庞庞塔矿奥灰水带压开采安全性分析评价

杨 刚

（霍州煤电集团吕临能化有限公司，山西 临县 033200）

奥灰水突水是影响煤矿安全生产的一种重大隐患，从我国煤矿开采历史来看，奥灰水突水事故具有发生快、伤亡重、损失大等特点［1］。因此，必须在分析研究矿井地质和水文地质条件的基础上，分析评价井田范围内各可采煤层奥灰水带压开采的安全性，以保证矿井的安全生产。

1 矿井概况

庞庞塔煤矿隶属于山西霍州，位于山西省吕梁市临县境内，井田南北、东西的长度分别为20 km、3 km，呈长条状，面积约60.731 km2，保有储量约12 亿t，生产能力10.00 Mt/a。矿井为斜—立混合开拓方式，共布置8 个井筒，两个开采水平，达产时同时具备北、南两个采区。

根据矿井历次地质勘查成果，庞庞塔煤矿的主要可采煤层为山西组的5上#、5#煤层及太原组的9#煤层，煤种牌号以1/3JM和QM为主，其主要特征见表1。

表1 可采煤层特征

本井田整体上是一单斜构造，地层倾角15°～25°，井田北东部局部地区倾角较大；断层较发育，但大部分断层落差都＜10 m；无岩浆岩侵入。矿井地质构造属简单型，为低瓦斯矿井。

2 奥灰水带压开采安全评价

2.1 奥灰水水位情况

据矿井水文地质孔抽水试验，本井田太原组灰岩含水层不太发育，连通性不强，涌水量较小，对井下开采活动影响很小。奥陶系峰峰组奥灰含水层岩溶裂隙较发育，富水性及连通性较好，水位标高+800～+857 m，5#、9#煤层底板标高分别为+170～+1 100 m和+100～+1 050 m。因此，5#、9#煤层底板大部区域都受奥灰水的影响，属带压开采。

2.2 煤层底板隔水层情况

（1）山西组5#煤至太原组9#煤之间的隔水层

5#煤层与9#煤之间的平均层间距为50.63 m，其岩性主要为厚度较大的泥质岩及内生裂隙发育较差的砂岩和灰岩，将其作为隔水层。从矿井开采现状看，所揭露断层的落差均＜20 m。因此，隔水层隔水性能良好，各含水层之间可以看作是相互独立的，能够良好地阻隔上部含水层沟通太灰水。

（2）太原组9#煤至奥陶系顶界间的隔水层（C2b+C3t）

太原组9#煤至奥陶系顶界间隔水层的平均厚度为63.35 m。其中C2b组地层厚度18.4～35.2 m，平均25.91 m，岩性主要为砂岩、泥岩、石灰岩和薄煤层，岩性软弱的泥质岩体类与岩性较坚硬的砂岩、石灰岩组合，兼具良好的岩石力学强度和隔水性能，有利于承受奥灰水的压力。但开采揭露构造发育地段可能破坏隔水层的完整性，致使奥灰水与开采煤层产生水力联系，必须加强地质构造发育地段的防治水工作。

2.3 矿井充水通道

矿井充水主要有水源和途径两个必要条件，必须同时具备上述两个条件才有发生突水的可能性，因此矿井充水通道是本次带压开采研究的重点之一。

（1）构造

本井田整体上是一单斜构造，生产揭露小断层发育，但断层富水性和导水性较弱，仅偶有少量渗水；在采掘9-703、9-704 工作面时，揭露陷落柱7 个，陷落柱无水或存在极少量淋水，对矿井生产影响亦较小。

5#、9#煤层均存在奥灰水带压开采。据奥灰水突水事例，即使在突水系数小于临界值的带压开采区域，只要存在导水断层或构造破碎带，仍存在突水的可能。因此，采掘过程中应加强隐伏构造的探测，在接近断层、陷落柱发育地段时，要做好超前探放水工作，预防构造导通上下含水体。

