澄合矿区引起5号煤层底板突水因素分析

郭春锋

陕西省一三九煤田地质水文地质有限公司 陕西 渭南 714000

渭北煤田澄合矿区煤炭开采受煤层底板水害影响较大，尤其是主采5号煤层受底板奥灰水影响较大。近年来，澄合矿区逐步进入深部开采阶段，矿区深部地质条件及地质构造等比较复杂。根据澄合矿区近年来多个矿井实际开采情况可知，矿井随着煤炭开采强度的增大，多数矿井主采5号煤层基本都处于带压开采状态，受煤层底板水危害影响较大，尤其是受底板奥灰水危害和影响日益严重。本次通过对引起煤层底板突水因素的分析，特别是对煤层底板奥灰岩溶水的突水因素分析，并提出带压开采对奥灰水的防治措施，为矿区煤矿安全开采提供借鉴和参考。

一、矿区地理概况

澄合矿区处于祁吕贺“山”字型构造前弧东翼内侧，与新华夏系第三沉降带—鄂尔多斯盆地东南缘复合部位中段，基本构造形态为一向北倾斜的单斜构造。矿区地貌以黄土塬为主体，黄龙山东西横亘于北部区外，西为洛河，东临黄河，地势北高南低，地表坡降9～12‰，地面标高为850～670m，黄河漫滩最低为350m。区内沟谷发育，下切深达100～150m，两侧冲沟密布，交汇成树枝状，横截面呈“V”型，沟壁陡峭，构成错综复杂的黄土台塬、沟壑地貌形态。

二、矿区水文地质特征

矿区地表基本被第四系松散层掩盖，属掩盖至半掩盖区，仅在沟谷有基岩裸露。地下水运移受区域地下水的控制，显示一定的成层性特征。区内含水地层，按其岩性及充水空间性质不同，可划分为孔隙裂隙潜水、基岩裂隙水含水层及岩溶水含水层三种类型。

1、孔隙裂隙水

孔隙裂隙水主要储存于第三、四系(Q～N)底部半胶结的粉砂，细至粗砂及砂砾岩层中。含水层厚度变化较大，由数米至数十米不等，一般厚3～63m。据钻孔抽水资料:单位涌水量一般为0.01～0.10L/s.m，渗透系数0.0073～1.55m/d。局部地段水量较大，如东王村的第三系上新统砂岩，单位涌水量一般为0.63L/s.m，渗透系数2.41m/d。泉水流量一般不超过1L/s。水质主要为HCO3－Na·Mg型，矿化度0.3～0.8g/L。水力大多具承压性质，一般属富水性弱的含水层组。

2、裂隙水

裂隙水主要赋存于下三叠统至下二叠统细至粗粒砂岩中。裂隙的发育程度与地层、构造及岩性组合有密切联系。一般在上部地层和基岩风化带以及构造、断裂位置附近，裂隙发育较普遍，且多张口性，富水性也较强。下部随着地层的不断延深，裂隙发育程度逐渐变差，且大多闭合，富水性亦随之逐步转弱。由于各含水层之间均有厚度较大的砂质泥岩、粉砂岩和泥岩组成隔水性能良好的相对隔水层，故一般均无直接水力联系。

3、岩溶水

矿区内揭露的岩溶水，主要赋存于上石炭统太原组及中下奥陶统峰峰组，岩溶类型以古岩溶、空溶洞以及溶蚀裂隙为主。古岩溶充填程度较完全，空溶洞主要分布于奥灰区域水位高程以上，溶蚀裂隙在空间的分布规律受地质构造所控制。

三、地下水补、径、排条件

矿区地下水主要接受大气降水和区外侧向径流的补给，其补给形式主要是通过地表露头和具孔隙性的疏松黄土层，分别以直接或间接的方式渗入补给基岩地下水。区内潜水总的径流方向由北向南排泄于区外。在径流途中部分以下降泉形式泄于地表较大的沟谷中汇流成河，部分则下渗补给基岩地下水；基岩裂隙水以顺层运动为主，受区内北东及北东东向构造裂隙控制，径流条件差，其排泄方式，部分裂隙水向南运动排泄于区外，部分通过断裂带向下伏奥灰排泄，另一部分则以下降泉的形式泄于地表较大的沟谷中汇流成河。

奥灰岩溶裂隙水补给主要为区外径流补给，其次为上部孔隙水以及基岩裂隙水下渗补给以及矿区以南较大河谷零星出露的奥灰接受大气降水和河水的渗漏补给。奥灰岩溶水的径流方向总的趋势由北向南，径流条件较好。其排泄方式主要以上升泉群为排泄口。

四、矿井充水强度分析

矿井充水强度主要决定于煤层顶底板含水层的富水性、厚度及导水裂隙沟通各含水层的程度、采煤方式和开采强度等因素。

1、煤层顶板

开采煤层导水裂隙带能够波及的煤层顶板上覆的砂岩裂隙水，随着工作面回采形成的导水裂隙带与砂岩含水层导通，通过导水裂隙带进入采掘空间。一般情况下，澄合矿区煤层顶板涌水是工作面开采正常涌水量的主要组成部分，砂岩含水层因地下水径流条件差，其富水性、透水性都不强，加上回采对顶板含水层疏放强度较大，长期疏放使其含水层静储量消耗殆尽处于疏干状态。

