五龙煤业15号煤层奥灰水带压开采技术研究

付聪杰

(太原东山煤电集团有限公司，山西 太原 030043)

矿井水害属于煤矿开采五大自然灾害之一，其中奥灰水突水事故又是诸多水害中突发性、破坏性最为严重的一种[1-2]。我国许多矿井都存在着奥灰水突水威胁，随着煤层开采不断向深处延伸，采掘工作面底板承受的地压、水压越来越大，煤层开采过程中底板水害威胁也越来越严重，因此为了避免矿井出现奥灰水突水事故[3-4]，国内外学者提出了“深降强排”和“带压开采”技术来应对底板水害，其中“带压开采”技术以其低成本、易实施、影响小等特点被各大矿区广泛应用。

1982年10月19日，与五龙煤业相邻的东山煤矿六斜坡南端下山探巷接近F12断层前透水，整个采区巷道被淹没。透水点(15号煤层位)标高为699 m，日平均排水量12 500 m3，其动水位保持在760 m左右。突水后据水质分析资料，充水水源为由断层导入的奥灰岩溶水，因此15号煤层带压开采过程中受到奥灰水突水威胁。本文对太原东山五龙煤业15号煤层奥灰水带压技术进行了研究，为矿井水害防治提供了技术指导，保证了矿井安全高效开采。

1 工程概况

太原东山五龙煤业有限公司位于太原市，生产能力90万t/a，主采12号、15号煤层，煤层底板标高+780 m以下均处于奥灰带压区。井田地层总体走向为北西，为向南西倾伏的单斜构造，地层倾角12°左右且变化不大。断裂构造、岩溶陷落柱较发育。落差大于5 m的断层井田内共有5条。目前15号煤层底板标高+680 m以上区域已采完，正在开采15号煤层底板标高+680 m以下区域，该煤层受到奥陶系灰岩岩溶水的威胁，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，随着开采深度的加大，带压开采的危险性增大。

2 奥灰水带压开采条件分析

2.1 奥灰水情况

井田范围内奥灰含水层地下水大致流向自东向西，水力坡度约1%.综合考虑各水井受开采水量的影响，其水位较天然地下水位略有下降，以现场观测数据为基础，推测本矿奥灰水位标高在780.2～783.3 m之间，奥灰水等水位线及流向如图1所示。

图1 奥灰含水层水位等值线图

2.2 15号煤层底板隔水层分析

2.2.1 隔水岩柱厚度分析

井田及周边揭露奥灰的钻孔有7个，根据钻孔探测对15号煤底板隔水岩柱厚度进行了统计，如表1所示。从表1中可以看出，井田范围内15号煤层隔水岩柱空间分布整体上井田中南部D6孔附近最厚为85.37 m，向四周逐渐变薄，井田西北角最薄76.19 m(M9)，井田东南角最薄约78 m(内插)，井田内钻孔隔水岩柱平均厚度约82 m。

表1 15号煤底板隔水岩柱厚度

2.2.2 隔水岩柱的岩性组合特征

15号煤层至奥灰顶面为一套C2b及C3t海陆交互相的含煤建造，以砂岩、泥岩、石灰岩相间出现为特征，中间夹薄煤层。整个岩柱岩层软硬相间，为柔性、硬脆性、可溶硬脆性三类岩石的组合。根据钻孔资料显示，隔水岩柱中抗变形性好的岩石分别占63%、53.32%、54.50%，隔水性好的岩层占37%、46.68%、45.50%.抗变形性好的岩石和隔水性好的岩层均占有较大比例，充分说明该区底板隔水层有较好的带压开采条件。

3 15号煤层突水条件分析

矿井只有同时具备矿井水源和突水通道两个必要条件时，才可能发生突水事故。其中突水通道的确定是15号煤层带压开采研究的重点之一。通过对矿井进行地质勘探可知，奥灰水突水通道主要为断层和陷落柱。

1) 断层。五龙井田北界外为F17断层，井田东北角附近落差15 m左右，西部308号钻孔附近落差70 m左右。F17断层在五龙井田15号煤层北部具体位置无钻孔控制，据东山煤矿15号煤层矿井充水性图中F17断层位置，F17断层距本矿三采区最近距离约45 m，最远距离约185 m，推测三采区15号煤层底板隔水层厚度为77～79 m，本井田位于断层下降盘，若F17断层导水，会对五龙煤业的生产形成较大威胁。

2) 陷落柱。地表发现及井下揭露的陷落柱共7个，XJ1、XJ2、XJ3、XJ4为井下揭露，其形态基本控制，陷落柱内地层杂乱无章，柱壁倾角较大。据矿方调查，在开采过程中揭露的绝大多数陷落柱柱体边缘裂隙不发育、无渗水现象，富水性和导水性较差，在局部裂隙发育处有淋水、滴水现象，对矿井的充水影响程度较小。但是随着煤层倾斜方向埋深的增加，间接底板岩溶水压力增加，仍有可能发生突水，即在矿压作用下滞后突水的可能性不可忽视。特别当陷落柱与断裂构造或裂隙带联合作用时，有可能成为间接底板岩溶水的通道。