（2）开采后的煤层顶板导水裂缝带

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》的经验公式，分别计算煤层开采的垮落带、导水裂缝带高度，计算结果汇总见表2［2］。

表2 中Hm为垮落带高度，m；Hli为导水裂缝带高度，m；M为采厚，m。

表2 5#、9#煤层垮落带和导水裂缝带计算结果汇总

上述计算结果得出，开采5#煤层之后的垮落带、导水裂缝带高度的最大值分别为16.18 m、65.67 m，与山西组和下石盒子组的砂岩裂隙含水层无水力沟通；开采9#煤层之后的垮落带、导水裂缝带高度的最大值分别为32.78 m、119.40 m，远大于5#、9#煤层间最大间距60.29 m。因此，在开采9#煤层时，通过导水裂缝带会与上覆5#煤层采空积水沟通，所以在开采9#煤层时必须疏放上覆5#煤层采空积水。

2.4 回采工作面奥灰带压的安全性评价

根据《煤矿防治水细则》附录五，开采采用下述公式（1）进行突水系数评价［3］。

式中：T为突水系数，MPa/m；P为底板隔水岩层水头压力，P= （H0-H1）×0.009 8，MPa；M为底板隔水层厚度，M=H煤-H1，m；H0为奥灰岩溶水压标高，m；H1为奥灰顶面标高，m；H煤为煤层底板标高，m。

将井田内5#、9#煤层相关的53 个钻孔参数代入式（1），按照表3所示的《煤矿防治水细则》相关分区规定，经计算得出以下结果［4-5］：

表3 带压开采划分规定

据三维地震勘探，井田内陷落柱、断层均较发育。因此，将井田按底板有地质构造破坏地段进行分析评价。各煤层带压开采分区见图1。（1）5#煤层带压开采突水系数

井田内5#煤层突水系数范围为0.010 ～0.057 MPa/m，5#煤层非突水危险区面积为21.726 km2；突水威胁区面积为39.005 km2。在自然条件下可以实现安全开采，出现奥灰突水可能性不大，对煤层开采的威胁性较小；但若存在导水构造则可能发生奥灰突水事故。5#煤层带压开采分区见图1（a）。

图1 各煤层带压开采分区

（2）9#煤层带压开采突水系数

井田内9#煤层突水系数范围为0.011 ～0.133 MPa/m，9#煤层非突水危险区面积为17.964 km2，突水威胁区面积为39.672 km2，突水危险区面积为3.095 km2。在非突水危险区和突水威胁区当中开采9#煤层时，若底板无地质构造与奥灰水沟通，开采9#煤层时出现奥灰突水可能性不大，对煤层开采的威胁性较小，出现奥灰突水可能性不大；若存在导水构造则可能发生奥灰突水事故。突水危险区面积较小，在突水危险区开采9#煤层时突水危险较大，必须加强矿井水文地质工作，制定相应的安全技术措施。9#煤层带压开采分区见图1(b)。

综上所述，在煤层底板无地质构造与奥灰水沟通情况下，5#、9#煤层开采时，出现奥灰突水可能性不大；但在构造发育地段可能沟通下部奥灰含水层，具有矿井突水安全隐患，必须在掘进、回采过程中采用物探、钻探等手段探查隐伏构造及其导水性、富水性。对已经揭露并未发生突水的断层等构造要加强监测，防止滞后突水；对可能存在的导水构造，可采取注浆堵水或留设防隔水煤柱，防止奥灰水突水。在带压开采突水危险区，需通过对煤层底板注浆加固进行人为改造，方可实现矿井安全开采。

3 结语

在分析研究庞庞塔煤矿地质和水文条件的基础上，利用突水系数法分别计算出5#、9#煤层的带压开采突水系数，对全井田范围内的出5#、9#煤层的带压开采情况进行分区，并提出相应的安全带压开采技术措施。