棋盘井煤矿16煤安全开采分区及防水煤柱留设

黄正将，杨 莹，王 磊

(1．河南省第一地质勘察院，河南 南阳 473000;2．河南省地矿建设工程集团有限公司，河南 郑州 450007)

在煤炭开采中，当煤层底板含水层的水位高于煤层的标高，称之为承压水上开采，也叫带压开采。在带压情况下，地下水有涌入开采工作面和巷道的危险性。随着矿井向深部延伸，工作面底板含水层的水压逐渐增大，突水的危险在不断增大。随着开采逐渐向深部发展，太行山以西绝大多数矿井已经转入奥陶系岩溶承压水面下［1］。有些矿井常因工作面底板破坏或工作面底板存在缺陷而导水(如断层、陷落柱)，而石炭系本身的薄层灰岩，在一些区域是良好的含水层，并且距离煤层比奥陶系更近，一旦工作面底板破坏，也会出现突水事故［2］。据统计，80%的突水与断层有关［3～5］。2010年3月1 日，神华骆驼山煤矿，也因掘进巷道近疑似陷落柱而发生特大突水，最大涌水量65 000 m3/h。

1 充实水源及通道

根据前期水文地质条件的分析，认为棋盘井煤矿16煤开采主要充水水源为底板奥陶系灰岩含水层组，其充水通道为井田内的断层。

1．1 奥陶系灰岩含水层组

全组厚度117～472 m，井田内最大揭露厚度为125．33 m，岩性为青灰色，厚层状生物碎屑灰岩，含动物化石。单位涌水量q=0．002 74 L/s·m，渗透系数K=0．011 4 m/d。地下水化学类型为SO42－－Ca2+·Mg2+型水。该含水层与上部的含煤地层石炭系上统太原组(C3t)之间有石炭系上统太原组下部(C2t1)隔水地层存在。因此，该含水层与上部直接充水含水层的水力联系大多数地段较弱，仅在构造发育地段有可能具较密切的水力联系，该含水层为井田的间接充水含水层。

1．2 断层发育及分布

井田内共发现断层83条，断层走向以近东西向为主。按断层性质分类：正断层82条，逆断层1条;按断层可靠程度分类：可靠断层41条;较可靠断层33条，可靠性差断层9条;按断层落差分类：落差50～100 m的断层3条，落差20～49 m的断层2条，落差10～19 m的断层13条，落差6～9 m的断层4条，落差小于等于5 m的断层61条。

2 带压开采安全分区

2．1 水位、隔水层厚度确定

根据井田内3个奥灰水源井单位涌水量为0．002 7 ～3．553 L/s·m，富水性弱 ～ 强，奥灰孔资料统计见表1。

表1 奥灰孔资料统计表

由表1表明：本区奥灰含水层的富水性极不均匀。奥灰至16煤的距离分别为58．75～38．57 m，平均45．52 m。16煤底板至奥灰顶界间岩性包括石英砂岩、泥岩、砂质泥岩、细砂岩。其中具泥岩、砂质泥岩等软岩占了27%，硬岩占了73%，见表2。本文在计算时，为保守起见，取奥灰水位为1 160 m，结合钻孔资料及隔水层等值线图，见图1。取矿隔水层最小厚度为38．57 m。

表2 16煤至奥灰顶部岩性组合表

图1 隔水层厚度等值线图

2．2 安全分区

对公式(1)、(2)进行转换，得出临界安全开采底板等高线计算公式(3)：

式中：

T—突水系数，m;

P—底板隔水层承受的水头压力，MPa;

M—底板隔水层厚度，MPa/m;

H1—奥灰水位标高，m;

H2—临界安全开采底板标高，m。

式(3)中，P为作用于底板隔水层的水压力，由奥灰水水位和隔水层底板标高确定，根据表1奥灰水位资料，取三者水位最大者1 160 m;M为隔水层厚度，取38．57 m。根据《煤矿防治水规定》附录四，在正常块段T临界值为0．1 MPa/m，在底板受构造破坏块段T临界值为0．06 MPa/m，由此代入公式(3)得到相应临界安全开采底板等高线，分别为812．87 m及967．15 m。因此，本文认为在 16煤812．87 m 底板等高线以下开采具有一定的危险性，在812．87 m以上，底板隔水层完整地段开采是安全的;在16煤底板等高线812．87～967．15 m间，在底板隔水层受构造破坏地带开采具有一定的危险性;在967．15 m以上，在无集中导水通道情况下开采是安全的。

3 断层防水煤柱留设

3．1 断层导水特点分析

2008年，该矿曾在井下对F2断层和FS15断层进行了水文探查和注浆加固，F2断层探查孔出水量20～30m3/h，FS15探查孔出水量5 ～6 m3/h，表明该矿的断层具有导水性。

3．2 煤柱留设计算

根据《煤矿防治水规定》附录三公式：

对断层落差≥10 m断层的防水煤柱进行了具体计算，见表3。最终煤柱尺寸以最大值为准;对小于10 m的断层应在探明其导水性后再确定是否留设防水煤柱或注浆加固。

表3 断层防水煤柱宽度留设表

4 结论

1)通过计算得出16煤开采临界底板标高为812．87 m 及967．15 m。认为在16煤812．87 m 底板等高线以下开采具有一定的危险性，在812．87 m以上，底板隔水层完整地段开采是安全的;在16煤底板等高线812．87～967．15 m，在底板隔水层受构造破坏地带开采具有一定的危险性;在967．15 m以上，在无集中导水通道情况下开采是安全的。

2)通过计算，对F2断层和FS15断层留设了煤柱，宽度分别为71 m、43 m，对小于10 m的断层应在探明其导水性后，再确定是否留设防水煤柱或注浆加固。

［1］ 余秀宝，江文昌．我国煤矿安全事故原因系统分析与对策［J］．煤炭科学技术，2007，35(1)：104－108．

［2］ 王树玉．煤矿五大灾害事故分析和防治对策［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2006：55－67．

［3］ 王永红，沈 文．中国煤矿水害预防及治理［M］．北京：煤炭工业出版社，1996：147－164．

［4］ 赵铁锤．华北地区奥灰水综合防治技术［M］．北京：煤炭工业出版社，2006：5－10．

［5］ 郑世书，孙亚军．专门水文地质学［M］．中国矿业大学出版社，1999：98－168．