西北地区煤矿充填开采防治底板突水的可行性研究

王宜泰 孙 明

（1.山东公信安全评价有限公司，山东 枣庄 277100；2.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010）

1 引言

当前我国众多煤矿在井下开采过程中顶板面临着因上覆采空区积水造成透水的威胁，底板不但面临着承压含水层的突水胁迫，同时回采（掘进）煤层时煤壁还时常发生瓦斯涌出危险。因此，当前煤矿井下开采大致处于“顶威、底迫、中突”的状态[1]。煤层底板岩体因层理、节理和构造的存在而表现出初始损伤特征，随着开采环境的逐步恶化和水文地质的不断变化，底板突水的采动危险程度更加明显，裂隙贯通使得涌水通道发育愈发容易，所以安全回采的技术体系与保障程度越发迫切。总体来说，华北地区的煤矿充水水源以底板岩溶水和老空水为主，主要表现为突水发生频繁且影响生产以致淹井，深组煤层下部受奥灰水严重威胁。

目前理论研究成果对不同类型的底板突水致灾机理和突水通道的形成过程进行了阐述[2-4]，对识判、预报的准确程度的提高提供了理论依据。但是当前的理论研究对实际开采环境以及水文地质环境的差异研究不够周全，特别是对内蒙地区井工煤矿开采的防治水理论研究与实际应用更为缺乏。目前的理论研究成果不能保证西部干旱地区矿井正常开采安全。因此，本文以内蒙古地区天誉四矿9号煤层为例，针对西北干旱地区的承压水开采现状，对充填开采在防治底板承压突水方面进行了研究分析，为该地区煤矿的安全、绿色开采提供了理论支持及技术指导。

2 矿井采煤方法和水文地质条件差异分析

2.1 现有采煤方法分析

天誉四矿的现有生产能力为1.20Mt/a，井田南北长2.4km，东西宽2.05km，面积为4.0299km2，开采标高为+1200m～ +600m。该矿拥有资源量51.87Mt。井田总体为一向南西倾斜的单斜构造，地层产状平缓，倾角为4～14°，平均倾角为8 °。该矿目前开采的9号煤层采用倾斜长壁后退式采煤方法，一次采全高综合机械化采煤工艺，全部冒落法管理顶板。

2.2 水文地质条件差异分析

根据桌子山煤田水文地质资料，在1989年，奥灰地下水的东部水位标高为1229m，中部为1167m，西部为1142m，平均水位为1179m。奥灰地下水因常年大量开采，使桌子山南段岩溶水的流场、水位发生了明显变化。在天然状态下，岩溶水由东向西径流运动，曾在拉僧庙以泉的形式排泄，七十年代泉流量118.48L/s，八十年代后期泉水逐渐干枯。

该井田的奥灰水水位标高为+1070～1115m，水压为1.4～4.2MPa，较七十年代已下降了50～100m以上。奥灰水力坡度约为15‰～17‰。径流运动由南向北、自西向东。作为开采太原组煤间接或直接充水含水层的奥灰岩构成了石炭系地层的基底，正常地段富水性中等构造破碎带强。9号煤层底板标高为+680～1020m，奥灰水水位高出其95～390m，是典型的带压开采煤层。

3 奥灰富水性能和底板分布规律研究

3.1 奥灰富水性能分析

从该矿地质资料分析，井田奥灰含水层岩溶发育在横向及纵向具有不均一性和离散特征。岩溶发育具有不连续性，裂隙溶洞均不在同一含水层段中，垂向上受断裂构造切割控制，其附近的岩石破碎且溶蚀作用强烈。从水质化验成果分析，奥灰地下水径流条件较差，流场交替缓慢使得不同离子含量较高。

该矿水文地质钻孔全部揭露奥灰含水层，揭露厚度为10.20～172.82m。该区为陆表海至局限盆地沉积，沉积环境导致灰岩含泥、砂质较大，大量伴随灰岩沉积，影响灰岩岩溶发育，含水层富水性差异较大。奥灰含水层的渗透系数为0.225m/d～50.83m/d，属于半透水～良透水性含水层。

