平顶山矿区煤层岩层抗水压性能评价

平顶山矿区目前的主采煤层为戊组、已组和庚煤层。其中已煤和庚煤层是重点开采煤层，为了研究其顶、底板的抗水压性，在全矿区内先后采集362个岩样进行了岩石物理力学性质测试。同时，在七矿井下还进行了原位水力压裂试验。现对已煤和庚煤顶、底板岩层的抗水压性，并以七矿为实例进行叙述：

一、煤层顶板岩层的抗水压性

（一）已煤顶板抗水压性及防水防砂煤柱

平顶山矿区主采煤层的地层柱状如图7－67所示。

从图6－65可看出，已煤的直接顶板为泥岩，间接顶板为二叠系下石盒子组含水砂岩层，厚16m。庚组煤（庚20）的直接顶板为L6灰岩含水层。据岩石力学测试，已组煤的顶板岩样（已16－17的直接顶板）泥岩单轴抗压强度为22.09～58.31Mpa，平均为38.7Mpa。属于中硬型顶板岩层。

在开采已组煤层时，将在其顶板形成冒落带、导水裂隙带和整体移动带。其冒落带的最大高度（H1）和裂隙带最大高度（H2）可分别由下式求出：

式中，M为煤层厚度，n为分层开采的层数。

本矿区内已组煤厚约4～6m，分2～3层开采，将这些数据代入上式后，可求出H1＝12.78m～14.91m；H2＝45.6m～51.05m或H2＝44.06m～48.90m。因此，开采已组煤时在顶板产生的破坏带高度约为51m，而顶部下石盒子组含水砂岩层距已16－17煤层只有25～30m，这样间接顶板的下石盒子组砂岩含水层中的地下水就会通过采动破坏带而进入矿井。故开采已煤前应对顶板砂岩含水层进行预疏干。

为防止煤系地层露头部位含水层中的水和流沙溃入矿井，应留设防水或防沙煤柱。

防水煤柱的高度HW是

HW＝HZ＋H保

式中＋H保—保护层厚度（m），一般取6～10m

故　HW＝51＋10＝61m

在本矿区的本部地区的矿井，由于煤系地层露头上方是第三系泥灰岩或第四系松散层，这个防水煤柱高度可作为设计已煤开采上限的煤柱高度的参考。

但在本矿区东部单元地区的矿井，由于煤系地层露头部位无大的含水体和流沙层，保护层厚度可小于10m，这样可提高回采上限。如若仅防沙，则此时煤柱高度HW＝H1＋8＝12.78＋6≌19m。

图7－67　煤系地层柱状示意图

（二）庚煤顶板抗水压性及防水防沙煤柱

从图7－67可以看出，庚20煤的直接顶板为石炭系的L6灰岩。L6灰岩的抗压强度约为107.37Mpa，属于坚硬岩层。庚煤开采时的主要参数为：煤层厚M＝2m，分层数，n＝1，煤层倾角α＝25°，利用下述有关公式，可求出顶板裂隙破坏带的最大高度H2

计算得H2＝53.34～56.65m。

由于庚组煤上方的石炭系只有50m左右的厚度，所以开采庚煤时，不仅L6灰岩含水层中的地下水会涌入矿井，而且L1～L5灰岩含水层中的地下水也会涌入矿井。因此在开采过程中，应首先对顶部灰岩含水层进行预疏干。

二、煤层底板岩层的抗水压性

（一）已煤底板

已14煤的直接底板为厚5m左右的砂质泥岩及细砂岩；已16煤的直接底板为厚11m左右的泥岩；已16－17煤的直接底板为厚8m左右的砂质泥岩，向下即为太原组的L1和L2灰岩含水层。

目前常用的评价底板抗水压性的方法有：临界水压值方法、突水系数法、多源信息拟合法、聚类分析法、力学分析法等。但总的说来，底板的抗水压机理研究还不成熟。

在石炭系的七层灰岩，L7和L2灰岩分布稳定，厚度大，是本区的主要含水层。L7灰岩是庚21煤层的直接底板，它距已16－17煤层一般为60m左右。L2灰岩的富水性仅次于L7灰岩，它距已煤层3～7.8m，一般为10m左右。

