汪志东

（邯郸市牛儿庄采矿有限公司，河北 邯郸 056300）

1 概 况

邯郸市牛儿庄采矿有限公司是一个开采60 a的矿井，矿井采用立井、多水平开拓方式，牛儿庄采矿公司投产至今，2、4、6 号煤已基本采完，井田内尚有大量的超突水系数的下组煤资源，能否开采成为当前急需解决的一个重大技术课题。

煤层底板突水是隔水层条件、含水层、矿压和地质构造相互作用和影响而发生，要治理水害，就要分析水害的成因和发生条件，针对导致突水的4个条件制定符合牛儿庄井田开采下组煤的方案。

1.1 矿井底板隔水层条件

根据牛儿庄矿井田地质勘探和水文地质勘探揭露，下组煤与奥灰含水层之间分布有一定厚度的隔水层，岩性多以粉砂岩、细砂岩和泥岩为主，7、8、9 号隔水层垂向分布特征见表1。

矿井浅部分布有众多小煤窑，下组煤已被小煤窑破坏殆尽，开采不确定因素较大，危险性高，因此再统计矿井深部钻孔，其中泥岩占比较高，这种岩性阻隔水性能较好，尤其是铝质泥岩，结构致密又有可塑性，有利于下组煤开采。

1.2 矿井含水层条件

矿井奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层是开采深部山青煤的主要威胁，奥陶系灰岩为岩溶裂隙承压含水层，为煤系地层基底，根据岩性变化和沉积特征可划分为三组八段，厚度420～668 m，平均厚度552 m，分布稳定。根据勘探和观测资料，已揭露到奥灰的钻孔单孔涌水量0.8～5.0 m3/min，平均为2.9 m3/min。依据钻探资料，奥灰顶部峰峰组八段灰岩泥质含量很高，富水性较弱，该段厚度在30～40 m，可以将此段进行改造治理，增加隔水层厚度；峰峰组七段岩溶、裂隙发育，富水性强，该段是要防治的主要对象。

1.3 矿井地质构造条件

此次下组煤开采选取地质情况简单的区域，矿井八、九盘区西部以F19 断层和F7 断层为界（图1），东部以F20 和F20’为界，中间为宽缓单斜构造，此区域2 号、4 号和6 号煤均已安全回采且极少揭露断层，无大型断层，不会因断层引起两盘岩层的相对较大位移，产生煤层底板与含水层的距离缩短的情况，同时，该区域断层少，应力小，岩层稳定且完整，地层抗压能力增强，十分有利于下组煤开采。

图1 矿井八、九盘区分布Fig.1 Distribution of the eighth and ninth panels of the mine

1.4 矿井采动矿山压力情况

自然状态下，下组煤煤层底板与奥灰含水层之间存在厚度不等的隔水层，在没有导水构造存在时具有较强的阻水性能，然而，在采动条件下，会引起回采空间周围岩层应力的重新分布，造成煤层底板一定深度范围内的岩层产生一定程度的破坏，从而降低煤层底板隔水层的阻水能力。因此，采动条件下煤层底板的变形破坏程度直接反映了底板隔水层阻水能力的大小，对实现安全开采具有重大的现实意义。

为此牛儿庄矿在深部山青进行了底板变形破坏深度的探测实验。由于底板破坏深度受众多影响因素的制约，既有外部因素，又有内部因素，但其作用的结果必然引起底板应变和底板破坏范围裂隙的张开或新裂隙的形成，因此该实验是用底板注水试验的方法直接确定底板变形破坏深度。

实验表明，薄煤层500 m 以上采深底板的最大破坏深度在16.86 m 左右，在同等条件下采用大型通用有限元分析软件ANSYS 对采动条件下工作面底板进行应力和位移变化特征的数值模拟计算（图2），煤层底板最大破坏深度在20 m 左右。需要注意的是，该数据只是一个参考，具体到下组煤开采深度及工作面布置时，还应具体情况具体分析。

