山西古交屯兰煤矿8号煤层带压开采评价

卢泽雨，杜贝贝，乔明昭，费光灿

(中煤地华盛水文地质勘察有限公司山西分公司，太原 030000)

0 引言

山西是我国煤炭大省，开采由来已久。作为我国重要能源基地，为我国的生产生活提供了丰富的能源，对经济的发展具有重要的意义[1]。随着矿井开采深度的不断增加以及下组煤的大规模开发，煤层开采受煤系基底奥灰承压突水威胁程度大幅增加。

西山煤电集团公司在研究古交矿区下组煤的开采过程中发现，下组煤的开采受中奥陶系灰岩含水层的威胁，并认为奥陶系中统峰峰组是下组煤带压开采的直接充水含水层，存在严重的带压开采问题[2]。因此，分析井田内导水通道、断层褶曲等水文地质特征、含隔水层分布规律及地下水补给、径流、排泄条件等方面进行矿井带压开采可行性分析就显得尤为关键，这也为保证矿井安全生产起着举足轻重的作用[3]。

1 煤矿地质及水文地质

煤矿位于太原地区古交市西南，地势西南高东北低，地层总体上为向西南倾伏的单斜构造，区内河流有屯兰河、原平河、大川河，其中大川河由西南或南向北东汇入汾河。本区含水层主要为第四系全新统砂砾含水岩组、石盒子组砂岩裂隙含水岩组、山西组砂岩裂隙含水岩组、太原组砂岩夹薄层灰岩裂隙含水岩组及奥陶系石灰岩岩溶含水岩组。其中，对8号煤带压开采影响最大的是奥陶系石灰岩岩溶含水岩组，是井田的间接充水含水层，主要有奥陶系中统峰峰组和上马家沟组。叙述如下：

1)奥陶系中统峰峰组岩溶裂隙含水岩组。本组平行不整合于本溪组之下，厚110.90～159.00m，平均123.66m，分为上、下两段。下段为角砾状泥灰岩、灰岩及石膏，由于泥质含量高，岩溶裂隙不发育；上段为本区奥陶系第一含水层，主要由石灰岩、泥灰岩组成，厚45m左右。本组钻孔涉及范围水位标高880.90～1 026.84m，单位涌水量0.000 26～0.938L/(s·m)，渗透系数0.019～1.664m/d，为弱—中等富水性含水层。水化学类型为SO4—Ca·Mg型，矿化度802～2 438mg/L，水温14～24℃，pH值7.35～8.1，富水性极不均一，一般区域峰峰组属弱富水，在蓄水构造内，地下水的补给条件好，可以达到中等富水。

2)奥陶系中统上马家沟组岩溶裂隙含水岩组。本组平均厚度218.16m，分为上、中、下三段。下段为角砾状泥灰岩、石灰岩夹薄层石膏，厚50m左右，岩溶裂隙不发育，富水性弱，为相对隔水层；中段主要为豹皮状厚层石灰岩夹薄层白云质灰岩，平均厚88.3m，岩溶裂隙发育，富水性较强；上段主要为石灰岩夹薄层泥灰岩和泥质灰岩，平均64.17m，岩溶裂隙发育，大部分钻孔揭露该层时均出现漏水现象，水位急剧下降，是该组主要含水层段，富水性强。

该井田面积为64.490 2km2，开采标高540～950m，目前主采2、8号煤层，实际生产能力保持在303万t左右。

2 煤矿带压情况分析

2.1 8号煤层底板隔水层

8号煤层底板隔水层厚度在69.25m(426号孔)～120.0m(XST—T51号孔)，平均厚度92.91m。头南峁断层以北，有一走向NNW—SSE向的条带，宽度1 000～1 700m，底板隔水层厚度最大，厚度≥100m；土地沟断层和王芝茂断层中段的大片区域煤层底板隔水层偏厚，厚度大于100m。根据《山西焦煤集团有限责任公司屯兰煤矿奥灰水带压开采评价及防治水设计报告》，井田东部、北东部和西南部局部隔水层厚度较小，厚度小于80m[4](表1)。

表1 8号煤层底板隔水层厚度统计Table 1 Statistics of coal No.8 floor aquifuge thicknesses m

2.2 采动破坏分析

由于开拓和采动，原来的地应力平衡状态被打破，地应力重新分布。在地应力达到新的平衡状态时，必然有应变能释放，会使岩体结构发生变化。采区顶板压力通过四帮传递给隔水底板，引起底鼓破坏，对煤层底板突水起着触发及诱导的作用[5-6]。

在考虑开采深度、岩层倾角和工作面斜长时，可采取统计公式计算出8号煤底板破坏深度(表2)。

表2 8号煤底板采动破坏带深度计算成果Table 2 Computed result of coal No.8 floor mining destruction zone depths m

