礦壓作用對(duì)奧灰水帶壓區(qū)煤層開采的影響

米 然

(山西地寶能源有限公司，山西 太原 030045)

奧灰?guī)r溶承壓水是煤礦安全生產(chǎn)的主要隱患之一，導(dǎo)致奧灰水底板突水的影響因素主要有奧灰?guī)r溶含水層的富水性、煤層底板隔水層厚度、地質(zhì)構(gòu)造及礦壓作用等。其中礦壓作用會(huì)導(dǎo)致底板隔水層的強(qiáng)度降低，阻水性能下降。筆者本次以石碣峪煤礦為例，探討礦壓作用對(duì)奧灰?guī)簠^(qū)煤礦生產(chǎn)的影響。

1 研究區(qū)內(nèi)奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層概況

研究區(qū)位于大同盆地南部邊緣，水文地質(zhì)單元屬于神頭泉域徑流區(qū)。

奧陶系中統(tǒng)上、下馬家溝組碳酸鹽巖類巖溶含水層埋藏于井田深部，研究區(qū)外東南部地表有基巖出露。據(jù)礦方提供的資料：研究區(qū)鉆孔揭露奧陶系灰?guī)r。上馬家溝組巖性為灰色、淺灰色泥灰?guī)r、角礫狀泥灰?guī)r夾灰白色白云巖；下馬家溝組巖性為厚層白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。根據(jù)水文孔水位觀測(cè)成果，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)資料，研究區(qū)內(nèi)奧灰?guī)r溶含水層水位標(biāo)高為1058～1067m，水力坡度平均為2.36‰，總體向東北徑流（見圖1）。研究區(qū)內(nèi)可采煤層為4、9、11號(hào)煤層。本次以最下部的11號(hào)煤層來分析礦壓作用對(duì)奧灰突水的影響，11號(hào)煤層底板標(biāo)高在670～1140m之間，屬奧灰水大部帶壓開采煤層。

圖1 井田奧灰?guī)r溶水等水位線圖

2 隔水層對(duì)奧灰突水的抑制作用

11號(hào)煤層底板隔水層厚度在28.13～57.49m之間，平均為48.20m，厚度總的變化趨勢(shì)是中南部薄，向南、向北逐漸變厚；東西向西部較薄，東部逐漸變厚（見圖2）。相對(duì)于奧灰?guī)r溶含水層，井田內(nèi)11號(hào)煤層底板隔水層包括石炭系太原組和本溪組。太原組主要由中—粗粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖和煤組成；本溪組主要由鋁質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、中—細(xì)粒砂巖，夾1～2層石灰?guī)r組成。隔水巖層中剛性較強(qiáng)的巖層，如灰?guī)r、砂巖等具有較高的強(qiáng)度，對(duì)抵抗礦壓的破壞起較大作用。柔性巖石，如泥巖、頁(yè)巖等，強(qiáng)度較低，抵抗礦壓破壞的能力差，但其隔水阻水能力較強(qiáng)。

本次僅利用研究區(qū)內(nèi)以往地質(zhì)勘探終孔層位達(dá)到奧陶系灰?guī)r的8個(gè)鉆孔：SZK101、SZK102、SZK202、SZK203、SZK205、SZK302、補(bǔ)1、補(bǔ)2，對(duì)煤層底板隔水層進(jìn)行評(píng)述。

依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》附錄五突水系數(shù)計(jì)算公式：

T=P/M

式中：T——突水系數(shù)，MPa/m；

P——底板隔水層承受的水壓，MPa；

M——底板隔水層厚度，m。

按公式計(jì)算的突水系數(shù)，在底板受構(gòu)造破壞塊段一般不大于0.06MPa/m突水危險(xiǎn)性小，正常塊段不大于0.10MPa/m突水危險(xiǎn)性小。鉆孔煤層底板隔水層厚度及突水系數(shù)見表1。

由表1可知：研究區(qū)內(nèi)隔水層完整無(wú)斷裂構(gòu)造破壞的地段突水系數(shù)均小于安全臨界值0.1MPa/m，因此，隔水層完整的情況下，研究區(qū)內(nèi)奧灰?guī)簠^(qū)域不存在突水危險(xiǎn)，隔水層對(duì)奧灰突水起到良好的抑制作用。

