２０１３年第５期　中州煤炭　总第２０９期　

矿安全　带压采煤底板突水危险性分析　

撖宇靖　，张　磊　，白振华　

（１．鄂尔多斯市伊化矿业资源有限责任公司，内蒙古　鄂尔多斯，０１７３１８；　２．鄂尔多斯职业学院，内蒙古　鄂尔多斯，０１７２００；３．鄂尔多斯市正丰矿业有限责任公司，内蒙古　鄂尔多斯，０１６０６４）　

摘要：棋盘井地区的１６煤层位于奥灰承压水体，回采过程中的突水危害成为安全生产的最大威胁。结合该　地区的水文地质条件，依据补径排关系等方法，分析了井田内灰岩的富水性、隔水岩层的岩性、１６煤层底板　隔水层的抗水能力等煤矿地质条件。论证了断层等构造对１６煤层带压开采的影响，并对开采１６煤层的可　行性进行了分析，最后提出了保障安全开采的基本措施。　关键词：奥灰水；承压水；煤矿　中图分类号：ＴＤ７４５　文献标志码：Ａ　文章编号：１００３—０５０６（２０１３）０５～００９１—０３　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｒｉｓｋ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｉｎｒｕｓｈ　ｆｒｏｍ　Ｃｏａｌ　Ｆｌｏｏｒ　ｉｎ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｕｎｄｅｒ　Ｓａｆｅ　Ｗａｔｅｒ　

Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　Ａｑｕｉｆｅｒ　

Ｈａｎ　Ｙｕｊｉｎｇ　，Ｚｈａｎｇ　Ｌｅｉ　，Ｂａｉ　Ｚｈｅｎｈｕａ　’　

（１．Ｅｒｄｏｓ　Ｙｉｈｕａ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｒｅｓｏｕｒｅｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｏｒｄｏｓ　０１７３１８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｏｒｄｏｓ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｏｒｄｏｓ　０１７２００，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｅｒｄｏｓ　Ｚｈｅｎｇｆｅｎｇ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ　Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｏｒｄｏｓ　０１６０６４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｏ．１６　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｉｎ　Ｑｉｐａｎｊｉｎｇ　ｒｅｇｉｏｎ　ｌｏｃａｔｅｓ　ｉｎ　Ｏｒｄｏｖｉｃｉａｎ　ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ　ｃｏｎｆｉｎｅｄ　ｗａｔｅｒ，ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅｓｔ　ｈｉｄｄｅｎ　ｈａｚａｒｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓａｆｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｗｉｎｎｉｎｇ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ａｒｅａ，ｉｎ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｒｅｃｈａｒｇｅ，ｒｕｎｏｆｆ　ａｎｄ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｗａｔｅｒ　ａｂｕｎｄａｎｃｅ　ｏｆ　ｌｉｍｅｓｔｏｎｅｓ，ｔｈｅ　ｌｉｔｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｉｍｐｅｒｍｅａｂｌｅ　ｒｏｃｋ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗａ—　ｔｅｒ—ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　１６　ｃｏａｌ　ｆｌｏｏｒ　ｉｍｐｅｒｍｅａｂｌｅ　ｌａｙｅｒ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｆａｕｌｔｓ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｕｎｄｅｒ　ｓａｆｅ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ａｑｕｉｆｅｒ　ｏｆ　Ｎｏ．１６　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｗａｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ，ｔｈｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｎｏ．１６　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　ｅｎｓｕｒｉｎｇ　ｓａｆｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｏｒｄｏｖｉｃｉａｎ　ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ　ｗａｔｅｒ；ｃｏｎｆｉｎｅｄ　ｗａｔｅｒ；ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　

我国华北地区的煤田，煤层底板普遍存在着太　原组灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层，尤其是奥陶　

