吕继平

(大同煤矿集团轩岗煤电有限责任公司，山西 轩岗 034114 )



轩岗矿区刘家梁煤矿5号煤层带压开采突水危险性分析评价与防治

吕继平

(大同煤矿集团轩岗煤电有限责任公司，山西 轩岗 034114 )

为了分析评价奥灰含水层对轩岗矿区刘家梁煤矿5号煤层开采威胁程度，确保矿井安全开采，根据矿井以往相关地质及水文地质资料，本文以刘家梁煤矿5号煤层底板带压开采水文地质条件为基础，通过对煤层底板奥灰含水层的富水性、隔水层的岩性组合特征、底板采动破坏深度等综合分析，利用煤层底板采动破坏深度计算分析和5号煤层底板突水系数计算等评价方法，对煤层开采发生底板奥灰突水的危险性进行了综合分析评价，得出了在完整底板情况下5号煤层可以安全回采，同时还提出了煤层带压开采的防治水技术措施。

奥灰水；带压开采；突水危险性；评价；防治

0 引言

刘家梁煤矿位于山西省原平市轩岗镇西南，面积10.2737km2，批采煤层为2、5号，现主采5号煤层。矿井5号煤层底板奥灰含水层水压为1.2～2.5MPa，煤层底板隔水层平均厚度为64.54m，煤层相对奥灰含水层为带压开采。建矿以来，先后发生了6次较大突水事故，最大水量为348.55 m3/h，奥灰含水层对矿井5号煤层开采造成较大威胁。随着矿井煤层开采深度不断加深，奥灰含水层对矿井5号煤层开采潜在威胁也逐渐加大，因此，为了确保矿井安全生产，必须对矿井5号煤层底板奥灰突水危险性进行分析评价，并制定切实有效的防治水技术措施。

1 矿井地质及水文地质

1.1 矿井地质

刘家梁煤矿位于宁武煤田的北端，属于典型的华北型石炭系矿井。地表为黄土半掩盖区，基岩多出露于矿井西部，从矿井外围至矿井内出露地层由老到新依次为古生界奥陶系、石炭系、二叠系及新生界第四系。

矿井位于轩岗矿区中部。构造形态呈南东高北西低的单斜构造。地层走向大致为N30°～50°E，倾向NW，倾角3°～12°，往深部逐渐变小。受区域挤压应力作用，形成与地层走向斜交的北西向宽缓褶曲和北东向断层(图1)。

1.2 矿井水文地质

根据区内含水层岩性特征及其地下水的赋存条件等因素，将矿井含水层划分为松散岩类孔隙含水层组、碎屑岩类裂隙含水层组、碎屑岩类夹碳酸盐岩含水层组和碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层组。

图1 矿井构造纲要图Figure 1 Coalmine structural outline map

根据矿井资料分析，影响矿井5号煤层开采的主要为顶板砂岩裂隙水和底板奥灰含水层。一般情况下，砂岩含水层富水性相对较弱，再加上前期煤层开采顶板垮落后对其进行了自然疏放，正常情况下对煤层开采不会造成大的影响。而奥灰含水层是该矿井主要含水层，由寒武系和奥陶系中厚层角砾状白云质灰岩、灰岩、鲕状灰岩等岩石组成，夹泥质灰岩，以网状溶蚀裂隙为主，溶洞次之，富水性由弱至强，再加上5号煤层底板隔水层相对较薄，部分区段底板承受水压较高，因此，在煤层开采过程中存在发生奥灰突水的可能性，奥灰水是矿井今后防治水工作的重点。

根据区域岩溶资料分析，刘家梁矿井属于下马圈泉域刘家梁—长梁沟水文地质块段，处于泉域的主径流带。区内轩岗矿区南部寒武、奥陶系灰岩出露区为奥灰含水层的补给区，补给来源为大气降水和河水渗漏，径流条件好，东部河谷地段为排泄区。

据刘家梁矿井20世纪80年代末至目前水文钻孔资料，矿井奥灰含水层水位标高为+1 134.32(OC5孔) ～+1 150.79m(OC6孔)，含水层单位涌水量为0.120 4～1.396 6 L/(s·m)，富水性为中等至强。根据刘家梁煤矿5号煤层与矿井主要含隔水层结构位置关系分析(图2)，5号煤距奥灰含水层约60m，煤层底板奥灰含水层水压为0.76～4.03MPa，煤层底板突水系数为0.013～0.067MPa/m，矿井部分区段突水系数大于0.06 MPa/m，为相对危险区。