开采已16－17煤层时，矿山压力对已煤层底板砂质泥岩的破坏深度为3～5m，最大可达10m左右。所以，L2灰岩中的水可以直接进入采区，因此在开采时必须进行预疏干处理。由于L7灰岩与已煤层之间，存在有50～60m厚的泥岩、砂质泥岩和细砂岩以及3～5层薄煤层，所以在无断层的地区，L7灰岩中的水不会突破已煤层的底板进入采空区。

（二）庚煤底板

庚组煤（庚21煤）的直接底板是L7灰岩，其下是本溪组的铝土质泥岩，再往下是寒武系的灰岩。

由于隔水层的缺失及断裂构造的作用，L7灰岩含水层与寒武系灰岩含水层具有密切的水力联系，因此寒武系的地下水可以通过L7灰岩含水层涌入矿井。从这个意义上来说，庚煤底板是不具备抗水压性能的，必须疏干方可开采。

而庚20煤层与底板L7灰岩之间又有4～6m泥岩相隔，据力学试验和井下水力压裂试验所测得庚组煤附近铝土质泥岩的抗拉强度σccp＝1.67Mpa，属软质岩层，而底板下为L7灰和寒武系强含水层，深部采区承压水水压又大，煤层开采矿山压力对底板的破坏深度一般3～5m，剩余完整底板泥岩层抗水压的能力是很小的。故开采庚20煤层前必须预先疏干L7中地下水，才能保证安全生产。

三、七矿已煤和庚煤顶底板岩层的抗水压性能

（一）七矿地质、水文地质条件

七矿位于平顶市西侧，原设计生产能力90万吨／年，1987年扩建为120万吨／年。北侧为三矿、四矿，西侧为五矿，东侧为市区。矿井范围内地势变化相对较小，地面标高＋90～100m，地形呈东南低西北高之势。南部与白龟山水库相连的干渠。在构造上，七矿位于李口复向斜西南翼的次一级郝堂向斜范围内。

基岩在南侧露头区被第三系泥灰岩含水层所覆盖，第三系泥灰岩层沟通了各含水层的水力联系，同时，它接受地表水下渗补给和大气降水入渗补给，特别是白龟山水库北干渠水的下渗补给显得较明显。图7－68是二号井与三号井中间的第37勘探线水文地质剖面图。从图中可看出，各含水层之间的水力联系较好，水文地质条件比较复杂。

图7－68　37勘探线水文地质剖面图

煤系地层为太原组、山西组和石盒子组，总厚达800m±，含七组煤，由上而下分别为甲、乙、丙、丁、戊、已和庚组煤。主要可采煤层为 庚20、已17、已16、已15、戊10、戊9、戊8、丁8和丁5煤层。本矿二水平的可采煤层仅有三个：庚20、已16－17、已15，已15煤平均厚1.0m，已16－17煤在已15煤之下5～15m，厚0～9m，平均3.5m，有一层厚约0.8m的炭质泥岩伪顶，已16－17是目前矿井的主采煤层。已组煤之下为太原组地层，厚40～97.5m，中间夹7层灰岩，自上而下分别记为L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7灰岩，灰岩总厚40m±，其中L2和L7灰岩厚度较大且稳定，含水较丰富，L1灰是已16－17煤的底板，厚度较小，其下为厚度不稳定的砂质泥岩、粉细砂岩。它们的下面是L2灰岩，L2灰岩之下为L3灰岩，它是燧石质灰岩，L2＋L3灰岩厚10～15m，L3与L4灰岩之间为细砂岩、泥岩，厚度稳定达8～10m。L4灰岩有三层灰岩，总厚4～5m，其下为砂岩，L5和L6灰岩不稳定，厚度较小。L6灰之下下庚20煤层，厚度不太稳定，大部分可采，平均厚1.6m。庚20煤之下为砂质泥岩，夹庚21煤层，厚1.5～3.0m。其下为L7灰岩，厚8.0～11.0m。最底部为铝土质泥岩，厚3～5m。L2灰岩之下的细砂质泥岩的太原组地层之下为上寒武系固山组厚层白云质灰岩和张夏组灰岩层。