系灰岩含水层厚度大，岩溶发育，补给面积大，水位　较高，水量极为丰富，是华北煤田开采下组煤的主要　

水害威胁。依据勘察报告可知，内蒙古西部地区煤　矿在开采１６煤（石炭二叠系煤层）的基底中含有奥　

灰含水层，其主要为下奥陶统桌子山组和三道坎组，　桌子山组厚从１１７　ＩＴＩ到４２２　ＩＴＩ不均匀分布，岩性为　蓝灰色、厚层状生物碎屑灰岩。因此，该地区在ｌ６　煤层采掘过程中存在底板承压水突水的潜在危险。　

收稿日期：２０１３—０１一Ｏ２　基金项目：内蒙古自治区科技厅科技计划资助应用技术研发项目　（２０１１１４０１）　作者简介：撖字靖（１９６６一），男，内蒙古鄂尔多斯人，高级工程师，现　从事煤矿安全生产管理工作。　笔者结合该地区棋盘井镇北部某矿的地质资料，分　析了该地区开采１６煤层的突水危险性。　

１　井田内奥灰含水层的水文地质特征　

１．１　奥灰含水层富水性分析　通过钻孔数据分析，该矿区灰岩埋深２５０～３７０　

１１３。岩溶发育受构造影响较大，且富水性与断裂有　着密切的关系。依据三维地震物探工作成果分析，　该井田断层分布较多且多为导水断层，增强了奥灰　

含水层的富水性，加剧了富水性的不均匀程度。据　相关钻孔抽水试验资料可知，该地区富水性为中等，　

单位涌水量ｇ＝０．３１７～０．３４９　Ｌ／（Ｓ・ｒｎ）。该煤矿１６　煤层底板等高线如图１所示。　

１．２补径排关系　该矿所属区域为大陆性干旱气候，在雨季会有　

少量雨水和地表水下渗到奥灰含水层中。目前，矿　

・９１．

　２０１３年第５期　中州煤炭　第２０９期　

Ｎｔ　／　蕊　～‘＼　

＼　＼＼　＿１＿＿Ｌ＿＿－＿二＝。　。－－－　—＼　ｊ、　，　、　：’二：，’‘　～ｔ　ｏ５ｏ　

Ｉ　）　一　／１１一ｌ　０００’　