图2 主采煤层与主要含隔水层结构位置关系示意Figure 2 A schematic diagram of relationship between primary mineable coal seam and aquifer, aquifuge structural position

2 矿井5号煤层带压安全开采综合分析评价

2.1 奥灰含水层富水性分析

根据矿井资料分析，刘家梁矿井奥灰含水层三组八段中，峰峰组上段和上马家沟组上段较为富水。

根据刘家梁矿井目前涌水量构成可以看出，矿井涌水量中有三分之二为奥灰水疏放水量，近5年奥灰水疏放水量平均为807.41m3/h。根据2008年轩岗煤电有限公司地质处对各观测孔洗井后重新观测，奥灰水位结果比20世纪90年代下降3～3.5m。刘家梁矿井奥灰岩溶水水位标高为+1134.32～+1150.79m，奥灰含水层水位下降非常有限，说明刘家梁矿井奥灰含水层富水性很强。

2.2 煤层底板隔水层阻水性能分析

2.2.1 隔水层岩性组合特征分析

煤层底板隔水性能除了与煤层埋深、开采强度、水压力等有关外，还与煤层底板隔水层的岩性组合结构有密切关系。通常情况下，强度大的岩石(如砂岩等)抵抗水压的能力较强，但是其岩性相对较脆，煤层回采后容易破碎形成裂隙，阻水性能相对较差；而强度较低的岩层(如泥岩、页岩等)抗水压能力较低，易于变形，但这种岩层在煤层回采变形后不易形成裂隙，具有很强的阻水性能。因此，煤层底板隔水层岩性组合特征对其阻隔水性能具有重要意义。

根据刘家梁矿井揭露奥灰含水层以往钻孔资料，5号煤层底板地层强度较大的岩层为砂岩和石灰岩，占隔水层总厚度的39.21%，其它的岩层占60.79%。砂岩和石灰岩强度较大，具有一定的抗水能力，而页岩、砂质页岩、煤层等强度较低，具有一定的阻水能力，因此，5号煤层底板隔水层从岩性组合结构上看，阻水性能总体上相对较好。

2.2.2 隔水层岩石力学特征分析

从5号煤层底板岩石水理性质看(表1)，岩石强度为中硬，岩层为软硬互层，利于对奥灰水的阻抗；从岩石的软化系数看，岩石的软化系数基本均小于0.75，因此，岩石易于软化变形，不利于岩石裂隙的形成。另外，目前矿井已经揭露断层150余条，说明矿井构造相对发育，破坏了煤层底板隔水层的完整性，降低了底板的阻抗水性能，不利于隔水层阻抗奥灰水涌入矿坑。

表1 5号煤层底板隔水层岩石力学参数

资料来源：刘家梁矿编制的《轩岗矿务局刘家梁矿矿井地质报告》，1996.

2.3 煤层带压开采安全性评价

2.3.1 煤层底板采动破坏深度计算分析

根据刘家梁煤矿的开采条件和采掘计划，利用有关经验公式计算5号煤层底板采动破坏深度(表2)。

表2 5号煤层底板破裂深度计算

根据矿井5号煤层底板隔水层厚度统计资料，底板隔水层厚度平均65.18m，即使底板存在10m的原始导升高度，其有效隔水层还有约30m，因此，煤层采动后采动裂隙不会直接与奥灰含水层导通。

2.3.2 突水系数计算分析评价

根据《煤矿防治水规定》中底板突水系数计算公式，结合矿井揭露奥灰含水层钻孔资料，对5号煤层底板突水系数进行计算(表3)。

表3 5号煤层底板突水系数计算成果

根据计算结果，5号煤层部分区域底板突水系数大于0.06MPa/m，为相对危险区，其他为相对安全区。另外，根据5号煤层相关等值线图分析，5号煤层底板最低标高为+700m，该开采标高奥灰水位标高约为+1 144m，隔水层厚度约60m，则5号煤层深部突水系数最大为0.084 MPa/m，已接近0.1 MPa/m，可见，奥灰水对5号煤层威胁还是比较严重的。

根据《煤矿防治水规定》，结合矿井内钻孔资料，对煤层开采底板奥灰突水的危险性进行评价。带压开采分区划分如下：

T<0.06MPa/m 相对安全区(Ⅰ)

0.1>T≥0.06MPa/m 相对危险区(Ⅱ)

T≥0.1MPa/m 突水危险严重区(Ⅲ)