七矿已组煤和庚组煤层的底板地层柱状如图7－69所示。

图7－69　平顶山矿务局七矿已组和庚组煤层底板地层柱状图

从图6－67可以看出已16－17煤层平均厚3.5m，它的下面是太原组地层，平均厚55～75m，中间夹7层灰岩，其中L2和L7灰岩厚度都在8m以上，分布稳定，含水丰富，L2距已16－17煤只有7～11m，岩性为砂质泥岩和粉细砂岩。据七矿井下对已16－17煤层底板砂质泥岩和粉细砂岩水力压裂试验，底板砂质泥岩和粉细砂岩的抗水压能力是0.425Mpa／m。

庚20煤层直接底板是砂质泥岩，粉细砂岩和泥岩互层，厚度春有5～6m，下面是庚21煤层，厚为1.5～3m，庚21煤直接覆盖在L7灰岩之上，中间无隔水层。L7灰岩与煤系基底上寒武系灰岩之间只有3～5m的本溪组铝土质泥岩相隔，铝土质泥岩的抗压强度和抗拉强度都小，属于软弱岩层，从厚度和抗水压强度上讲，铝土泥岩是不具备抗水压性能的。(www.xing528.com)

（二）七矿已16－17煤层底板抗水压性

七矿地面标高＋90～＋100m，今后七矿已16－17煤层开采深度在－150m水平以下，目前L2、L7灰岩含水层和寒武系灰岩含水层水位在＋88m左右。已16－17煤层底板距L2灰岩7～11m，平均8m，煤层底板岩性为砂质泥岩和粉细砂岩，试验测得每米抗张强度为0.425Mpa，矿山压力对底板岩体破坏深度3～5m，取平均值4m。

根据以上条件，得知：

1.已16－17煤层底板承受L2承压含水层的静水压力。　－100m水平是＋88（－100）＝188m水柱压力，或1.88Mpa静水压。　－150m水平是＋888－（－150）＝238m水柱压力，或2.38Mpa静水压。

2.未破坏的底板能承受的压力是5.0×0.425Mpa＝2.125Mpa。

3.已16－17煤层底板砂质泥岩和粉细砂岩，在－100m水平段具有阻抗该水平底板下L2承压含水层的静水压力的能力。但在－150m水平段需降低L2含水层的承压水的水压（降低水位30m左右）。

（三）七矿庚组煤顶底板抗水压性

1.庚20煤层顶板抗水压性

庚20煤的直接顶板是L8灰岩，厚1～2m，是坚硬岩层，其上是泥岩、细砂岩、薄层灰岩（L5、L4、L3），砂质泥岩互层，层厚40m，L2灰岩是庚20煤层顶部的含水性强的承压含水层，距庚20煤层40m左右。

庚20煤开采时，矿山压力对顶板的破坏产生的导水裂隙带高度为54～57m，大大超过庚20煤层顶板的砂质泥岩、细砂岩、泥岩、薄层灰岩的层厚（40m），导水裂隙带已延伸至L2灰岩含水层内，L2灰岩中地下水将溃入矿井，使顶板泥岩、砂质泥岩失去抗水压能力。故开采庚20煤层前必须预先疏干L2灰岩中的地下水。

同样，庚21煤与庚20煤间只有厚5～6m的砂质泥岩、砂岩和泥岩，庚21煤开采时，L2灰岩的水会溃入矿井。

2.庚20煤与庚21煤底板抗水压性能评价

庚21煤层直接底板是L2灰岩，无隔水层存在，不具备底板抗水压性能。

庚20煤层直接底板是厚度5～6m的砂质泥岩、细砂岩和泥岩，矿山压力破坏底板深度3～5m，剩余较完整岩段只有1～2m，阻止不了L7灰岩承压水的水压，实际上也无阻水能力。故庚20煤和庚21煤的底板岩层，在开采条件下均失去抗水压能力。据此，庚20煤和庚21煤在开采条件下，水文地质条件极其复杂，防治水很困难。

