井田边界开采风险预测研究

陈宜新

摘要：全面细致地交换分析两井边界采区地质、测量、水文资料，是降低各类开采风险的重要技术保证；该文通过对井田边界地质及水文地质条件进行分析，作出了其未采区开采风险预测，并提出了降低开采风险的相关对策与建议。

关键词：井田边界 断层 风险预测

1 煤系地层特征

井田煤系地层为二迭系，厚约800m，其下统山西组、下石盒子及上统上石盒子组为主要含煤地层，含煤40余层，已定名34层，自下而上分A、B、C、D、E五个含煤组。下部A、B、C三组为开采对象，含可采与局部可采煤层13层，总厚度22.95m，含煤系数5.47%，其中C13、B11b、B9b、B7b、B4b、A1为本区主采煤层。含煤地层岩性主要由细～粗砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、铝土岩、煤层等组成，属河湖相沉积建造。

2 井田边界地质构造特征

井田构造复杂，自西向东发育的主体构造有F3-4、F4、F5等一系列高角度同倾斜切正断层，煤岩层走向受断层牵引作用而西扭，尤其在F5断层附近，受构造张扭作用煤层走向变化更大，形成宽缓褶曲构造。断层发育特征：①F3-4、F4、F5均为正断层，属张扭力学性质，断层带内充填有角砾岩及断层泥等。②断层走向与煤层走向斜切夹角在38°～45°之间，断层面陡立，倾角70°以上，与煤层同倾，落差向深部增大。③三条主断层间距近乎均等，沿煤层走向间隔240m左右，近似平行展布。④断层组合型式为阶梯状，走向上由西向东煤层逐级抬升。⑤旁侧次生断层极其发育，对开采影响很大。

3 井田边界水文地质特征

3.1 第四系冲积层流砂层含水层及“天窗”区 第四系冲积层不整合覆盖于煤系地层之上，总厚15～38m，自上而下可分为表土层、流砂层及泥灰岩三层结构。流砂层厚5～11m，孔隙度32.73～35.16%，给水度26%，单井涌水量q=0.69～3.42L/s.m，渗透系数k=3.09～17.73m/d，结构松散为地下水所所饱和，富水性强，水位标高+15～18.5m，属孔隙承压含水层。泥灰岩厚0～16m，直接覆盖于煤系地层之上，由西向东厚度变薄至尖灭，由南向北逐渐增厚，岩性复杂，q=0.001～0.029L/s.m，k=0.002～0.45m/d，属弱透水或不透水层，为水体下采煤的良好隔水层。

3.2 煤系地层砂岩富水性 煤系地层隐覆于第四系地层之下，基岩面标高+5～-24m，其中C13、B11b、B9b、B4b、A2五个煤层顶板砂岩为脉网状裂隙含水层，富水性受控于裂隙发育程度，不同块段差异很大。

3.3 太原群灰岩含水层 太原群地层总厚约120m，含薄～厚层状灰岩10～12层，厚约56m，为矿井直接充水含水层，富水性受岩溶发育程度控制。按其层间距自上而下分为C3-Ⅰ、C3-Ⅱ、C3-Ⅲ三大组，其中第一组中的C33上、C33下两层灰岩较厚且赋存稳定，为主要含水层位。第一层灰岩C31与A1煤层法距17.0～24.8m，按淮南矿区临界突水系数0.05Mpa/m计算，A1煤层底板隔水层可承压0.85～1.24Mpa。

4 开采风险预测

4.1 断层风险 断层是地壳运动引起岩层变形、断裂直至发生明显位移的地质现象，使地层失去连续性，其规模取决于构造应力大小、煤岩层组合特征及物理力学性质等因素。该边界采区共发育F3-4、F4、F5三条张扭性高角度斜切正断层，落差大，切割煤层多，主断层旁侧走向100m范围内次生断层极其发育。根据区内两个矿开采资料统计，在F3-4至F5断层间走向500m左右的范围内实见落差0.8m以上的次生断层25条，跳压开采11次。这些次生断层造成煤层的频繁变薄断失，顶底板岩性破碎，巷道压力大，极易产生顶板事故，同时也是水、煤与瓦斯突出等灾害发生的诱因，因此断层是开采风险最大的地质因素。

