较稳定，岩溶裂隙带厚0.60 ～16.50 m。区内钻孔抽水试验及简易抽水资料确定的单位涌水量在0.000 58 ～1.107 3 L/（s·m），该含水层段的富水性属于弱—中等—强，具富水性不均一的特征渗透系数位于0.003 3 ～8.832 m/d，透水性属于极弱—弱—中等程度。

中含水层段距奥陶系灰岩顶界面23.75 ～57.00 m，发育不稳定。岩溶裂隙带厚0.80 ～11.20 m。从钻孔冲洗液消耗量、岩芯采取率、物探测井及岩芯情况来看，该含水层段岩溶裂隙平面上发育不均一，总体上富水性弱。

下含水层段距奥陶系灰岩顶界面约46.60 ～106.85 m，发育较稳定。岩溶裂隙带厚0.60 ～13.40 m。钻孔抽水试验资料计算的单位涌水量1.049 L/（s·m)，富水性强，但平面上具分布不均匀的特征。

总之，奥陶系上马家沟组含水层组岩溶裂隙的发育强弱不等，富水性平面上分布极不均一，垂向上具有分段性特征。到2020 年4 月9 日含水层组区域内水位标高为+1 028.52—+1 069.20 m，水压在3.322 ～6.030 MPa；渗透系数介于0.003 3 ～8.832 0 m/d，上马家沟组灰岩含水层的透水性属于极弱—弱—中等程度，单位涌水量0.005 8 ～1.107 3 L/（s·m)，属于弱—中等—强，富水必分布不均一。

2 充水条件分析

2.1 底板扰动破坏深度

煤层底板扰动破坏产生的裂隙，既会缩小煤层与下伏含水层的有效隔水层厚度，也会降低底板岩层的隔水能力，从而造成底板含水层突水。同时，底板扰动破坏裂隙存在延展贯通原生构造裂隙的可能，同时也可能使得原生构造裂隙更为发育，从而诱发构造突水。

煤层底板扰动破坏深度（Cp）的估算一般也采用经验公式法：

式中：L为工作面宽度，m。

采取2 种计算方法的最大值作为最终的底板扰动破坏深度，经计算，麻家梁矿4 号煤层底板扰动破坏深度在17.26 ～30.37 m，均值为26.35 m。目前9 号煤层尚未开采，其值可比照4 号煤取值。

2.2 有效隔水层厚度分析

上马家沟组含水层与4 号煤层之间由平均厚度123.19 m 的岩层相隔，为4 号煤层的间接充水水源。该含水层组对煤层采掘的影响决定于4 号煤层底至奥陶系灰岩顶界面的距离，即底板隔水层厚度。经计算后，4 号煤底板有效隔水层厚度均大于底板扰动深度，正常情况下4 号煤采掘受下伏马家沟组厚层灰岩含水层组的影响不大。但在地质构造发育地带，受采煤扰动的影响，存在上马家沟组灰岩含水层地下水突入采掘工作面可能。因此，4 号煤层采掘时须重点提防地质构造引起的底板突水。

上马家沟组含水层与9 号煤层之间有铝土质泥岩相隔，为9 号煤的间接充水水源。底板隔水层厚度与底板扰动破坏深度差值即为9 号煤底板有效隔水层厚度，经计算，9 号煤底板有效隔水层厚度均大于底板扰动破坏深度。但在底板扰动破坏作用下，9 号煤底板有效隔水层厚度变小并且岩层隔水性能降低，一些地带将难以承受上马家沟组含水层高水压的作用，导致底板突水事故的发生。其次，在地质构造展布地带，其岩层中的断裂和裂隙较为发育，一旦与底板扰动破坏裂隙贯通也会发生底板突水。另外，在采煤扰动作用下，岩层中的构造断裂和裂隙将更为发育，底板突水可能性将大大增加。因此，9 号煤层采掘过程中全时域受到底板奥陶系厚层灰岩含水层地下水的突水威胁。

3 充水途径分析

3.1 底板扰动破坏裂隙

4 号煤采掘底板扰动破坏深度在17.26 ～30.37 m，均值为26.35 m，其产生的裂隙将贯穿下伏的K4砂岩含水层，但由于K4含水层富水性弱，底板扰动破坏裂隙对4 号煤开采的影响不大。如9 号煤采掘底板扰动破坏深度也按26.35 m 计，其产生的裂隙将穿透下伏太原组岩层至本溪组岩层，使得底板高水压奥灰含水层突水的概率大大提高。尤其是底板扰动破坏裂隙一旦与地质构造的断裂和裂隙贯通也会诱发底板突水；同时采煤底板扰动将使地质构造的断裂和裂隙更为发育，底板突水可能性将大大增加。因此，底板扰动破坏裂隙是9 号煤需要专门防治的导水通道。

