矿压作用对奥灰水带压区煤层开采的影响

米 然

(山西地宝能源有限公司，山西 太原 030045)

奥灰岩溶承压水是煤矿安全生产的主要隐患之一，导致奥灰水底板突水的影响因素主要有奥灰岩溶含水层的富水性、煤层底板隔水层厚度、地质构造及矿压作用等。其中矿压作用会导致底板隔水层的强度降低，阻水性能下降。笔者本次以石碣峪煤矿为例，探讨矿压作用对奥灰带压区煤矿生产的影响。

1 研究区内奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层概况

研究区位于大同盆地南部边缘，水文地质单元属于神头泉域径流区。

奥陶系中统上、下马家沟组碳酸盐岩类岩溶含水层埋藏于井田深部，研究区外东南部地表有基岩出露。据矿方提供的资料：研究区钻孔揭露奥陶系灰岩。上马家沟组岩性为灰色、浅灰色泥灰岩、角砾状泥灰岩夹灰白色白云岩；下马家沟组岩性为厚层白云岩、白云质灰岩。根据水文孔水位观测成果，结合区域水文地质资料，研究区内奥灰岩溶含水层水位标高为1058～1067m，水力坡度平均为2.36‰，总体向东北径流（见图1）。研究区内可采煤层为4、9、11号煤层。本次以最下部的11号煤层来分析矿压作用对奥灰突水的影响，11号煤层底板标高在670～1140m之间，属奥灰水大部带压开采煤层。

图1 井田奥灰岩溶水等水位线图

2 隔水层对奥灰突水的抑制作用

11号煤层底板隔水层厚度在28.13～57.49m之间，平均为48.20m，厚度总的变化趋势是中南部薄，向南、向北逐渐变厚；东西向西部较薄，东部逐渐变厚（见图2）。相对于奥灰岩溶含水层，井田内11号煤层底板隔水层包括石炭系太原组和本溪组。太原组主要由中—粗粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩和煤组成；本溪组主要由铝质泥岩、泥岩、砂质泥岩、中—细粒砂岩，夹1～2层石灰岩组成。隔水岩层中刚性较强的岩层，如灰岩、砂岩等具有较高的强度，对抵抗矿压的破坏起较大作用。柔性岩石，如泥岩、页岩等，强度较低，抵抗矿压破坏的能力差，但其隔水阻水能力较强。

本次仅利用研究区内以往地质勘探终孔层位达到奥陶系灰岩的8个钻孔：SZK101、SZK102、SZK202、SZK203、SZK205、SZK302、补1、补2，对煤层底板隔水层进行评述。

依据《煤矿防治水细则》附录五突水系数计算公式：

T=P/M

式中：T——突水系数，MPa/m；

P——底板隔水层承受的水压，MPa；

M——底板隔水层厚度，m。

按公式计算的突水系数，在底板受构造破坏块段一般不大于0.06MPa/m突水危险性小，正常块段不大于0.10MPa/m突水危险性小。钻孔煤层底板隔水层厚度及突水系数见表1。

由表1可知：研究区内隔水层完整无断裂构造破坏的地段突水系数均小于安全临界值0.1MPa/m，因此，隔水层完整的情况下，研究区内奥灰带压区域不存在突水危险，隔水层对奥灰突水起到良好的抑制作用。

表1 钻孔煤层底板隔水层厚度计算成果表

3 矿压作用对底板突水的影响

承压水对煤层底板的破坏机理比较复杂，它是地质条件（隔水层的性质与厚度）、水文地质条件（底板含水层静水压力）及采矿活动产生的矿山压力综合作用的结果。底板采动破坏程度主要取决于工作面的矿压作用，其影响因素有开采深度、煤层倾角、采高、工作面长度、开采方法及顶板管理方式等。其次是底板岩层的抗破坏能力，包括岩石强度、岩性组合及原始裂隙发育状况等。因此煤层底板破坏深度的计算公式颇多，但都是以现场采集的统计数据总结出的经验公式，距普遍应用还较远。为简便起见，本次采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中的经验公式进行计算：

h1＝0.0085H＋0.1665α＋0.1079L-4.3579

式中：h1——底板破坏深度，m；

H——开采深度，m；

α——煤层倾角，（°）；

L——工作面斜长，取140m。

根据井田内以往地质勘探资料，井田内11号煤层底板破坏深度计算成果见表2。

表2 11号煤层底板破坏深度计算成果表

原始导升高度是在自然状态下隔水层底部的承压水沿隔水层中的断层或裂隙向上导升的高度，它与奥灰含水层顶面以上隔水层的岩性及其组合有关。由于本溪组底部含1～2层稳定的铝质泥岩，厚度6.46～13.80m，平均9.61m，因此近似认为原始导升高度为零。

设煤层隔水底板总厚度为h，底板破坏深度、有效隔水层厚度与原始导升高度分别为h1、h2和h3，则：

显然，当hh1+h3时，则保护层存在，是否会发生底板突水，则取决于有效隔水层的厚度及其阻抗水的能力。阻抗水的能力根据现场压水破坏试验结果确定。

从上述计算可以看出，煤层开采深度越大，矿压作用对煤层底板隔水层的破坏程度也越大。正常地段11号煤层底板破坏深度为13.13～16.21m，平均14.91m。当底板隔水层厚度均大于矿压作用对煤层底板的破坏深度，具有一定的保护层，是否会发生底板突水，取决于有效隔水层的厚度及其阻抗水的能力。11号通过对完整隔水层和有效隔水层区域的两次突水系数计算，由于受矿压作用的影响，表2中突水系数较表1中会大很多，说明隔水层隔水强度大大降低，甚至在SZK205附近有效隔水层厚度为0，该区域保护层不存在，承压岩溶水会直接涌入矿井，导致底板突水。

4 结语

矿压作用的研究对奥灰带压区煤层的安全开采具有重要意义，矿压作用直接影响着隔水层的隔水强度和阻水性，在煤矿生产时应当加强对对矿压作用的探查，尤其是灰岩、砂岩等具有较高的强度的岩层更容易被矿压破坏，只有对区域内矿压破坏程度及规律有一个接近实际的认识正确的布置采面，从而安全生产。