平山煤矿3号煤层带压开采安全评价

豆渊涛

（山西保利平山煤业股份有限公司，山西 晋城 048205）

底板承压水是影响煤矿工作面安全开采的重要因素之一。据统计,许多煤矿受承压水影响，导致弃采煤层。为有效地提高煤炭资源采出率，采用工作面带压开采可以解决这一问题。但在实施带压开采前，需要对煤层地质条件及底板隔水层厚度进行分析，确保带压开采的可行性［1-2］。

许多研究者对带压开采的可行性评价进行了研究，白俊凯［3］针对屯兰矿8 号煤层采用突水系数法对开采可行性进行了评价，并制定了相应措施；马丽华［4］针对东庞矿6 号煤层的涌水量进行了计算，分析了其上部及下部采空区积水的影响，得到6 号煤层可以安全开采。对工作面带压开采的安全评价成为煤矿工作面安全开采及防治水工作重点之一。

1 工程概况

平山煤矿井田位于山西晋城沁水县，井田基本为一北宽南窄的直角梯形，南北长约2 700 m，东西宽1 250～2 100 m，面积4.397 2 km2。本矿主要开采3 号煤层，采用走向长壁采煤法，一次采全高综采工艺，全部垮落法管理顶板，中央并列式通风方式。3 号煤层赋存于山西组下部，井田内煤层稳定，全区可采，煤厚3.70～6.30 m，平均5.22 m，简单结构；自北向南、自东向西厚度变小。煤层顶板为泥岩或粉砂岩，厚2.40～12.23 m，平均厚6.93 m；底板为泥岩或粉砂岩，厚0.40～9.32 m，平均厚4.20 m，变化无规律。煤层上距K8砂岩30.25～51.38 m，平均间距35.97 m；下距K7砂岩0.67～14.21 m，平均间距5.90 m；下距9 号煤层43.92～51.27 m，平均间距48.26 m； 下距15 号煤层81.52～103.19 m，平均间距90.37 m。

井田内3 号煤层底板标高在+270～+440 m，而其下部奥灰岩溶水水位标高+509～+518 m，3 号煤层均处于奥灰带压区域。奥灰水水头高、富水性强，区内断层陷落柱为奥灰水进入矿坑的潜在通道，随着开采水平的延深，带压开采的危险性增大。为了保证本矿3 号煤层带压开采的安全，需对3 号煤层奥灰岩溶水带压开采进行评价。

井田内基岩裸露，出露二叠系上统上石盒子组上段（P2s3）和石千峰组（P2sh）地层，山梁各部位零星分布第四系中更新统（Q2）洪、坡积堆积物，深部赋存二叠系上统上石盒子组（P2s）、下统下石盒子组（P1x）和山西组（P1s）,石炭系上统太原组（C3t）、中统本溪组（C2b）地层，基底为奥陶系中统峰峰组（O2f）及以下地层。

2 带压开采突水因素分析

2.1 断裂及破碎带

据平山井田三维地震及电法勘探报告，共解释断层20 条，巷道揭露2 条断层，其中3 号煤层落差≥5 m的断层4 条，落差＜5 m的断层18 条，均为正断层。各断层落差相对较小，一般断距在10 m以下。断层可能成为导通底部奥灰水和其他含水层的主要因素之一。

2.2 岩溶陷落柱

据三维地震勘探报告，查明井田内长轴大于25 m的陷落柱异常10 个，其中控制可靠陷落柱5 个，控制较可靠陷落柱5 个。陷落柱能否引发突水事故较难判断，因素较为复杂，平山煤矿巷道掘进时揭露X1 陷落柱区域水量很小，没有发生突水事故；但当开采深度增加时，陷落柱与断裂带联合作用时，引发突水事故不可忽视。

2.3 顶板采动冒裂带

工作面煤炭采出后，顶板岩层冒落，形成冒落带和裂隙带，可成为导水通道。平山煤矿开采3 号煤层平均采厚5.22 m，其冒落带和采动裂隙带高度达55.69 m，导水裂隙带沟通煤层顶板多个含水层，使得顶板砂岩裂隙水能进入矿井，增大工作面涌水量。顶板砂岩水多以淋水形式进入工作面，影响工作面生产环境和生产效率。

2.4 底板采动破坏带

根据平山矿相邻的成庄矿开采煤层底板导水破坏带深度一般在20 m左右，本井田内3 号煤层下伏地层富水性弱，因此，底板采动破坏带不会成为其导水通道。而15 号煤层距奥灰顶面平均厚度仅8.58 m，其底板破坏带深度已达奥灰峰峰组地层，峰峰组含水层的富水性是发生底板突水的内在因素。据资料分析，井田内峰峰组地层富水性弱，在无导水构造时，其底板采动破坏带不会成为其导水通道。

3 带压开采安全性评价

3.1 煤层底板隔水岩柱特征

（1）隔水岩柱厚度及空间分布

隔水岩柱厚度是决定是否会发生底板突水事故的重要因素之一。判断隔水岩柱厚度变化情况，井田内钻孔是最好的资料。平山煤矿井田共施工钻孔6 个，其中一个为奥灰水井，勘探孔都穿过整个煤系地层进入奥陶系灰岩。据统计，3 号煤层底板至奥灰顶面隔水层厚度为：90～113.22 m，平均厚度100.42 m；其厚度变化情况见图1。

