王 伟
(晋能控股煤业集团盘城岭矿 地测防治水中心，山西 晋中 032600)
盘城岭矿位于沁水煤田东北缘，阳泉矿区南端与武夏矿区相邻。井田面积8.034 1 km2，批准开采4、15号煤层，开采标高1 200～440 m，生产规模为90万t/a.目前矿井开采石炭系上统太原组15号煤层，现采掘工作面已全部进入奥灰水带压区域，矿井隔水层厚度较薄，构造发育，承压水对矿井安全生产影响日益严重。
井田能否实现带压安全开采，决定于矿区的水文地质条件、构造条件、隔水岩柱厚度及其隔水、抗水性能。在底板隔水岩柱薄弱的地带或断裂、陷落柱等构造破碎带，存在着岩溶水突破相对隔水层溃入矿井的可能性。分析煤层底板岩性及岩层组合，评价其保护性能；
计算突水系数并确定临界突水系数；
评价开采15号煤层的安全性，进行安全分区。
根据煤层隔水岩柱厚度、空间分布规律、岩性组合特征及隔水岩柱的力学性质，对井田内15号煤层承受奥灰岩溶水的隔水岩柱进行分析并研究制定相应防治措施。
井田位于沁水盆地东部边缘，属基岩半裸露区，仅局部被第四系覆盖，分布于井田各处。出露地层有：二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组。井田地层总体走向为北北东、倾向北西的单斜构造，地层倾角一般8～10°，局部地段可达15°以上。地质构造较为发育，根据三维地震勘探及井下巷道揭露断层总计63条，大于5 m落差的17条，最大落差15 m，陷落柱14个，井田地质构造属中等。
2.1 地表水系
井田属低中山侵蚀区，基岩大面积裸露，切割较强烈，地势总体趋势中北部高南部低，无常年性河流，但沟谷纵横，沟中平时干涸，雨季有短暂洪流。
2.2 主要含水地层
2.2.1 中奥陶统灰岩岩溶裂隙含水层
井田内上马家沟组+峰峰组，单位涌水量0.001 3 L/(s·m)，涌水量0.032 L/s，渗透系数为0.013 7 m/d，为弱富水性含水层。水化学类型为HCO3·SO4- Ca·Na型水，总硬度(CaCO3)280.22 mg/L.奥灰地下水水位总体由南向北逐渐降低，奥灰水水位标高+839～+845 m.
2.2.2 石炭系上统太原组灰岩裂隙岩溶含水层
本组主要含水层由K2、K3、K4共3层海相石灰岩组成，厚度约15.00 m，灰岩岩溶裂隙不甚发育，渗透系数0.004 6 m/d，单位涌水量为0.001 5 L/(s·m)，总硬度(CaCO3)45.04 mg/L，水化学类型为HCO3·Cl- Na型，为弱富水性含水层。
2.2.3 二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层
山西组含水层渗透系数为0.000 25 m/d，单位涌水量为0.000 032 5 L/(s·m)，水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg型，总硬度(CaCO3)125.10 mg/L，为弱富水性含水层。
2.3 主要隔水地层
2.3.1 石炭二叠系各含水层之间的相对隔水层
该段隔水层主要是由泥岩、砂质泥岩、砂岩互层组成，其中砂质泥岩、泥岩平均占60.29%；
其次砂岩、石灰岩平均占39.71%；
软岩与硬岩比值系数约为1.52∶1.
2.3.2 15号煤至奥陶系顶面隔水层
由中厚层状泥岩、砂质泥岩，薄层砂岩、铝土质泥岩组成，厚度21.85～39.15 m，平均29.45 m，构成15号煤层与峰峰组含水层间的隔水层[1],见图1.