计算公式：

h1=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9

(1)

式中：h1—煤层底板破坏深度，m；

H—开采深度，m；

α—煤层倾角，(°)，

L—工作面斜长，m。

由表2可知：

1)在各煤层相同埋深的情况下，工作面斜长越大，底板破坏深度越大。

2)在同一工作面斜长的情况下，随着埋深的增加，底板破坏深度增加幅度不大。

3)不同煤层只要在煤层埋藏深度和工作面斜长相等的情况下，采动造成的底板破坏深度一致。

以上说明开采工作面斜长对煤层底板破坏带深度起主要作用。

3 奥灰水带压开采评价

“五图—双系数法”是一种带压开采工作面评价的方法。该方法用于采煤工作面评价时涉及许多细致的工作内容，其中最重要的是围绕“五图”、“双系数”和“三级判别”来进行。其中，“三级判别”是与“双系数”配合用来判别突水与否、突水形式和突水量变化的三个指标：Ⅰ级判别，是判别工作面必然发生直通式突水的指标；Ⅱ级判别，是判别工作面发生非直通式突水可能性及其突水形式的指标；Ⅲ级判别，是判别已被Ⅱ级判别定为突水工作面其突水量变化状况的指标。

3.1 底板保护层破坏深度等值线图

屯兰矿各钻孔处8号煤层底板埋深在133.75～777.59m，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中经验公式计算8号煤层“导水破坏深度”发育高度21.07～26.55m，平均23.57m(图1)。随着8号煤由井田北东向南西方向埋深逐渐增大，底板导水破坏深度也逐渐增大。

图1 8号煤底板保护层破坏深度等值线Figure 1 Isogram of coal No.8 floor protective layer destruction depths

3.2 底板奥灰水水头高度等值线图

随着8号煤在井田范围内从东北向西南，东北随着深度的增加，水头值也逐渐增加，北部井田边界处水位高度为120m，至井田南部增至340m(图2)。

图2 8煤底板奥灰水水头高度等值线Figure 2 Isogram of coal No.8 floor Ordovician limestone water heads

3.3 有效保护层厚度等值线图

据经验公式计算的“导水破坏深度”发育高度21.07～26.55m，平均23.57m。据此计算出的“有效保护层”厚度在46.29～137.42 m，总体上西南部厚度较大，向东北逐渐变薄(图3)。

图3 有效保护层厚度等值线Figure 3 Isogram of effective protective layer thicknesses

3.4 带压开采评价图

井田内8号煤层“带压系数”在0.013～0.05MPa/m，“突水系数”在0.017～0.075MPa/m。对比“三级判别”是与双系数评价标准，本井田没有Ⅰ级评价范畴。故将井田分为Ⅱ、Ⅲ级评价区域(图4)。

图4 8号煤带压开采评价Figure 4 Coal No.8 mining under aquifer safe water pressure assessment diagram

由图4可以观察到：井田绝大部分区域，即自北向南至T37孔和440孔一带，8号煤层煤层埋深575～708m的正常地带范围，“双系数”均小于0.06MPa/m，属Ⅲ级评价的范畴。该区段底板采动导水破坏带深度较大21.07～26.55m，有效保护层厚46.29～137.42m，底板隔水层承受的水压值1.169～4.243MPa，突水危险性较小。在井田西南部边界一带，即T37孔以南，煤层埋深大于708m的范围，“带压系数”小于0.06MPa/m，而“突水系数”大于0.06MPa/m，属Ⅱ级评价的范畴，此区段底板采动导水破坏带深度24.86～26.28m，有效保护层厚53.35～62.75m，底板隔水层承受的水压值3.993～4.243MPa。

4 结论

1)井田内奥灰水位标高为830～918.75m，可采煤层全部属带压开采。奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层为煤层底板充水的主要含水层，富水性极不均一，峰峰组上段为本区奥陶系第一含水层，厚40m左右，单位涌水量0.003 6～0.733 9L/(s·m)(GS-15号孔)，富水性弱—中等，本层是奥灰突水的主要水源。

2)奥陶系灰岩对8号煤的突水危险性，计算得出未来主采的8号煤掘进时的安全隔水层厚度和安全水压。

3)采用突水系数和断裂构造发育规模两项指标进行带压开采安全性分区。将古交断层、土地沟断层两盘、王芝茂断层、头南峁断层和F24断层上盘(突水系数0.034～0.06MPa/m)的区域内划分为带压开采相对危险区(Ⅱ区)；将8号煤层古交断层上盘中段(突水系数>0.1MPa/m)的区域划为带压开采危险区(Ⅲ区)。