张嘉耀

(山西宁武榆树坡煤业有限公司，山西 忻州 036700)

1 井田奥灰岩溶水概况

榆树坡煤业有限公司位于宁武县城东北约2km处，井田地下岩溶水属神头泉域，神头岩溶泉域水文地质单元内各含水层地下水的补给、径流、排泄条件主要受地形地貌、岩性、构造控制。根据水文地质钻孔)(TS1、TS2、TS3)揭露奥灰上马家沟组含水层的水位为1094.148～1096.56m。

2 奥灰含水层富水性分析

本矿井下施工的三个水文孔揭露奥灰上马家沟组含水层厚度36m～39.5m，平均38m。根据钻探资料，上马家沟含水层岩性是以深灰色中厚层状灰岩为主，隐晶质泥晶或微晶结构，角砾状构造，岩石致密、坚硬，矿物成分以方解石为主，次为白云石，微含泥质。据观察，灰岩含水层的岩溶形态以溶蚀裂隙即溶隙为主，三个钻孔岩溶发育均比较弱。

奥陶系灰岩含水层在本井田西部、南部、东部都有大面积出露，本矿处于岩溶地下水的径流区，靠近补给区，岩溶地下水的补给与赋存条件较好，径流条件通畅，地下水交替作用较好。据简钻探过程中简易水文地质观测资料，各孔在钻进过程中冲洗液均未出现明显消耗，皆为钻进自然消耗。虽为清水钻进，但钻孔水位也未出现明显的变化。钻进过程中，也未发现溶洞、大裂隙、地层坍塌、掉块等重要水文地质现象。

井下施工的三个水文孔在5号煤隔水层中钻进时，基本未发生涌水现象，说明5号煤底板隔水层中砂岩含水层富水性极弱。但在接近奥灰含水层前2-5m时，钻孔发生涌水现象，开始水压均比较小，随着深度增大，水压逐步增大，终孔时才出现稳定的奥灰水压，而不是在揭露奥灰含水层后立刻显示奥灰水位。由此说明三个钻孔中岩溶裂隙发育较弱，径流不太通畅。

3 5号煤首采工作面奥灰涌水量计算

矿井突水量通常要经历由小到大(在矿压和水压共同作用下扩大突水口)→由大到小(拟稳定)→稳定(水量最小)的典型过程。仅有极个别例子是在拟稳定阶段中突水量骤然增大，这是高水压差下补给通道条件发生变化所致。因此，采用“大井法”计算稳定流状态下奥灰含水层水位降到一定安全水头时的涌水量。

5105工作面标高+985～+1100m，工作面长1500m，宽177m。奥灰含水层水位为+1096.56m。本文计算当奥灰水位降到+985m时的涌水量。

选用承压转无压完整井涌水量公式计算疏降水量：

式中：

K—渗透系数，m/d；平均值0.32

h—水头高度，m；

H—水柱高度，m；

动态密码生成算法采用TOTP（Time-Based One-Time Password Algorithm）算法[11]，TOTP算法是在HOTP（An HMAC-Based One-Time Password Algorithm）算法的基础上得来的，HOTP算法表达式为：

M—含水层厚度，m；取80m；

r0—影响半径，m

R—引用影响半径，m；

S—水位降深，m；

F—先期开采地段面积，km2。

表1 不同疏降水平矿井疏降水量计算表

4 下组煤底板隔水层阻水性能分析

4.1 隔水层厚度及岩性

榆树坡煤业井下施工的3个井下水文孔中TS1孔自2号煤顶板开孔，TS2和TS3孔自5号煤开孔。揭露5号煤隔水层厚度36～39.5m，平均38m。进入奥灰含水层50m。隔水层岩性为泥岩、砂质泥岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、铝土泥岩、泥灰岩，大多为泥岩、砂质泥岩、中砂岩互层，含1-2层薄层灰岩或者泥灰岩。其中TS3钻孔岩芯局部层位比较破碎，构造裂隙发育。

表2 井下水文孔统计表

5号煤层回采过程中，对煤层底板会产生一定程度的破坏，破坏深度的大小对带压开采有一定的影响。如果破裂深度与底部奥灰导升带沟通，则可能会导致底板突水。利用理论公式进行计算，计算结果见表3。

表3 底板破裂深度计算表

上述4个公式均为统计经验公式，计算结果平均值为19.12m，最大值为19.38m。计算底板破坏深度由于参照的计算公式不同，其结果存在一定的差异。5号煤底板隔水层厚度平均38m，奥灰水导升实测2-5m，根据理论计算结果，底板破坏深度没有直接沟通奥灰水。但是建议今后具备条件时，对底板破裂深度进行实测。

4.3 阻水能力评价

榆树坡煤业目前共有6个钻孔进入奥陶系地层，2007年施工的S801、S201号钻孔(S201号钻孔位于井田北部边界外)，2010年施工的补1号钻孔以及本次探查项目施工的TS1、TS2和TS3号钻孔。就隔水层岩层分布和岩性而言，5号煤底板至奥灰顶面岩层主要包括太原组、本溪组，岩性主要由砂岩、砂质泥岩、泥岩、灰岩和铝土泥岩及薄煤层组成。其中本溪组砂质泥岩隔水层具有良好的隔水性能，为煤层的主要隔水层。

5号煤层底板至奥灰含水层顶板隔水层各种岩层所占比例如图1所示：泥岩类岩层平均占隔水层总厚度的36.4%、砂岩类岩层占54.2%、灰岩类岩层占5.6%、其他岩类占3.9%。榆树坡煤矿5号煤底板隔水层属于砂泥岩复合型，抗水压能力和隔水能力中等。

图1 5号煤层底板隔水层岩性比例图

5 5号煤带压开采安全性评价

5.1 突水系数评价

根据《煤矿防治水规定》，在构造发育地段临界突水系数值为0.06 MPa/m；在正常地段临界突水系数值为0.1 MPa/m。由于本区构造发育，为安全考虑，取临界突水系数0.06MPa/m，对井田内太原组5#煤层的突水系数进行计算。

其中：

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。

根据钻孔资料，下表计算出了本次施工的三个水文孔的突水系数。

表4 水文孔突水系数计算表

从表4的计算结果看，突水系数均小于临界值0.06MPa/m，带压开采安全性较高。

根据矿井5号煤采掘工程平面图，矿井5号煤采掘最低标高为西北角+700m，矿井5号煤隔水层平均值38.17m，则突水系数最大值为0.112 MPa/m。矿井5号煤底板+901m以深区域突水系数大于临界值0.06 MPa/m，为带压开采危险区。煤层底板+901m～+1096m突水系数小于0.06 MPa/m，为带压开采相对安全区。

5.2 带压开采可行性、安全性综合评价

榆树坡煤矿太原组5号煤层西部大部分区域受到奥灰水威胁，煤层底板标高最低+700m，最高处为+1200m，奥陶系灰岩含水层水位标高+1096.56m。矿井5号煤采掘最低标高为西北角+700m，矿井5号煤隔水层平均值38.17m，则突水系数最大值为0.112 MPa/m。矿井5号煤底板+901m以深区域突水系数大于临界值0.06 MPa/m，为带压开采危险区。煤层底板+901m～+1096m突水系数小于0.06 MPa/m，为带压开采相对安全区。首采工作面5105工作面底板标高+980～+1100m，突水系数最大0.04 MPa/m，带压开采相对安全。

6 结论及建议

建议本矿5号煤先期开采+900m水平以上区域，在带压区开采区掘进和回采前，必须查清隐伏导水构造发育情况，坚持“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原则。