4.2 水害风险 ①本区各煤层露头全部位于河流下，尤其是B9b～C13煤层露头处在面积达3.1万m2的第四系新地层“天窗”区下，丰富的流砂层水直接通过“天窗”补给B9b、B11b、C13老顶砂岩含水层，因此这三层煤采掘时的顶板出水风险最大，并已被以往开采证实。据统计，此顶板砂岩水量大于5.0m3/h以上的出水次数高达14次，其中以B9b顶板砂岩出水量最大达86.4m3/h。②大量发育的张扭性斜切正断层，既是储水空间，又是导水通道，从实际揭露看，其含水导水性较弱，但一旦被采掘应力激活后仍然可能好展成为良好的导水通道。③受F5大断层的切割和位移，该矿开采的断层上盘A1煤层与下盘A1底板太原群第三层灰岩含水层C33对接，这就加大了灰岩突水的风险。

4.3 煤与瓦斯突出风险 该采区内C13、B9b、B7b、B4b、A1为突出煤层，影响煤与瓦斯突出的三个主要指标是地应力、瓦斯潜能、煤的物理力学性质，前两者更具决定性。①根据矿井成果资料及实际开采情况，该区-200～-530m水平间的瓦斯含量：C13为2.29～8.64m3/t、B9b为9.78～13.91m3/t、B7b为7.64～13.73m3/t、B4b为6.35～11.94m3/t、A1为2.39～10.2m3/t，较相邻采区瓦斯含量偏低，这主要是因为一系列张扭性正断层切割煤系地层，导致瓦斯沿构造裂隙通道获得一定程度的渗透逸散，瓦斯潜能相应释放，但随着埋深的增加各煤层瓦斯含量仍增势明显，其中以A1煤层瓦斯含量增幅最快，这预示了向深部煤与瓦斯突出危险性不断加大。②本区煤与瓦斯突出的最大风险因素是局部应力集中。由于本区断层发育，采空区众多，断层附近存在残余构造应力，采空区边界附近存在高应力区，使煤层处于强挤压状态，有利于构造煤的形成和发育，因此断层附近和采空区附近的高应力区突出危险最大。如该矿东四采区A1煤层在距F5断层50m之外自-400m向下施工开切下山时，预测指标频频严重超标，因突出危险太大被迫停掘。

4.4 资源风险 基于边界采区复杂而特殊的地质及水文地质条件和以往的开采历史，F3-4、F4、F5主构造面旁侧的次生断层多，顶板水害威胁大，丢采、弃采、跳采现象极为普遍，采区及工作面回采率低，根据断层格局和水害威胁程度可以预测，C13～B7b煤层在F3-4～F5断层间约占采区35%的资源风险较大，而B4b、A1及F3-4断层以西各煤层资源风险较小。

5 结论和建议

①全面细致地交换分析两井边界采区地质、测量、水文资料，是降低各类开采风险的重要技术保证。②呈台阶状组合、平行状展布的F3-4、F4、F5主控断层是产生该边界采区高开采风险的最本质原因。③第四系新地层泥灰岩“天窗”区及大量断裂构造的存在是本区顶板砂岩水害频发的主要原因。④该边界采区A、B组煤突出倾向较大，尤其在断层附近和采空区附近的高应力区突出危险性最大，巷道布置和开采顺序要充分考虑与突出煤层的关系。⑤该边界采区因为断层和顶板水害而存在一定的资源风险，开采设计时应考虑以最小的巷道投入作探索性开采的方案。

参考文献：

[1]柴登榜，等.矿井地质工作手册.北京：煤炭工业出版社.1986.

[2]苏瑞海，孙荣久.巷道底鼓及防治.技术创新与实践——全国煤矿技术成果论文选编/中国煤炭工业协会编.——徐州：中国矿业大学出版社.2000.6.