林培军

(霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州 031400)

1 前言

煤矿水害对煤矿企业的生产、采掘工作和矿井安全具有消极的影响，不仅会增加采煤成本，也可能使矿井局部或全部被淹没。我国煤矿水害事故非常严重，仅次于瓦斯和火灾事故。因此，本文以山西翼城首旺煤业有限责任公司为例，对煤层底板构造水害防治进行研究，总结出一套合适的水害防治工作方法。

2 首旺煤业井田基本情况

2.1 矿井概况

首旺煤业井田为单独保留矿井，由原山西牢寨煤业有限责任公司向北扩界而成。首旺煤业采用斜井开拓方式，井田一共有5个井筒，现正在使用的有主斜井、副斜井、行人斜井和牢寨村回风立井，回风斜井已封闭。

2.2 井田构造

首旺煤业井田内断裂构造较发育、分布较广。目前，井田内共发现断层20条，且均为正断层，断层断距为2～200m不等，长度为89～5 689m不等；井田内陷落柱1个，在2号煤层中的长轴为100m，短轴为20m。井田内断层、陷落柱构造分布见图1。

3 底板水及构造水害评价

首旺煤业2号煤层底板水为太灰水和奥灰水，构造水主要为断层含水或导水。

图1 井田断层、陷落柱构造分布示意图

3.1 太灰和奥灰水文地质条件

3.1.1 太灰水文地质条件

太灰含水层(K2、K3、K4)为2号煤层底板间接充水含水层。井田受断层构造控制，奥灰水通过断层向太灰含水层补给，因此井田内太灰水位与奥灰水位标高基本一致。根据水文地质资料，井田内太灰水位标高为+599～+606m，2号煤层底板标高为+373～+740m，大部分区域太灰水位标高远高于2号煤层底板标高，2号煤层存在太灰水带压开采。

2号煤层曾施工3个钻孔，对太灰含水层水文参数进行了观测，观测结果如表1所示。从表1中可以看出，太灰含水层属于中等～极强富水性含水层(采用表中SDZK3-1、SDZK3-2钻孔观测结果)。

根据物探勘查结果，太灰K2、K3含水层和K4含水层富水性分布如图2和图3所示，对比两图中的含水层富水性分布发现，勘查区内的西南和北部区域的K2、K3含水层和K4含水层富水性分布对应较好。因此，K2、K3、K4含水层可能通过断层存在一定的水力联系。

表1 井下钻孔太灰水观测结果表

图2 勘查区内K2、K3富水性分布示意图

图3 勘查区内K4富水性分布示意图

3.1.2 奥灰水文地质条件

奥灰水为2号煤层间接充水含水层。井田内奥灰水位标高为+592～+602m，2号煤层底板标高为+373～+740m，大部分区域2号煤层存在奥灰水带压开采。

根据SDZKO2-1号专门探测奥灰含水层水文观测孔(开孔层位为2号煤层地板)资料，孔深190.95m，揭露奥灰岩层段107.5～190.95m，揭露厚度83.45m，揭露层位为O2f，奥灰水位标高为+599.32m，单位涌水量为0.394L/s·m，水质属于HCO3·SO4- Ca·Mg型水，矿化度766mg/L，富水性属中等。

根据物探勘查结果，奥灰顶以下50m和奥灰顶界面的富水性分布如图4和图5所示，对比两图中的含水层富水性分布发现，除勘查区内东南部区域外，其他区域的富水性分布对应较好。因此，奥灰含水层内部水力联系较好，岩溶裂隙较为发育。

图4 奥灰顶以下50m富水性分布示意图

图5 奥灰顶界面富水性分布示意图

另外，根据太灰、奥灰含水层富水性分布情况以及矿山提供的太灰、奥灰含水层动态监测资料分析，矿井内太灰含水层与奥灰含水层通过断层等导水构造存在一定的水力联系。

3.2 断层和陷落柱含/导水性评价

根据物探勘查结果，FX1断层和NFX1断层从2号煤层至奥灰岩地层段推断为含/导水，见图6，其中FX1断层含/导水性较差；DF3断层存在一定的含水性，且可能存在一定导水性。

图6 断层在CSAMT断面中反映特征

根据物探勘查成果，推断勘查区内的断层局部均存在一定的含水性，且导水的可能性较大，见表2。

从勘查区内断层的含水性与导水性情况来看，勘查区外的断层很可能局部含水和导水。由于煤层采动可能使某些断层“活化”，导水性增强，在进行2号煤层采掘时，极有可能与太灰、奥灰含水层导通而产生突水。因此，在断层附近伴生构造发育地段，应根据《煤矿防治水规定》留设防隔水煤(岩)柱，以防构造导水，并在开采过程中注意加强监测。

