云岗矿8号煤层底板奥灰水突水危险性评价

周丽娜

（晋能控股煤业集团云岗煤矿，山西 大同 037000）

1 地质概况

云岗煤矿位于大同煤田的北部，主向斜轴的西翼，地层总体走向是东北向，倾向是西南向，矿区内地表径流属季节性河流，平时有矿井水补给，径流量为0～0.2 m3/d。云岗矿8号煤层底板标高+169～+238 m，井田奥灰水位标高在+1 100～+1 150 m。煤层的平均厚度为2.80 m，煤层结构比较复杂，主要由砂岩、泥岩、砂质泥岩及煤分层组成，煤层顶板砂质泥岩的抗压强度为23.2 MPa，属弱岩，对8 号煤层直接顶板含水层具有一定的隔水作用。云岗矿8号煤层底板奥灰水承压见图1，根据相关资料，采用五图双系数法［1］对煤层底板突水进行预测分析。

图1 8 号煤层底板奥灰水承压

2 五图双系数法

2.1 破坏深度等值线图

在工作面回采过程中，由于矿压等因素综合作用的结果，在煤层底板产生一定深度的破坏，这种破坏后的岩层具有导水能力，故称之为“导水破坏深度”。采用“三下开采规范”推荐公式［2］，计算底板采动带的破坏深度。

h=0.008 5H-0.166 5a+0.107 9L-4.357 9

式中：h为底板破坏深度，m；H为开采深度，m；a为倾角，°；L为工作面斜长。

估算矿区内各个钻孔煤层开采后的破坏深度，同时计算出各个钻孔煤层有效隔水层厚度，计算工作面斜长，采用初步设计值236 m，开采煤层倾角取值按照勘探钻孔揭露煤层倾角，开采深度取勘探钻孔各煤层底板埋深的实际值。根据煤层底板破坏深度的计算结果，绘制的底板坏深度等值线见图2。

图2 底板破坏深度等值线

根据图2 分析，井田范围由南至北煤层采动破坏深度逐渐增大，破坏深度值大约24～26.8 m之间。

2.2 隔水层厚度等值线图

煤层底板隔水层厚度是底板与含水层顶板之间的岩层，主要作用是阻止承压水进入采掘空间，根据钻孔揭露的相关数据，计算出底板隔水层厚度，绘制的底板隔水层厚度等值线见图3。

图3 底板隔水层厚度等值线

根据图3 分析，井田范围以王1002 钻孔为中心，分别向东、向西隔水层厚度逐渐增大，厚度值大约在113.56～170 m之间，隔水层厚度较大。

2.3 底板水头等值线图

8 号煤层距奥陶系灰岩顶界面平均约123 m，由于隔水层的厚度比较大，存在奥灰水突水的危险性很小。但如遇到大的断层或陷落柱时，由于隔水层的厚度变小，存在承压水突水的危险性就会增大［3］。根据历次勘探的抽水试验成果表明，雁13、W506 号孔，钻孔揭露灰岩19.98～57.19 m，下奥陶统单位涌水量0.208～0.243 L/s·m；T507、T807、T1603 号孔揭露灰岩104.98～119.37 m，揭露地层为下奥陶统及寒武系，抽水试验单位涌水量0.003 45～0.012 35 L/s·m。由上述抽水试验结果可以看出，本区岩溶发育具有不均一性，含水层的富水性差异较大，由弱富水至中等富水。

根据奥灰水位埋深计算出煤层所承受的奥灰水头压力，绘制的底板水头压力等值线见图4。

图4 底板水头压力等值线

根据图4 分析，井田范围以T304 钻孔为中心，分别向四周辐射水头压力逐渐降低，水头值大约在3.04～1.2 MPa之间，水头压力较大。

2.4 有效隔水层厚度等值线图

底板隔水层厚度与采动破坏带深度的差值是底板的有效隔水层厚度，能阻抗水头的压力，对煤层起安全保护作用，根据前文计算出的底板隔水层厚度和底板破坏深度，计算出底板的有效隔水层厚度，绘制的底板隔水层厚度等值线见图5。

图5 底板有效隔水层厚度等值线

根据图5 分析，井田范围以王1002 钻孔为中心，分别向东北、西南方向有效隔水层厚度逐渐增大，厚度约在87.56～140 m之间，隔水层厚度较大。

2.5 突水系数

在对保护层进行研究时，要进行保护层阻抗水头压力能力测试，观测每米岩层可阻抗多大的水压，根据参数来计算总体带压系数，但由于8 号煤层没有进行阻抗水头压力能力测试，因而无法计算带压系数，因此只对突水系数进行计算，计算公式为：

T=P/M

式中：T为突水系数，MPa/m；P为隔水层底板承受的静水压力，MPa；M为底板有效隔水层厚度，m。

根据公式计算煤层底板的突水系数，绘制的突水系数等值线见图6。

图6 突水系数等值线

根据图6 分析，突水系数最大在王1001 钻孔附近，井田范围突水系数约在0.01～0.032 MPa之间，突水系数较小。

3 评价预测分析

三级判别是三个指标，用来判别是否突水、突水形式以及突水量变化，其中，I级判别是对工作面必然发生直通式突水判别的指标；Ⅱ级判别是对工作面发生非直通式突水可能性及突水形式判别的指标；Ⅲ级判别是对己被Ⅱ级判别定为突水的工作面其突水量变化状况判别的指标。

3.1 Ⅰ级判别

根据底板破坏深度和有效隔水层厚度，井田范围煤层底板破坏深度约24.0～26.8 m，煤层底板有效隔水层厚度约80～140 m，由此判断煤层底板奥灰水发生直通式突水的可能性不大，危险性小。

3.2 Ⅱ级判别

根据煤层底板突水系数，井田范围内煤层底板最大突水系数为0.032 MPa/m，满足《煤矿安全规程》和《煤矿防治水细则》中临界突水系数的要求［4］。因此，可以确定8 号煤层底板有很小的非直通式突水可能，突水的危险性大大降低。由于本区内的断层大多是张性正断层，对于断层落差较大的区域，地层的完整性遭到破坏，也影响隔水层的连续性，增加了突水的危险性，对煤层开采造成很大的影响。特别是在F45、F46断层处开采8 号煤层时可能发生直通式突水。

3.3 Ⅲ级判别

已经施工的王901 水文孔，揭露灰岩厚度127.18 m，抽水试验灰岩含水段的水位标高为+1 118.15 m，煤层的单位涌水量为0.013 0 L/s·m，渗透系数为0.064 m/d，富水性较弱。在开采时，F26、F45、F46、F1669、F3及F5断层附近发生非直通式突水时，其突水量较其他块段大。8 号煤层奥灰水承压较大，可达2 MPa以上，总体呈中部向两边逐渐减小的趋势，因此发生突水时，突水量也是中部较西部和南部大。

综上所述，8 号煤层带压开采的评价结果为：8 号煤层井田内为非直通型—带压开采安全，在井田西南角为发生直通式突水危险大。

4 结论

为预测云岗矿8号煤层底板突水的危险性，采用五图双系数法，结果如下：

1）煤层底板破坏深度值约24～26.8 m，隔水层厚度值约113.56 ～170 m，底板水头值约3.04～1.2 MPa，有效隔水层厚度约87.56～140 m，突水系数约0.01～0.032 MPa。

2）8 号煤层带压开采区底板突水的危险性主要划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级区，判别结果表明，在井田内为非直通型—带压开采安全，在井田西南角为发生直通式突水危险大。