表1 鉆孔煤層底板隔水層厚度計(jì)算成果表

3 礦壓作用對(duì)底板突水的影響

承壓水對(duì)煤層底板的破壞機(jī)理比較復(fù)雜，它是地質(zhì)條件（隔水層的性質(zhì)與厚度）、水文地質(zhì)條件（底板含水層靜水壓力）及采礦活動(dòng)產(chǎn)生的礦山壓力綜合作用的結(jié)果。底板采動(dòng)破壞程度主要取決于工作面的礦壓作用，其影響因素有開采深度、煤層傾角、采高、工作面長(zhǎng)度、開采方法及頂板管理方式等。其次是底板巖層的抗破壞能力，包括巖石強(qiáng)度、巖性組合及原始裂隙發(fā)育狀況等。因此煤層底板破壞深度的計(jì)算公式頗多，但都是以現(xiàn)場(chǎng)采集的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式，距普遍應(yīng)用還較遠(yuǎn)。為簡(jiǎn)便起見，本次采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

h1＝0.0085H＋0.1665α＋0.1079L-4.3579

式中：h1——底板破壞深度，m；

H——開采深度，m；

α——煤層傾角，（°）；

L——工作面斜長(zhǎng)，取140m。

根據(jù)井田內(nèi)以往地質(zhì)勘探資料，井田內(nèi)11號(hào)煤層底板破壞深度計(jì)算成果見表2。

表2 11號(hào)煤層底板破壞深度計(jì)算成果表

原始導(dǎo)升高度是在自然狀態(tài)下隔水層底部的承壓水沿隔水層中的斷層或裂隙向上導(dǎo)升的高度，它與奧灰含水層頂面以上隔水層的巖性及其組合有關(guān)。由于本溪組底部含1～2層穩(wěn)定的鋁質(zhì)泥巖，厚度6.46～13.80m，平均9.61m，因此近似認(rèn)為原始導(dǎo)升高度為零。

設(shè)煤層隔水底板總厚度為h，底板破壞深度、有效隔水層厚度與原始導(dǎo)升高度分別為h1、h2和h3，則：

顯然，當(dāng)hh1+h3時(shí)，則保護(hù)層存在，是否會(huì)發(fā)生底板突水，則取決于有效隔水層的厚度及其阻抗水的能力。阻抗水的能力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓水破壞試驗(yàn)結(jié)果確定。

從上述計(jì)算可以看出，煤層開采深度越大，礦壓作用對(duì)煤層底板隔水層的破壞程度也越大。正常地段11號(hào)煤層底板破壞深度為13.13～16.21m，平均14.91m。當(dāng)?shù)装甯羲畬雍穸染笥诘V壓作用對(duì)煤層底板的破壞深度，具有一定的保護(hù)層，是否會(huì)發(fā)生底板突水，取決于有效隔水層的厚度及其阻抗水的能力。11號(hào)通過對(duì)完整隔水層和有效隔水層區(qū)域的兩次突水系數(shù)計(jì)算，由于受礦壓作用的影響，表2中突水系數(shù)較表1中會(huì)大很多，說明隔水層隔水強(qiáng)度大大降低，甚至在SZK205附近有效隔水層厚度為0，該區(qū)域保護(hù)層不存在，承壓巖溶水會(huì)直接涌入礦井，導(dǎo)致底板突水。

4 結(jié)語(yǔ)

礦壓作用的研究對(duì)奧灰?guī)簠^(qū)煤層的安全開采具有重要意義，礦壓作用直接影響著隔水層的隔水強(qiáng)度和阻水性，在煤礦生產(chǎn)時(shí)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)對(duì)礦壓作用的探查，尤其是灰?guī)r、砂巖等具有較高的強(qiáng)度的巖層更容易被礦壓破壞，只有對(duì)區(qū)域內(nèi)礦壓破壞程度及規(guī)律有一個(gè)接近實(shí)際的認(rèn)識(shí)正確的布置采面，從而安全生產(chǎn)。