‘　《’一　—一９９０一　—～９８０　０　２０ｏ　４００　６００　８００　１　０００　１　２００　１　４００　１　６００　１　８００　ｙ／ｍ　

图１　煤层底板等高线情况　

区奥灰含水层主要排泄点是抽取奥灰水作为生活生　产用水的供水井。区内部分断层具有导水性，奥灰　

水可通过断层排泄给其他含水层，然后排向黄河或　从地面蒸发。　

要预测奥灰突水量，可以将奥灰突水的范围抽　

象为一个钻孔，利用式（１）进行突水量计算，然后再　

根据井半径的不同进行井径变换，其公式如下：　

Ｑ孔＝Ｑ０Ｓ／Ｓ０　（１）　

Ｑ井＝Ｑ孔￣／ｒ井／ｒ孔　（２）　

其中，Ｑ。为抽水试验孔的涌水量；Ｓ。为抽水试验孔　

的降深；Ｑ孔为预测孔的涌水量；Ｓ为预测孔的降深；　

ｒ井为突水范围的概化半径；ｒ孔为钻孔半径。然后　

分别依据该矿的Ｓ　水源井（Ｑ。：１００　ｍ。／ｈ，Ｓ。＝　

４２．１５　ｒｆｌ，ｒ孔＝０．２５　１１１）和周边矿的Ｋ　水源井（Ｑ。＝　

１００　ｍ　／ｈ，Ｓ。＝５　１ＴＩ，ｒ孔＝０．２５　ｍ）。得到奥灰最高水　

位为１　１２４．２　ｍ，开采水平８６０　ｍ，Ｓ取最大值２６４．２　ｒｌｌ。为反映不同突水范围的出水量，突水范围的概　

化半径ｒ　分别取０．２５，５．００，１０．０Ｏ，２５．００　ｍ（表　

１）。　

表１奥灰水突水量预测　

将以上参数代入式（１）和式（２），可得到不同的　

突水量。从表１中可以看出，当利用不同钻孑Ｌ数据　

进行计算时，突水量相差非常大。这也充分说明奥　

灰水富水性特别不稳定，尤其是较大断层附近和断　

层密集分布区附近，可能存在强径流带。　

・９２・　２　１６煤层底板隔水性能分析　

该矿区内有４个钻孔揭露了奥灰含水层至１６　

煤底板的相关信息（表２）。由矿井综合水文地质柱　状可知，ｌ６煤层底板至奥灰顶界间岩性包括石英砂　

岩、泥岩、砂质泥岩、细砂岩。在这些岩层中，具有良　好导水性能的泥岩、砂质泥岩等软岩占了４５％，硬　

岩占了５５％，这些岩层中既有阻水性较好的泥岩和　砂质泥岩，又有抗压强度较强的砂岩，而泥岩、砂质　

泥岩占了较大比例，阻水性能较好，有利于安全开　采。图２为煤层底板等高线的模拟云图，该图较好　

揭示了煤层底板断层构造，除了一条较大的断层外，　

其余地质构造并不明显，因此，也说明只要采区合理　设计，开采１６煤层是可行的。　

表２奥灰顶部至ｌ６煤层底岩性情况　

图２煤层底板等高线模拟云图　

３　奥灰水上开采１６煤层的安全性分析　

３．１巷道掘进安全性　根据文献［１］附录五中掘进巷道底板隔水层安　

全水压值的计算公式，可以计算安全水压值：　

Ｐ　车　ｔ　（３）　

式中，Ｐ为底板隔水层能承受的安全水压；ｔ为隔水　层厚度，取钻孔显示的最小距离４４．７３　ｍ；Ｌ为巷道　

宽度，取巷道实际宽４　ｍ加上松动圈宽３　ｍ，即７　ｍ；　ｙ为底板隔水层平均重度，取０．０２７　ＭＮ／ｍ　；Ｋ　为　咖　鲫　伽　瑚　ｌ　昌、　

一　㈣　咖啪咖　瑚　

—■■■■■■■■■●■　２０１３年第５期　撖字靖，等：带压采煤底板突水危险性分析　总第２０９期　

底板隔水层的平均抗拉强度，根据岩石力学性质试　验资料，取煤底板砂质泥岩抗拉强度１．２１　ＭＰａ。　

将数据代入计算，可得安全水压Ｐ：１００　ＭＰａ。　由于该矿井奥灰水位最高标高为１　１２４．２　ｍ，最低开　

采水平为８６０　ｍ，水压最高为２．６４　ＭＰａ，远小于１００　ＭＰａ，所以在正常地段，巷道掘进是安全的　。　

３．２　回采过程中安全性　３．２．１突水系数评价　依据相关文献，采用式（４）来计算突水系数和　采煤工作面的安全水压。　

Ｐ＝Ｔ　・Ｍ　（４）　式中，　为临界突水系数；Ｐ为作用于底板隔水层的　

水压力，由奥灰水水位和隔水层底板标高确定。根　据井田内和周边的２个奥灰水源井资料，取较大值　

１　１２４．２　ｍ；Ｍ为隔水层厚度，由于隔水层厚度相对　

稳定，为安全起见，取隔水层最小值Ｍ＝４４．７３　ｍ。　根据文献［１］附录四，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，开采是安全的。由式（４）可以求得当　为０．０６　ＭＰａ／ｍ时，１６煤层安全水压为２．６８　ＭＰａ，　

