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有关鹿台山煤矿带压开采技术条件的研究评估
摘要：华北型煤田C-P系煤层底板水是煤矿开采的主要水害威胁。为探讨鹿台山煤矿2号、15号煤层开采过程中底板水突水危险性，在收集井田水文地质资料的基础上，分析了煤层赋存及变化趋势特征、煤层围岩含水层和隔水层的垂向组合特征；采用《煤矿防治水细则》中规定的突水系数进行了底板突水危险性研究，计算了2号、15号煤层底板突水系数，提出了临界开采深度评价模型，并确定了临界开采深度的量化取值，对突水危险性进行了区划。研究结果为该矿未采区水害管理与防治提供了安全技术保障。
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水害是制约煤矿安全生产的五大灾害之一，其危害程度仅次于瓦斯灾害，严重影响着煤矿安全生产。随着中国煤矿开采深度、强度和速度的增加，煤矿受水害影响越来越严重，尤其是中国华北石炭-二叠系煤田，煤层底板发育石炭系薄层灰岩、奥陶系厚层灰岩等岩溶裂隙含水层，深部煤炭开采遭受严重的底板承压水害威胁。中国华北型煤田主要水害类型[1]可分为3类：a)不明老空水对相邻开采煤层的威胁[2,3,4];b)开采煤层底板太灰水、奥灰水的突水威胁[5,6];c)薄基岩顶部新生界巨厚松散层下强含水冲积层对下伏煤层的抽冒威胁[7,8,9]。其中，第二种类型的水害由于其难预测、突水量大的特点，成为华北地区C-P系煤层开采面临的主要水害。本文在详细分析鹿台山煤矿水文地质资料和生产揭露现状的基础上，运用“下三带”理论对2号、15号煤层的底板隔水层厚度进行统计分析，采用开采时临界煤层底板破坏深度和突水系数法[10,11]对可采煤层带压开采的安全性进行评价，以防止发生底板突水事故，对确保煤矿安全高效开采具有重要的意义。
1、矿井概况
鹿台山煤矿位于沁水煤田西北部张村乡，2015年9月投产，设计生产能力6.0×105t/a，批准开采2号、15号煤层，目前开采2号煤层。井田揭露地层自下而上依次为奥陶系中统峰峰组（O2f）、石炭系中统本溪组（C2b）、石炭系上统太原组（C3t）、二叠系下统山西组（P1s）、二叠系下统下石盒子组（P1x）、二叠系上统上石盒子组（P2s）、新生界古近系上新统（N2）、第四系全新统（Q4）；主要含煤地层为山西组的2号煤层和太原组的15号煤层。地层整体为一向北缓倾的单斜构造，地层产状走向近NW向，倾向N，倾角4°～8°。井田内共揭露34条断层（建矿阶段16条，生产阶段18条），除F12、F34为逆断层外，其余均为正断层，断层落差最大4m，最小0.5m。鹿台山矿煤矿地质类型为复杂类型，矿井水文地质类型为中等类型。
1.1开采技术条件
井田范围呈规则多边形，井田边界为人为边界，东西宽1.5～2.0km，南北长约2.6km，井田面积4.7km2，开采深度+600～+900m标高。2号煤层为稳定可采煤层，含夹矸0～1层（厚度0～0.36m），平均煤厚2.0m;15号煤层大部分稳定可采，含夹矸0～2层，厚度0～0.48m，平均煤厚2.36m。采用综合机械化一次采全高采煤工艺，全部陷落法管理顶板。矿井正常涌水量14.27m3/h，最大涌水量18.60m3/h，涌水来源为2号煤层顶板砂岩裂隙水，没有发生过突水事故。
1.2可采煤层顶底板特征
2号煤层直接顶为黑色泥岩或砂质泥岩，伪顶为碳质泥岩及灰色泥岩，老顶为灰色细粒砂岩；直接底为泥岩或粉砂质泥岩；15号煤层伪顶为黑色泥岩或碳质泥岩，直接顶为K2灰岩，直接底为黑色泥岩、碳质泥岩。可采煤层顶底板特征见表1。
表1可采煤层顶底板情况
1.3水文地质条件
1.3.1主要含水层
鹿台山井田煤层底板主要含水层为奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层。因为太原组K2、K3、K4、K5灰岩厚度小，呈层状分布且被泥岩隔水层分隔，与奥灰水水力联系较弱，对煤矿开采影响较小。因此，本文只考虑奥陶系中统峰峰组灰岩岩溶裂隙含水层对煤矿生产的影响，该含水层单位涌水量为0.143L/(s•m)，影响半径为564.23m，渗透系数为0.338m/d，为中等富水性含水层，水位标高+715～+718m。
1.3.2主要隔水层
煤层底板主要隔水层有太原组底部及本溪组泥岩、铝质泥岩隔水层，位于15号煤层之下，厚度平均17m。煤层底板隔水层厚度选取2号、15号煤层底板至峰峰组灰岩顶界面的厚度，其中，太原组灰岩弱含水层在此视为隔水层。
2、突水危险性评价
2.1底板破坏深度