2、煤层底板

澄合矿区，煤层底板太原组K2灰岩和石英砂岩一般属矿井直接充水含水层，其水量稍大，充水强度稍强，由于太原组下部隔水岩层不稳定，该含水层与富水性强的奥灰岩溶水发生水力联系时，极有可能造成矿井底鼓突水，矿井充水量将急剧增大，矿井生产中应引起足够重视。

3、奥灰岩溶水

渭北煤田澄合矿区煤系沉积基底奥陶系灰岩，含水空间以溶蚀裂隙为主，富水性强且具有明显的不均一性，岩溶水连通性良好，具有区域性的水位标高＋370.00m，水头压力大，区内多数煤矿主要可采5号煤层处于＋370.00 m以下，由于太原组下部岩层隔水性能不稳定，奥灰水将对煤层开采造成很大威胁。澄合矿区生产矿井董家河矿、澄合二矿、权家河矿、王村煤矿等，在开采水平低于奥灰区域水位标高＋370.00m时，均不同程度受到了奥灰水的侵害。

五、引起5号煤层底板突水的因素分析

1、水压:位于煤层底板下部的奥灰岩溶承压含水层，是造成底板突水的主要源泉。其水头压力大，承压水在水压力的作用下不断侵蚀、冲刷底板隔水层，渗透至上覆隔水层的构造裂隙中，降低隔水层的完整性，减弱岩体的抵抗强度，并扩大隔水层内部的裂隙，最终形成突水通道。

2、含水层的富水性:煤层底板下的岩溶承压含水层突入工作面的机会与岩溶的发育程度及富水性有密切关系。区内奥灰岩溶水富水性强且具有明显的不均一性，当底板奥灰岩溶水富水性较好时，由底板造成的突水性就大，而且突水量也比较大。

3、底板采动破坏深度:煤层采掘前，奥灰水的静压力始终与上覆岩层的自重力处于一种自然地平衡状态，煤层的采掘破坏了这种平衡就有可能导致突水。由于采动压力的影响，使得煤层底板产生新的裂隙，减小了隔水层的有效厚度，降低了隔水性能，局部可失去阻水性。

4、有效隔水层的厚度及岩性组合:澄合矿区5号煤层一般为各矿井的主采煤层，视5号煤底板至奥陶系为隔水层段，矿区内一般厚度10－80m左右，平均20－40m左右。从5号煤底板至奥灰顶面隔水层来看，虽然厚度变化较大，但隔水层岩性为铝质泥岩、石英砂岩、粉砂岩及砂质泥岩。该岩性组合软硬相间，交替叠加，而且上部为坚硬的石英砂岩、粉砂岩，具有较高的抗压强度，下部为铝质泥岩、砂质泥岩等软岩层，虽然抗压强度较低但具良好的隔水性能，成为带压采煤的有利条件。

5、地质构造:奥灰岩溶类型在空间上的分布规律，受地质构造所控制。在构造裂隙发育地段，为奥灰水蓄集的空间、运移的通道、富集的场所。因构造带抗水压性能远小于完整岩层，矿井开采时的采动压力对底板的破坏大于正常岩层，且断裂构造缩短了煤层与对盘含水层之间的距离，当断层切割奥灰含水层时，有可能导致煤层与含水层对接或距离缩短，从而使隔水层的有效厚度减小。以上种种综合作用就导致奥灰水将在断裂带附近形成突破口，涌入矿坑。

6、采煤方法:不同的采煤方法对工作面底板突水与否起着拟制作用。当煤层厚度比较大时，可以采用分层开采，从而减轻采动矿压对工作面底板的破坏程度，有利于拟制底板突水的发生；同理，采用短壁工作面开采、条带开采或充填采空区开采，也是可以拟制或减少底板突水事故的有效措施。

六、带压开采对奥灰水的防治措施

1、以防为主:在开采受奥灰水威胁的煤层时，在采掘过程中即使采取一系列防止突水的安全措施，也难以完全杜绝奥灰水的突水事故，因此无论采用何种方法采煤都必须有可靠的防排水设施。

2、利用隔水底板:充分利用煤层底板与奥灰之间隔水岩层所能承受的奥灰水压进行采掘活动，优化工作面布置与开采工艺，减小底板采动破坏深度。

3、限压开采:按规程规定及以往开采经验，在地层较完整块段突水系数可取到0.1 MPa∕m以下，受构造破坏区段，突水系数控制在0.06 MPa∕m以下。

4、局部堵排:对采掘活动中的局部出水，进行封闭堵塞。对已探明的有突水危险的构造带、导水断层进行注浆堵水，对有突水危险的底板，带压开采前进行底板注浆加固。

5、超前物探:采掘工作面采用三维地震勘探、超前钻探、瞬变电磁法等方法，对断层、异常构造带、工作面底板富水有一个全局的把握，必要时进行注浆堵水，形成有效的隔水层。

6、加强观测:通过建立和完善水文地质观测系统，及时掌握地下水动态变化规律，从而快速判断井下突水的水源，为水害治理方案提供科学依据。

结束语

澄合矿区煤层顶板裂隙水一般情况下对矿井生产影响不大。但煤层底板水，尤其是底板突水对矿井生产及危害较大，澄合矿区奥灰岩溶水富水性强，且富水性不均一，矿井开采过程中必须重点进行防治，以免某些人为因素导致奥灰岩溶水溃入矿井，对矿井生产和安全带来严重影响和危害。