3.2 断层破碎带

断层的存在会使主采煤层与充水含水层的有效隔水层厚度缩小甚至直接对接，因此煤层采掘时对断层须重点予以关注。麻家梁矿具有断层比较发育的特征且局部地带断层分布较密集的特点。经前期钻探、地震和巷道等手段查明的断层共有57 条，其中最大落差为300 m，其断层落差大于4 号煤层底板隔水层厚度123.19 m，4 号煤层与奥陶系灰岩含水层可能直接接触。因此，在断层附近开采4 号煤层时应按规定留设防隔水煤柱或实施注浆加固以防治断层直接突水。井田内落差大于9 号煤层底板隔水层厚度54.4 m 断层共有5 条，9 号煤层与奥灰含水层对接的可能性很大。未来9 号煤采掘时，对于这些断距较大的断层应采取留设防隔水煤柱、探放水、注浆加固等措施。

井田内落差小于4 号煤底板隔水层厚度123.19 m 的断层，造成煤层底板隔水层的有效厚度变小，加上灰岩含水层富水性较强且水压高，因此应按0.06 MPa/m 突水系数并结合断层要素，通过技术经济分析确定是留设防隔水煤柱还是采取注浆加固措施。

其它断层落差虽然小于9 号煤底板隔水层厚度54.40 m，但由于断层将缩短煤层与奥陶系灰岩之间的有效距离，破坏隔水岩层的完整性，尤其是底板扰动破坏叠加将使得奥陶系灰岩含水层的突水威胁变大。因此，未来巷道和工作面布置、煤层回采等阶段都必须重视断层的探测和加固工作，以防突水事故的发生。

3.3 褶曲构造裂隙

以往历次勘探工作表明，麻家梁井田褶曲比较发育，共有规模不等的3 个向斜和5 个背斜，目前查明的褶曲有5 个，下石碣峪一王万庄向斜、梨园头向斜、麻家梁背斜、马场背斜和二分厂向斜。在这些褶曲的轴部一般裂隙比较发育且相对富水，当采掘过程中通过这些部位时有可能发生构造裂隙突水事故。

已有研究证明，煤层顶板含水层在向斜轴部的富水性更强，而煤层底板含水层在背斜轴部的富水性更强，因此煤层采掘过程中在向斜轴部需重点防治顶板突水事故或做好涌（淋）水量增大的准备，而在背斜轴部需重点防治底板突水事故的发生。

另外，褶曲与断层交叉复合部位的岩石比较破碎，应加强这些部位的地质、水文地质、水文地球化学、地球物探探查工作，并系统分析所获得的综合信息，在采掘通过这些地带时应制定专门的安全措施。

4 主采煤层带压开采危险性评价

4.1 标高比对法

根据各钻孔奥灰水位标高与4 号、9 号煤底板标高，奥陶系上马家沟组灰岩含水层水位标高与4号煤层底板标高的差值在184.20 ～503.33 m，差值平均值为354.44 m，与9 号煤层底板标高的差值在271.30 ～571.33 m，差值平均值为420.82 m，水位标高均远远大于煤层底板标高，因此全井田范围内4、9 号煤采掘时均属带压开采，为可能突水区。

4.2 突水系数法

用突水系数来界定突水可能性时，将突水系数大于0 区域定义为煤层底板带压开采区，将突水系数值处于0～0.01 MPa/m 范围区域定义为非突水危险区，将突水系数值大于等于0.01 MPa/m 区域定义为可能突水区。针对可能突水区，在构造破坏地段，将突水系数处于0.01 ～0.06 MPa/m 范围的区域定义为突水威胁区，在突水系数大于等于0.06 MPa/m 的区域定义为突水危险区。

根据奥陶系上马家沟组灰岩含水层的水压和主采煤层底板隔水层厚度，经计算36 个钻孔的突水系数，4 号煤层底板奥陶系灰岩含水层突水系数在0.021 ～0.056 MPa/m，平均值为0.038 MPa/m。9 号煤层底板奥陶系灰岩含水层突水系数在0.049 ～0.152 MPa/m（仅一个钻孔计算为0.049 MPa/m），平均值为0.087 MPa/m。根据判别准则，4 号煤层均为可能突水区且属于突水威胁区，9 号煤层均为可能突水区且大部分区域属于突水危险区。