煤层开采后，底板岩层受采动影响而发生变形破坏，底板裂隙得到扩张和延伸的同时产生新的裂隙，裂隙深度超过隔水层厚度就会导通奥陶系灰岩岩溶水，形成导水通道，从而发生底板突水事故。底板破坏深度一般实测获得，若没有实测数据，则可通过数值模拟方法获取[12,13]。
2.1.12号煤层底板破坏深度
鹿台山煤矿根据钻孔数据计算得到的底板破坏深度见表2。2号煤层开采时底板破坏深度为14.72～15.69m，平均为15.21m。
表2底板破坏深度表，单位：m
为进一步验证破坏深度h1的准确性，在此参考周边矿井实测值及经验预测公式[14]:
公式(1)中，H为开采深度，m；α为煤层倾角，°；L为工作面斜长，m。
2号煤层开采底板标高+600～+900m，埋深235～455m。经计算，鹿台山煤矿2号煤层底板破坏深度为15.90～17.77m，平均为16.84m。
对照钻孔数据和经验公式数据，二者相差不大，在此选取底板破坏深度为15.90～17.77m较合理。
2号煤层底板至奥灰顶界面平均间距为111.49m，有效隔水层厚度平均为96.28m，远大于2号煤层开采底板破坏深度15.90～17.77m，正常情况下不会发生底板突水事故。
2.1.215号煤层底板破坏深度
由于15号煤层目前未开采，在此利用公式(1)预测底板破坏深度。15号煤层设计开采标高+600～+830m，煤层倾角取平均值6°，工作面斜长取150～180m。经计算，15号煤层底板破坏深度为14.75～16.61m，平均15.68m。
15号煤层底板至奥灰顶界面间距平均为17m，有效隔水层厚度平均为17m，略大于开采时底板破坏深度15.68m，在开采过程中有突水危险。
2.2具体评价
突水系数是指煤层底板单位隔水层厚度所承受的水头压力，是带压开采条件下衡量煤层底板突水危险程度的定量指标[15,16,17,18]。《煤矿防治水细则》中突水系数T的计算公式为：
公式(2)中，P为煤层底板隔水层承受的水压，MPa;M为煤层底板隔水层厚度，m。
井田内奥灰水水头压力0～1.16MPa,2号煤层底板隔水层能承受的最大水压为10.03MPa/m，突水系数为0～0.0134MPa/m，小于《煤矿防治水细则》临界值0.1MPa/m，且隔水层厚度稳定，属于带压开采，突水危险性较小。
15号煤层底板隔水层突水系数为0.0682MPa/m，小于正常突水临界值，但大于构造复杂区突水临界值0.06MPa/m，有突水危险性。
2.3带压开采区划
依据《煤矿防治水细则》中的规定[11]，煤层底板受构造破坏块段的突水系数一般不大于0.06MPa/m，正常块段不大于0.10MPa/m，由于带压区构造相对简单，因此带压开采分区标准如下：
鹿台山井田北部最深处2号煤层开采时存在带压开采，2号煤层底板标高最小+680m，底板隔水层厚度103.70m，取奥灰水最大水头718m计算，最大突水系数0.0134MPa/m，带压区在无导水构造导通情况下不会出现奥灰水突水问题。
2号煤层带压开采分区见图1。井田内奥灰水流向由北向南，2号煤层底板+718m以深区域奥灰水水头高于煤层底板标高，属于带压开采，但其突水系数最大值0.0134MPa/m小于临界突水系数0.1MPa/m（构造区0.06MPa/m），划分为带压开采相对安全区；2号煤层底板标高+718m以浅区域开采时不带压，无断裂导通煤层情况下不受奥灰水水害威胁，划分为不带压开采区。
图1鹿台山煤矿2号煤层带压开采分区图
15号煤层开采底板标高+605～+830m，奥灰水水位+718m，整个井田范围开采时存在带压开采问题。
综上所述，通过2号煤层底板有效隔水层及采动破坏深度和突水系数评价，2号煤层在正常情况下不具有突水危险性；15号煤层北部区域存在带压开采问题，具有突水危险性。
3、结语
a)通过对鹿台山井田水文地质条件进行分析可知，开采时2号煤层底板破坏带深度为15.90～17.77m，平均16.84m，最大突水系数为0.0134MPa/m，正常情况下不会发生底板奥灰水突水事故；15号煤层开采井田北部煤层底板+718m以深具有突水危险。
b)2号煤层开采时部分区域会带压开采，依据带压开采危险程度划分了带压分区，+718m以深区域为带压开采相对安全区，+718m以浅区域为不带压开采区。15号煤层+718m以深为带压开采危险区。
c)2号煤层底板主要含水层为奥陶系峰峰组岩溶裂隙含水层，其单位涌水量为0.143L/(s•m)，影响半径为564.23m，渗透系数为0.338m/d，该含水层为中等富水性含水层。太原组薄层灰岩含水层含水性弱，可视为局部隔水层。
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