图1 地层综合柱状图
2.4 奥灰水补径排条件
盘城岭矿井田总体为一向西倾斜的单斜构造，由东向西奥灰埋深逐渐加深，西部深埋区为滞流区。奥灰岩溶水的补给来源主要是井田外裸露区接受大气降水入渗补给为主，以及河水入渗补给。径流方向大致是由南、南西方向向北东径流出井田，最后至娘子关一带排泄。
15号煤层开采石炭系上统太原组灰岩裂隙岩溶含水层为直接充水水源，由于顶板含水层补水条件差，一般不会影响矿井正常生产。煤层底板标高在845 m，标高以下地段受奥陶系含水层威胁。井田内带压区域奥灰水压总体上西部高，东部低，西部最大奥灰水压为2.85 MPa.矿井地质构造发育，底板隔水岩柱薄，存在奥灰突水危险。
矿井现采15号煤层，井下涌水以顶板太原组灰岩裂隙岩溶含水层淋水为主，全矿井正常涌水1 600 m3/d,雨季期间略有增加。
4.1 地质构造导水分析
井田断层、陷落柱构造较发育，揭露断层最大落差15 m，陷落柱直径60 m，目前未发现构造导水现象。全矿隔水层最薄处隔水层厚度21.85 m，位于2号钻孔附近，如有断层发育会进一步减弱煤层底板隔水岩柱的厚度和力学强度。矿井开采，陷落柱受采动影响和水压作用有活化和滞后突水的风险。
4.2 煤层底板隔水岩柱分析
根据井田内施工至奥灰顶界以下钻孔的数据统计，带压区内15号煤层底板至奥灰顶面隔水层厚度为15号煤层21.85～39.15 m，平均29.77 m.井田带压区南部奥灰隔水层厚度较厚，北部相对较薄，见图2.
图2 15煤层底板隔水层厚度等值线
井田内15号煤层底板至奥灰顶面岩性组合以砂质泥岩、泥岩为主，平均占82.56%；
其次为砂岩，平均占17.44%.软岩与硬岩比值系数约为4∶1.隔水底板抗压强度及隔水能力与地层组合有很大关系，这种隔水底板软岩与硬岩组合结构，对提高底板的抗压强度及隔水能力比较有利。
根据标准岩石的等效隔水系数和等效抗压强度系数进行换算，其等效泥岩隔水层厚度为20.65～24.81 m，平均为22.73 m.总体抗压强度为1.29～1.78 MPa，相对于井田15号煤底板奥灰水压0.40～3.01 MPa，15号煤层有发生底板突水的可能性。
根据对底板岩石隔水性能与力学性质分析，可知底板岩层具有较好的阻水、抗水压能力。在煤层开采中，采取合理的防治水措施以实现安全开采。
4.3 矿山压力破坏影响分析
采矿扰动底板破坏深度的大小主要与工作面的斜长、底板岩性及其结合状况、采深和煤层倾角等因素有关。选用考虑采深、倾角和巷道底板宽度的经验公式计算底板采动破坏深度。井田内煤层倾角一般为8～10°，局部地段可达15°以上。根据15号煤层开采设计，工作面宽度为170 m.
底板采动破坏深度[2]：
h1=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9
(1)
式中：h1为采矿扰动底板破坏深度，m；
H为采深，m；
L为巷道底板宽度，170 m；
α为煤层倾角，取10°.
表1 15号煤层采矿扰动底板破坏深度计算
经计算,煤层采矿扰动底板破坏深度在18.53～21.05 m之间。井田内带压区域15号煤层底板至奥灰顶板间距较小，虽然扰动深度不大于15号煤层与奥灰间的隔水岩柱厚度，但开采造成的扰动给15号煤层的安全开采带来了一定的影响。
4.4 煤层底板突水系数及分区
1) 根据《煤矿防治水细则》有关要求，突水系数计算统计见表2[3]，采用公式(2)进行计算：
表2 15号煤层奥灰带压开采相关参数计算统计
(2)
式中：T为突水系数，MPa·m；
P为底板隔水层承受的实际水头值，MPa；
M为底板隔水层厚度，m.
2) 有关计算参数的选取。
底板隔水层厚度(M):
M=(H煤-h)
(3)
式中：H煤为煤层底板标高，m；
h为奥灰顶面标高，m.
底板隔水层承受的水头压力(P)：
P=(H-h)×9.8×10-3
(4)
式中：H为奥灰岩溶水位标高，m；
h为奥灰顶面标高，m.
根据《煤矿防治水细则》“底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m，正常块段不大于0.1 MPa/m”的规定，结合矿井断裂构造发育程度，断层及可能影响范围区划分为带压开采危险区(III区)，其余选取突水系数0.06 MPa/m、0.10 MPa/m做为划分标准[4],带压开采分区见表3.
表3 带压开采分区
井田内15号煤层东北部为不带压开采区，面积为1.744 2 km2，煤层开采不受奥灰水影响。15号煤层带压区突水系数计算值在0.018 3～0.104 9 MPa/m之间， 15号煤层带压区整体划分为3个区，分别为：带压开采相对安全区(Ⅰ区)，即T<0.06 MPa/m的区域，面积为2.946 4 km2；
带压开采过渡区(Ⅱ区)，即0.1 MPa/m>Ts≥0.06 MPa/m的区域，面积为2.179 4 km2；
带压开采危险区(Ⅲ区)，即T>0.1 MPa/m的区域，面积为0.506 9 km2.不带压区和带压相对安全区为可采区，可采区面积为5.125 8 km2.通过以上分析，井田内15号煤层 P-1、3号孔以西地段开采受奥灰岩溶水影响大，不宜在此地段进行开采；
1、3-2、1-2 号孔以西至P-1号孔地段开采受奥灰岩溶水影响应制定专门带压开采设计，加强动态监测，制定现场应急预案，采取防治水措施，见图3.