3.3 太灰水和奥灰水及构造水害评价

太灰水、奥灰水突水危险性评价主要根据《煤矿防治水规定》附录四突水系数进行评价，突水系数计算公式如下：

式中：M——底板隔水层厚度，m；

P——安全水压，MPa；

Ts——临界突水系数，MPa/m。

Ts值应当根据本区资料确定，一般情况下，在具有构造破坏的地段按0.06MPa/m计算，隔水层完整无断裂破坏地段按0.1MPa/m计算。本井田为有构造破坏的地段，按0.06MPa/m计算。

3.3.1 太灰带压突水评价

经计算，2号煤层底板太灰带压突水系数为0～0.06MPa/m，各钻孔2号煤层底板太灰带压突水系数计算值见表3。由表3绘制的井田突水系数等值线如图7所示。

从表3和图7可以看出，在L- 7、L- 21、L- 23、L- 24、L- 26、L- 27、L- 28、L- 30、L- 31、L- 32、L- 42、L- 43钻孔一带，突水系数小于0.06MPa/m，因此一般情况下可以安全开采，但由于地质构造差异性，局部地段不排除有突水的可能。在L- 1、L- 25钻孔一带，突水系数大于等于0.06MPa/m，以及在有断层、陷落柱等导水构造存在的区域，可能引发工作面突水。

表2 勘查区内断层性质及含/导水性分析

图7 2号煤层底板太灰带压突水系数等值线分布图

未来规划的2203工作面～2211工作面太灰突水系数为0.005～0.057MPa/m，各个工作面的突水系数均小于0.06MPa/m，正常地段受太灰水的威胁相对较小，但2208工作面～2211工作面附近有断层、陷落柱等导水构造存在，可能存在突水危险。

3.3.2 奥灰带压突水评价

经计算，2号煤层底板奥灰带压突水系数为0～0.027MPa/m，各钻孔2号煤层底板奥灰带压突水系数计算值见表4。由表4绘制的井田突水系数等值线如图8所示。

表4 2号煤层底板奥灰水隔水层突水系数计算表

图8 2号煤层底板奥灰突水系数等值线图

从表4和图8可以看出，未来规划的2203工作面～2211工作面奥灰突水系数为0.008～0.023MPa/m，各个工作面的突水系数均小于0.06MPa/m，正常地段受奥灰水的威胁较小，正常情况下无奥灰水突水危险，但2208工作面～2211工作面附近有断层、陷落柱等导水构造存在，可能存在突水危险。

3.3.3 突水危险区划分

根据2号煤层底板太灰、奥灰带压突水评价结果，结合井田内断层、陷落柱构造分布情况，对2号煤层底板太灰、奥灰突水危险区进行划分。考虑到井田四周均为大断层(正断层)，伴生构造发育，故将断层100m范围内划定为突水危险区。另外，钻孔L- 1和L- 25附近一带突水系数大于0.06MPa/m，存在突水威胁，也划定为突水危险区。

3.3.4 掘进巷道底板隔水层安全评价

掘进巷道底板隔水层安全评价根据《煤矿防治水规定》附录四安全隔水层计算公式：

式中：t——安全隔水层厚度，m；

L——巷道底板宽度，m；

γ——底板隔水层的平均重度，MN/m3；

Kp——底板隔水层的平均抗拉强度，MPa；

p——底板隔水层承受的水头压力，MPa。

根据2号煤层工作面规划布置，巷道底板宽度为3.0～3.6m，结合已有的《山西翼城首旺煤业有限责任公司矿井2号煤层承压开采设计说明书》，且从安全角度考虑，巷道底板宽度取4m。因相关地质资料缺乏，底板隔水层的平均重度、平均抗拉强度、底板隔水层承受的水头压力等参数均取自《山西翼城首旺煤业有限责任公司矿井2号煤层承压开采设计说明书》。底板隔水层的平均重度γ取值为0.025 7MN/m3，底板隔水层的平均抗拉强度Kp取值为0.90MPa。2号煤层太灰、奥灰水带压掘进巷道底板隔水层安全评价结果见表3和表4。

由表3和表4可知，根据2号煤层太灰、奥灰水带压掘进巷道底板隔水层安全评价结果，在正常地段进行巷道掘进时，受奥灰水、太灰水的影响较小，但在断层构造破坏地段有突水威胁，应采取防治措施。

4 结语

煤矿水害防治工程是一项长期系统的工程，对煤矿底板水及构造水害要进行科学的评价，才能提出有针对性的措施和建议。煤矿水害的预防必须做到“防、排、探、放、疏、截、堵”，加强井上井下防水设施建设，井下排水设施建设，增强排水能力，促进井巷探水，要深入研究和分析老空区积水、可疑水源，对其及时放水或者超前放出顶板水，疏水降压或疏干有害含水层，对有害水源要留设各种防水煤柱将其进行隔阻，并通过加固裂隙带对水口进行围堵，综合采取多种手段和措施做好水害治理工作。

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