图1 3 号煤层底板隔水层等厚线

图2 3 号煤层奥灰水带压开采分区

从图1 可以看出，井田范围内3 号煤层隔水岩柱整体上中东部平4 孔附近最厚，为113.22 m，向四周逐渐变薄；井田西北角最薄约90 m，井田西南角最薄约96 m，井田内钻孔隔水岩柱平均厚度约100.42 m。

（2）隔水岩柱的岩性组合特征

3 号煤层底部与15 号煤层顶部相距91 m左右，3 号煤底板至奥陶系中统峰峰组O2f，顶面平均厚约100.42 m，岩层主要由泥岩、砂质泥岩、砂岩、煤层、灰岩（K2、K3、K5、K6）和K7细粒砂岩组成。从岩性上分析，未来开采3 号煤以下隔水性能良好。

3 号煤层赋存于山西组，本组为滨海沼泽、泻湖相沉积，其岩性为灰白色（层面多呈灰黑色）中、细粒砂岩、泥质岩夹煤层。其中隔水性好的软岩层占有较大比例，除软岩层外是抗变形性好的硬质岩层。从隔水性能角度讲，软岩层泥岩多的地段隔水性能好；从抗水角度讲，硬质岩层多的地段抗水性能强。因此，无论从厚度上还是岩性上，该隔水层均具有良好的隔水性能，具有相对较好的带压开采条件。但煤层采动会使隔水层的有效厚度减小，距煤层底板一定深度范围内将失去隔水作用。

3.2 3号煤层底板奥灰突水系数计算

本次采用《煤矿防治水细则》突水系数计算公式：

T=P/M

式中：M为底板隔水层厚度，m；P为底板隔水层承受的压力，MPa；T为突水系数，MPa/m。

根据奥灰岩溶水等水位线图内插而得各钻孔奥灰岩溶含水层的水位标高。其水位标高减去相应的奥陶系顶面标高值作为底板隔水层承受的水压力。

P=（H-h）×0.009 8

式中：H为奥灰岩溶水位标高，m；h为奥陶系顶面标高，m。

根据公式计算出各钻孔及部分控制点（煤层底板标高最低点）3 号煤层奥灰突水系数，见表1。

表1 3 号煤层奥灰突水系数计算

3.3 3号煤层奥灰水带压开采分区

据《煤矿防治水细则》，以突水系数0.06 MPa/m、0.1 MPa/m作为带压开采分区标准。带压开采分区划分如下：T＜0.06 MPa/m，可以视为相对安全区。上述计算结果对采区进行安全性分布见图2。

经计算，3 号煤层最大突水系数为0.034 MPa，所有点突水系数均小于0.06 MPa，全矿井均处于奥灰水带压开采的相对安全区。隔水层平均厚度有100.42 m，在安全区域若无垂向导水断裂构造存在，则底板奥灰水对3 号煤层威胁很小，基本上不会发生奥灰水突入矿坑。但在生产中应加强断层、陷落柱及其导水性的探测工作，在查明其发育规模、位置的情况下，根据具体情况留设防水煤柱或注浆加固，以保障开采安全。

4 断层防隔水煤（岩）柱的留设

据平山井田三维地震及电法勘探报告，共解释断层20 条。当煤层处于含水层上方且断层导水时，需考虑设置断层防隔水煤柱，此时不但需要考虑底板隔水层能承受下部含水层的压力，还需要考虑断层水顺着断层方向上的力。根据地勘资料，煤层下方存在刘村正断层，断层倾角为65°，落差高度为2.4～4.3 m。

图3 断层防隔水煤(岩)柱留设

考虑底板隔水层受力情况，隔水煤柱留设的宽度应满足下式，且不小于20 m。

式中：α为断层倾角，°；L为煤（岩）柱留设宽度，m。

式中：P为防水煤（岩）柱所承受的静水压力，MPa；10为保护带厚度；Ts为临界突水系数，MPa/m。

作用于煤柱的水头压力P 值井田内最大为3.352 MPa，突水系数（T）取0.06 MPa/m，断层倾角（α）取65°。分别采用水头压力平均值和最大值代入上式，计算煤（岩）柱留设宽度（L）为72.7 m。

5 结语

针对平山煤矿3 号煤层位于奥灰水位之下，可能存在突水事故的影响，采用理论计算结合工作面地质条件，得到如下结论：

1）井田内3 号煤层底板标高在+270～+440 m，而奥灰水位标高为+509～+518 m，全部处于奥灰水带压开采； 但3 号煤层最大突水系数为0.034 MPa，井田内所有点突水系数均小于0.06 MPa。3 号煤层处于奥灰水带压开采的相对安全区；且3 号煤层以下隔水层平均厚度有100.42 m，煤层底板抗隔水条件较好，做好断层、陷落柱及其导水性的探查、治理工作，可保证安全开采。

2）鉴于断层可能成为导通底部奥灰水和其他含水层的主要因素之一，经测算，计算得到断层隔水煤柱留设宽度应为72.7 m。