图3 15号煤层奥灰水带压开采突水危险性评价图[4]
4.5 煤层掘进巷道和工作面安全隔水层厚度的计算
1) 掘进巷道底板隔水层：
(5)
式中:P为底板隔水层能够承受的安全水头值，MPa；
t为隔水层厚度，m；
L为巷道宽度，m；
γ为底板隔水层的平均重度，MN/m3；
Kp为底板隔水层的平均抗拉强度，MPa.
2) 采煤工作面：
ps=TsM
(6)
式中：ps为底板隔水层安全水头值，MPa；
M为底板隔水层厚度，m；
Ts为临界突水系数，MPa/m.
15号煤层掘进巷道承受的水压小于巷道所能承受的安全水压，可以开拓巷道。P-1号孔以西地段承受的奥灰岩溶水压超过了隔水层完整地段所能承受的安全水压，不宜在此地段进行开采。1、1-2号孔以西至P-1号孔地段，奥灰岩溶水压小于隔水层完整地段所能承受的安全水压但大于有构造时工作面所承受的安全水压[5],见表4.
表4 15号煤层带压区巷道及工作面所能承受的奥灰水安全水压
采用井田抽水试验资料，分析奥灰峰峰组岩溶含水层对煤层的突(涌)水量进行预测。根据井田水文地质条件，视含水层为均质无界，采用地下水动力学中的“大井”法，选用承压转无压完整井的稳定流计算涌水量公式：
(7)
经计算，15号煤层回采工作面奥陶系峰峰组岩溶裂隙含水层突水量值约为100.33 m3/h，最大突水量以2倍计算约为200.66 m3/h.
1) 严格执行“预测预报、探掘分离、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原则，加强探放水工作。
2) 在采区最低处安装强排系统，水泵一用一备单台排水能力大于预计最大突水量，配套管路满足强排最大排水能力。建立地面注浆站满足矿井注浆需求。
3) 建立地下水动态监测系统对矿井排水、涌水及水文长观孔的数据进行水文动态自动监测，及时掌握奥灰水文有关数据的变化。采用微震监测技术建立突水监测预警系统，监测导水通道受采动影响变化情况。
4) 盘城岭矿15号煤层的带压开采相对安全区，正常地段底板突水的危险性小。探测方法的选择应该以“物探先行，钻探验证”为原则。首先采用两种物探方法超前探测，对采掘工作面物探异常区、构造区、裂隙发育地段等进行钻探探查，采用局部注浆改造的方式进行治理。过渡区采用地面钻孔或井下定向钻孔注浆技术对底板进行区域改造。
5) 钻探探测及注浆加固深度至15煤层底板破坏(扰动)深度与有效隔水层厚度之和以下。所有钻孔必须进行轨迹测量,偏斜不得超过浆液扩散范围，钻孔出现偏斜经分析论证无法达到探查目的时，必须重新补探。
6) 注浆治理工程完成后要对治理效果进行钻探验证，验证合格后再采用物探手段再次开展探查验证，对异常区再次钻探验证，确保灰岩承压水隐患彻底消除。
区域峰峰组和上马家沟组含水层富水性差异较大，峰峰组含水层富水性弱，而凡是底板突水的地方必定是奥灰水富集地带，因此，从防治水角度来说，首先要区分出奥灰水的富水与非富水地段，主要表象为是否存在上马家沟组水与峰峰组含水层导通的可能；
其次，隔水层的厚度与岩性结构，是影响底板突水的另一个因素。15号煤层有效隔水层较小按照奥灰突水系数带压开采区分为3个区域，即相对安全区、过渡区和危险区。相对安全区应注意在构造薄弱部位和有效隔水层受开采扰动破坏区可能存在奥灰突水的可能，通过局部底板加固，合理留设防隔水煤柱，在加强防治水工作的前提下可以进行带压开采；
过渡区选择对底板破坏扰动小的采煤方法，采取底板区域注浆改造，加大底板突水监测预警等合理的防治水措施后可实现安全开采。危险区为禁采区，暂不考虑危险区的开采，等以后技术成熟，安全性提高了再考虑。