图2 数值模拟计算Fig.2 Numerical simulation calculation

2 开采方案研究

根据牛儿庄矿多年开采情况综合分析，以矿井八、九盘区为研究对象，确定开采具体范围。地面区域治理工程是“探查、治理、验证”三位一体的综合防治水技术措施，并在全国多个矿区实践验证，因此此次地面治理方法采用地面区域治理技术，对奥灰顶面进行加固和改造。

2.1 开采标高范围及突水系数的计算

目前牛儿庄矿山青开采最低标高为-337.2 m左右，按此推算7 号煤开采最低标高-359.6 m，8号煤开采最低标高-390.1 m，9 号煤开采最低标高-396.8 m；依据地质孔统计资料，7 号煤隔水层厚度取值62.2 m，8 号煤隔水层厚度取值31.7 m，9 号煤隔水层厚度取值25 m。奥灰水水位最高+143.16 m。根据上述数据，分别计算突水系数，公式：

式中：T 为突水系数；P 为底板隔水层承受的水头压力；M 为底板隔水层厚度。带入数据计算得到，7 号煤突水系数0.091，8 号煤突水系数0.179，9号煤突水系数0.226。

根据相关规定，底板受构造破坏的地段突水系数一般不得大于0.06 MPa/m，隔水层完整无断裂构造破坏的地段不得大于0.1 MPa/m。因此，如果要满足9 号煤安全开采，需要隔水层厚度为60 m，即治理奥灰顶面35 m 范围。

2.2 开采下组煤地面区域治理设计

区域治理范围为可采区域，根据矿井奥灰含水层条件分析，目标层选择为奥灰顶面下35 m，如图3 所示。

图3 区域治理范围Fig.3 Regional control scope

此次方案共设计2 个主孔、54 个水平分支孔，预计钻探总工程量55 093 m。预计注水泥539 530 t（水泥、粉煤灰各半）。工程分2 个钻孔同时施工，均位于工业广场西部停车场内。6 号钻孔设计主孔1 个，水平分支孔24 个，预计钻探工程量31 564 m，其中主孔工程量70 m，造斜段工程量500 m，水平段工程量30 994 m，预计注水泥309 940 t；7号钻孔设计主孔1 个，水平分支孔30 个，预计钻探工程量23 529 m，其中主孔工程量70 m，造斜段工程量500 m，水平段工程量22 959 m，预计注水泥229 590 t。

2.3 开采下组煤地面区域治理设计井下技术措施

（1） 井下采取建立分煤层、分水平、分区域的隔离开采措施。开采下组煤很难完全杜绝突发性灾害淹井事故的发生，排水能力也是有限的，因此一旦矿井发生灾害性突水，在大于矿井排水能力的情况下，必须关闭该区域水闸门，与其他煤层、水平、区域隔离，使水害限制在最小影响范围内，以保证矿井安全，此外增建治水抗灾泵房，增加矿井排水能力。

（2） 利用综合物探手段查清开采工作面的水文地质条件，即查清工作面底板岩层发育的导水裂隙、导水构造，下伏含水层的富水地段，层底板隔水层变薄地段。目前采用的主要手段有井下瞬变电磁法、音频电透视、直流电测深、高密度电法、坑透、钻孔无线电波透视法等。

对经综合物探查明的工作面底板岩层含水、导水裂隙发育地段，含水、导水构造发育地段，裂隙或不充水裂隙、下伏含水层的富水地段、煤层底板隔水层变薄地段和陷落柱等地层薄弱地段，再进行局部注浆加固，强化煤层底板隔水层的强度和完整性，增加其抵抗水压的能力。

（3） 开采过程中利用水文监测系统和微震监测技术对整个回采区域进行全范围、实时、连续监测，及时对异常事件做出水害预警。

3 结 语

牛儿庄矿下组煤开采应是系统性的开采，地面采取区域治理技术对奥灰顶面进行大范围的系统改造，井下分煤层、分区域隔离开采，以综合物探为先导，钻探验证为基础，由浅到深、先简单后复杂，先开采埋深较浅隔水层较厚的7 号煤，总结经验，再开采8 号和9 号煤，坚持一面一策，具体条件具体分析，高度重视构造带，加强工作面回采管理，最大限度地减小矿压作用以及底板破坏深度，确保下组煤的安全开采。