四、结论

（一）平顶山矿区位于断块隆起带，四周边凹陷带包围。凹陷带内沉积上千米的新生界沉积物，它们与断块隆起区煤系地层之间均以高角度正断层相隔，使平顶山煤田处于一相对独立的水文地质单元。矿区内西南部为基岩地下水的补给区，煤系基底寒武系灰岩和上石统太原组L7和L2灰岩是煤矿主要的充水水源，它们是开采庚组煤和已16－17煤层矿井突水的潜在危险。

（二）锅底山正断层断距100～270m，该断层将李口向斜南翼分割成两部分，寒武系灰岩被断开，东侧的寒武系灰岩和西侧二叠系砂质泥岩、砂岩对接，两侧的水力联系中断，从而使两侧的水文地质条件产生较大差异，本部水文地质单元内的五矿、七矿、九矿和十一矿的水文地质条件较复杂，开采已组煤和庚组煤时，矿井底板突水危险性大，矿井防治水工作难度大。而东部水文地质单元内的一矿、二矿、三矿、四矿、六矿、八矿、十矿和十二矿的水文地质条件相对简单，已组和庚组煤的顶底板含水层的地下水以静储量为主，补给量有限，防治水工作相对简单，可以采取预疏干或降低水压的方法来开采这些煤层。

（三）通过全局采集的62个岩样的室内岩石力学性质试验测定出

综合上述得知：

灰岩和砂质坚硬岩层抗压和抗拉强度比值为23.5。

砂质泥岩、泥岩和断层带风化带的软弱岩层抗压和抗拉强度比值为16.1。

（四）七矿井下钻孔水力压裂试验，获得已16－17煤层和庚20煤层底板砂质泥岩和细砂岩段抗水压能力为每米岩层0.425Mpa，断层带岩层抗水压能力是0.125Mpa／m。

（五）已16－17煤层开采后，矿山压力对顶板产生的导水裂隙带高度为51m，将引起顶板上方25～30m处的下石盒子组砂岩裂隙水进入井下，故在开采条件下，已16－17煤层顶板25～30m厚的砂质泥岩、细砂岩和泥岩岩层不能起阻水作用，开采已16－17煤层应预先疏干顶板砂岩含水层中的地下水。

在西部地区的矿井为防止第四系板松散层和第三系泥灰岩层的地下水流入矿井，应留设防水煤柱，防水煤柱高度HW＝61m。在东部地区的矿井，因煤系地层露头部位无大的含水体，可只留防沙煤柱，其高度为19m。

庚20煤层顶板以上赋存有太原组的L1～L8几层灰岩，其中L2是富水性强、厚度大的强含水层，它与庚20煤相距40～50m，矿山压力对顶板岩层破坏的高度是54～57m，故开采条件下，庚20煤层顶板之上的40～50m的泥岩、砂岩和砂质泥岩实际上不能起阻水作用，为防止顶板突水应对顶板灰岩含水层进行预先疏干。

（六）开采深部已16－17煤层时，底板下L2灰岩含水层承压水引起矿井突水问题与开采深度有关。以七矿为例。

开采－100m水平的已16－17煤层，L2灰岩承压水的水压为1.88Mpa，煤层底板未遭矿山压力破坏保持原来岩层抗水压能力为2.125Mpa，具有阻抗该水平下承压水的能力，能起阻抗水作用。

但开采－150m水平的已16－17煤层时，L2灰岩承压水的水压为2.38Mpa。已超过底板岩层抗水压的能力，为防止底板突水应预先疏放底板L2含水层的地下水，降低水压才能保证安全开采，应降低水位30m左右。

庚20煤和庚21煤层的底板距L7灰岩和寒武系灰岩承压水只有0～10m，故底板岩层不能起阻隔水作用。防治庚20和庚21煤层底板突水工程复杂，一般只能以疏排为主。