根据表4计算结果，对5号煤层开采进行分区(如图3)。我们可以看出，5号煤层部分采掘区域(图中红色充填区域)为相对危险。

2.4 综合分析评价

根据刘家梁煤矿5号煤层带压开采水文地质条件分析，奥灰含水层上部富水性相对较弱。根据突水系数计算，突水系数均小于0.1MPa/m，因此，5号煤层带压开采在大部分完整底板情况下是安全的，但在矿井构造相对发育的地区还是存在一定危险的。

3 防治水技术措施

(1)对矿井5号煤层浅部煤层来说，煤层带压开采条件整体较为有利，安全性相对较好，可实现带压开采；而对5号煤层相对埋深较大煤层，突水系数已经大于0.06MPa/m(底板标高约+840m以下煤层)，再加上矿井奥灰含水层富水性较强，矿井构造发育，可能存在导水断层或陷落柱，因此，在实际生产中除了要加强井下的精细化探查工作外，还要对深部5号煤层带压开采条件进行进一步探查，同时采取注浆加固等技术措施，确保矿井安全生产。

(2)在突水系数已经大于0.06MPa/m的采掘区段，回采工作面形成后要采用音频电穿透和直流电法对5号煤层底板的富水异常区进行探测，确定奥灰含水层的原始导升高度、富水性分布和煤层底板富水异常区，为探放水提供靶区。

(3)利用钻探对异常区段进行验证，确定异常区域的富水性、构造分布等，并对钻孔水压、水量、水温及水化学特征进行综合分析，确定异常区是否与奥灰含水层具有水力联系。

(4)根据物探、钻探等探查成果，对回采工作面突水危险性进行分析评价，对重点异常区煤层底板隔水层采取超前注浆加固技术措施，提高煤层底板的阻隔水性。

图3 突水危险性分区Figure 3 Water bursting hazard partitioning

4 主要结论

(1)通过对刘家梁矿5号煤层底板奥灰含水层富水性、底板隔水层阻水性能、带压开采安全性计算等综合分析，划定了相对安全区(Ⅰ)、相对危险区(Ⅱ)和突水危险严重区(Ⅲ)，对矿区的5号煤层底板奥灰水突水危险性进行了客观评价，为煤矿5号煤层实现带压安全开采提供了科学技术依据。

(2)5号煤层带压开采大部分处于带压开采相对安全区，有一定厚度的隔水层，隔水层的岩性组合为软硬互层结构，具有相对较好的阻水性能，在此区域开采是相对去安全的。

目前矿区513区5131、5133和5134等工作面已安全回采，解放受奥灰水威胁煤炭储量1059万t，充分证明了刘家梁5号煤层底板奥灰水突水危险性评价的正确性以及防治水技术措施的科学性，为进一步实现深部煤层开采提供了科学依据。

[1]轩岗矿务局，煤炭科学研究总院西安分院.山西轩岗矿务局刘家梁矿防治奥灰水文专门水文地质勘探报告[R].山西轩岗：轩岗矿务局，1992.

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[11]许学汉，王杰等，煤矿突水预报研究[M]北京：地质出版社，1991.

Water Bursting Hazard Analytical Assessment and Control of Coal No.5 Mining under Safe Water Pressure of Aquifer in Liujialiang Coalmine, Xuangang Mining Area

Lyu Jiping

(Xuangang Coal and Power Co. Ltd., Datong Coalmine Group, Xuangang, Shanxi 034114)

To ensure coalmine safe mining have analytically assessed the threat level from the Ordovician limestone aquifer on the mining of coal No.5 in the Liujialiang coalmine, Xuangang mining area. Based on previous related geological and hydrogeological data, and Liujialiang coalmine coal No.5 floor mining under safe water pressure of aquifer hydrogeological condition, comprehensively analyzed coal floor Ordovician limestone aquifer water yield property, aquifuge lithological association features, and mining-induced floor failure depth. Through coal floor failure depth estimation and analysis, coal No.5 floor water bursting coefficient estimation assessment method have comprehensively assessed the floor Ordovician limestone water bursting hazard during coal mining. The result has shown that under the complete floor condition, coal No.5 could be safely extracted; meanwhile, water control technical measures have been put forward for coal mining under safe water pressure of aquifer.

Ordovician limestone water; mining under safe water pressure of aquifer; water bursting hazard; assessment; control

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.05.11

1674-1803(2017)05-0057-05

吕继平(1966—)山西五台人，工程师，从事矿井地质工作。

2017-01-05

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责任编辑：樊小舟