3.2 底板隔水层厚度分布规律研究

根据该煤矿井田内16个已经揭露奥灰的钻孔，描绘了9号煤层底板隔水层厚度等值线图（如图1所示）。

图1 9号煤底板隔水层厚度等值线图

从9号煤底板隔水层厚度等值线图中可以看出，该矿目前开采的9号煤层与奥灰含水层的有效隔水层厚度从南向北有逐渐变薄的趋势，位于东南部穹隆构造处有效隔水层最大厚度大于40m，位于井田西部边界中部的构造盆地处的隔水层厚度不低于22m。井田整体为一向北西倾斜的单斜构造，断层构造分布均匀，较为发育。由于井田内落差大于30m的断层共有7条，致使9号煤层有效隔水层厚度大大减小，因此在开采9号煤层时，奥灰含水层可能会因受采动影响沿断裂构造涌入采动空间，造成底板突水事故发生。

4 底板突水危险性安全评价和突水等值线图

4.1 底板突水危险性安全评价

结合井田水文地质特征并参照骆驼山煤矿突水案例，以突水系数法对煤层底板突水危险性进行评价。表达式为：

T=

式中：

T—突水系数，MPa/m；

P—底板水压，MPa；

M—底板隔水层厚度，m。

确定临界突水系数Ts（即每米隔水层厚度所能承受的最大水压）是采用突水系数评价底板稳定性的关键。通过实际突水系数T与临界突水系数Ts的比较，判断底板突水可能性。由于目前没有可以借鉴的临界突水系数，本文依据《煤矿防治水细则》，参照华北矿区实际资料，确定了该井田带压开采突水系数法评价标准，具体如下：

（1）对于构造破坏块段：当T＜0.06MPa/m时属安全区，当T≥0.06MPa/m时属危险区。

（2）对于正常开采块段：当T＜0.10MPa/m时属安全区，当 T≥0.10MPa/m 时属危险区。

4.2 突水等值线图

本文根据突水系数公式、隔水层厚度和奥灰水高程，绘制了该矿9号煤层底板突水系数T等值线图（如图2所示）。

图2 9号煤层底板突水系数T等值线图

由上图可以看出，该矿目前开采的9号煤层除东南部分块段外，大部分底板突水系数T大于突水系数临界值Ts0.06MPa/m，平均突水系数在0.04～0.116MPa/m之间。

根据井田内断层构造比较发育且分布离散的特点，确定了如下的划分标准：

（1）构造危险区：突水系数介于0.06～0.1MPa/m之间的区域；

（2）危险区：突水系数大于0.1MPa/m的区域；

（3）安全区：突水系数小于0.06MPa/m的区域。

根据上述判定标准，结合图2可知，该矿构造危险区位于中间块段，危险区位于西北块段，安全区位于东南块段。受采动影响的断层容易形成底板涌水通道从而威胁井下开采的整体安全，这与当前的研究结果相符合[5]。

5 矸石充填开采技术应用实例

5.1 矸石充填开采可行性分析

山东省济南埠村矿采用高水充填开采技术解决了承压水上开采的问题，该技术具有方便输送、便于成型、容易接顶的特点，实现了承压水上安全无污染的绿色开采。因此充填开采可以有效控制底板破坏程度。基于目前充填开采方面的研究结果和工程实践，认为该矿采用充填开采技术和理论上是可行的。

另一方面，该矿充填材料的选择能够因地制宜，就地取材。研究确定了以煤矸石为充填体骨料，以普通水泥为胶结料，以适量的水为搅拌材料并辅以适量的粉煤灰与外加剂为充填料的采空区充填体。其中，煤矸石是充填开采中用量最大的材料，在充填体中起着骨架作用。这种原材料可以在保证充填体强度的情况下，大幅降低充填成本，充分解决矸石的排放、处理及污染问题，符合循环经济理念和绿色科学的发展内涵。

5.2 矸石充填开采应用

该矿设计充填工作面布置如图3所示。

图3 充填工作面布置图

该矿采用矸石充填以来，节省了巷道掘进费用和采煤工作面搬家费用，减少了矿井排水处理工作量和费用，降低了征地及塌陷补偿费用，仅在掘进费用和工作面搬家两方面节省吨煤开采成本6.5元/t。最为重要的是确保了采掘工作面的安全开采，减少了对工作面底板的破坏，有效地预防了底板突水事故的发生。

6 结论

（1）该煤矿9号煤层有效隔水层厚度分布呈由南至北逐渐变薄趋势。井田内落差大于30m的7条断层的存在使得奥灰含水层可能因采动沿断裂构造突入采动空间。

（2）9号煤层底板突水系数值0.04～0.116MPa/m之间，东南块段为安全区，西北块段为危险区，中间大部分为构造危险区。

（3）通过矸石充填开采减少了对底板的破坏，有效预防了底板突水可能性，大大节省了开采成本，具有良好的经济和社会效益。