此时１６煤层底板标高为＋９００．５５　ｍ。因此，在开采　１６煤层的最低标高８６０　ｍ至９００．５５　ｍ时，存在突　

水的可能性，因此在煤矿生产过程中低于９００　ｍ的　煤层均设为保护煤柱不予开采，这样为安全生产提　

供有效的保障。　３．２．２断层水害评价　

（１）断层导水规律。断层的导水性取决于诸多　

因素，首先是断层性质，落差大小，断层带的物质组　成、破碎程度及胶结状态；其次是断层两盘的岩性、　主要含水层的富水性、水压的大小；另外，采掘活动　

也能改变断层的导水性。当断层与其他主要含水层　有水力联系时，就会成为开采煤层的突水通道而引　

发突水。　（２）该矿断层导水特点分析。综合考虑奥灰水　

压、隔水层厚度、断层等因素的影响，认为该矿断层　抽水试验表明断层的渗透性弱，但从其他矿井抽水　

资料看，断层具有一定的导水性。因此，该矿井断层　具有导水的可能性，断层附近是奥灰水进入掘进工　

作面的危险区。综合考虑该矿井和其他矿井的抽水　试验资料，认为落差大于等于１０　ｍ的断层在其防水　

煤柱范围内为警戒区，落差小于１０　ｍ的断层在其两　

侧２０　ｍ内为警戒区。根据突水系数值和断层的分　布状况，绘制了１６煤奥灰承压水上开采的安全分区　图（图中画斜线处须留设防水煤柱），从图３可以看　出，该矿井大部分区域回采是安全的，但在断层附近　回采具有一定的危险性，须采取措施保证回采安全。　

８００　

６００　ｇ　４００　

２００　

Ｏ　２００　４００　６００　８００　１　ｏｏｏ１　２００１　４０Ｏ１　６００１　８００　ｙ／ｍ　

图３煤层底板等高线防水煤柱的留设区域　

４　结论　

（１）从区域资料分析，奥灰富水性不均一，据桌　子山煤田白云乌素矿区钻孔抽水试验资料，单位涌　

水量ｑ＝０．３１７～０．３４９　Ｌ／（ｓ・ｍ），富水性中等。该　井田内的水源井Ｑ＝２　４００　ｍ　／ｄ，在局部特别是断　层带附近有强径流带存在。　

（２）１６煤底板至奥灰顶界最小间距为４４．７３　ｍ，岩性包括泥岩、细砂岩、砂质泥岩，它们都可以认　为是隔水层。该矿区的隔水层中砂岩具有较强的抗　

压能力，泥岩和砂质泥岩具有较好的阻水能力，其中　软岩比例达４５％，这种岩性组合有利于ｌ６煤开采。　（３）根据抽水试验和邻区资料分析，该井田内　

断层具有一定的导水性能。因此，在断层附近采掘　具有一定危险性，须留设煤柱或采取其他水害防治　方法　

参考文献：　

［１］　国家安全生产监督管理总局．煤矿防治水规定［Ｍ］．北京：煤　炭工业出版社，２００９．　［２］　中国矿业大学．正丰矿业有限责任公司双欣煤矿１６煤层奥灰　带压开采安全性论证［Ｄ］．徐州：中国矿业大学，２０１０．　［３］　邱秀梅，王连国．断层采动型突水自组织临界特性研究［Ｊ］．山　东科技大学学报：自然科学版，２００３，２１（１）：５９－６１．　［４］　王作雨，刘鸿泉．承压水上采煤［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，　１９９３．　［５］Ｗａｎｇ　Ｊ．Ａ．，Ｐａｒｋ　Ｈ．Ｄ．Ｃｏａｌｍｉｎｉｎｇ　ａｂｏｖｅ　ａ　ｃｏｎｆｉｎｅｄ　ａｑｕｉｆｅｒ［Ｊ］．　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｏｃｋ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，　２００３，４０（４）：５３７－５５１．　［６］　王梦玉．煤层底板突水机理及预测方法探究［Ｊ］．煤炭科学技　术，１９９７（９）：２３－２８．　［７］　胡耀青，赵阳升，杨栋，等．承压水上采煤突水的区域监控理论　与方法［Ｊ］．煤炭学报，２０００，２５（３）：２５２．２５５．　（责任编辑：刘欢欢）　

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