4 15号煤层奥灰水带压开采安全性分析

4.1 突水系数计算

1) 底板隔水层承受的压力(P)。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。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[5]。

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。

2) 底板隔水层厚度(M)。取15号煤层底板至奥陶系峰峰组含水层顶面之间的隔水完整岩层厚度。

3) 根据《煤矿防治水细则》中突水系数计算公式，将15号煤层4个钻孔数据代入公式(1)中，计算结果如表2所示。

T=P/M

(1)

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

表2 15号煤突水系数计算

从表中可知，15号煤层最大突水系数为0.066 MPa/m，位于井田西南角；最小为0.006 MPa/m，位于井田北部。

4.2 15号煤层奥灰水带压开采分区

考虑到矿井实际情况，15号煤层带压开采分区采用突水系数和断层发育规模两项指标进行综合分区，划分指标如表3所示。

表3 带压开采分区划分

依据表3，将15号煤层奥灰水带压开采划分为3个区域，如图2所示。

图2 15号煤层奥灰水带压开采分区

1)Ⅰ区(带压开采相对安全区，T<0.06 MPa/m)。在构造发育简单区，突水系数小于0.06 MPa/m。为15号煤层底板标高360～781 m区域，一、二、三采区均位于该区。该区段内15号煤层隔水层整体上井田中南部D6孔附近最厚，为85.37 m，向四周逐渐变薄，井田西北角最薄约76.19 m(M9)，井田东南角最薄约78 m(内插)，钻孔隔水岩柱平均厚度约82 m，可以承受一定的奥灰岩溶水的水头压力，在无导水断层、陷落柱等构造的正常地段，带压开采是安全的。

2) Ⅱ区(带压开采相对危险区，0.06 MPa/m≤T<0.1 MPa/m)。在构造发育简单区，突水系数大于0.06 MPa/m，不大于0.1 MPa/m，为15号煤层底板标高小于360 m以下地段，面积约为0.045 km2。该区段内15号煤层隔水岩层厚79～81 m。五龙资料显示，此区域奥灰富水性中等，若开采此区15号煤层，必须加强隐伏导水构造探测，对于断层破碎带、陷落柱，要通过注浆等措施，增加破碎带强度，同时注浆加固底板隔水层，方可保证安全开采。

3) Ⅲ区(带压开采危险区，构造复杂区)。在落差不小于5 m断层所形成的断层破碎带一线，为断层发育复杂区。断层落差较大，破坏了煤层底板隔水层完整性，降低了隔水层厚度，增加了奥灰突水的可能性。地面揭露的X4、X6陷落柱贯穿15号煤层直至地面，导通奥灰水的可能性较大，周围30 m划为可能导水危险区。

5 带压开采防治水措施

五龙煤业15号煤层底板标高781 m以下区域位于奥陶系岩溶水水位以下，为带压开采矿床。根据井田及区域水文地质资料，奥灰含水层的水压大，富水性强，只能采取防、堵措施。煤层下伏隔水层发育稳定，15号煤层底板隔水层平均厚约82 m，在完整的情况下，基本可以阻止奥灰岩溶水的突出。因此，是否存在导水通道是各煤层带压开采是否安全的关键因素。

5.1 建立健全水文地质监测系统

本矿井范围内有一供水井，没对O2f进行抽水试验，仅对O2s、O2x进行了混合抽水试验，相应的水文地质资料还不能完全满足带压开采的需求。还需要对奥灰含水层进行进一步的探查，查明本井田内奥灰含水层分层段的富水性和厚度情况。逐步建立健全水文地质监测系统。

5.2 加强导水通道探测

井田内地表填图发现的断层F29、F30、F31、F32、F43位于带压区，除F32、F43在井田东部井下部分揭露外，均无钻孔控制。带压区地表填图发现X4、X6陷落柱，东部井下揭露XJ1、XJ2、XJ3、XJ4陷落柱。为保证安全，在未来开采15号煤层时，要加强对断层、陷落柱及其导水性的探测，防止奥灰突水，同时防止充分采动后激活断层活性，使不导水断层变为导水断层，造成奥灰突水。

5.3 制定专项防治水措施

深入研究15号煤层的底板阻水性能，陷落柱、断层的发育规律和探查方法，随时针对工作面的具体水文地质条件制定防治水的具体措施。

6 结 语

1) 通过对五龙煤业15号煤层底板隔水层分析，15号煤隔水层厚度为78.4～85.37 m，隔水层抗变形性好的岩石和隔水性好的岩层均占有较大比例，充分说明15号煤层底板隔水层具备较好的带压开采条件。

2) 通过对15号煤层突水条件分析，F17断层是否导水会对五龙煤业的生产造成较大威胁。煤层最大突水系数为0.066 MPa/m，位于井田西南角，大于底板受构造破坏块段临界突水系数0.06 MPa/m，存在突水的可能性。

3) 根据突水系数和断层发育规模，将15号煤层带压开采危险程度划分为3个区域：带压开采相对安全区、带压开采相对危险区和带压开采危险区，并结合15号煤层带压开采实际条件，制定了相应的防治水措施。