1. 引言
近年来，随着浅层煤炭资源逐渐的开采枯竭，一些煤田逐渐开始开采下组煤层，而下组煤层往往会受到奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层的威胁。因此，国内外学者为了能够更好地解放下组煤层煤炭资源，开始从各自的专业领域，结合当前的先进技术与理论，从下组煤层底板突水机理、预测与防治等各方面进行了研究，并取得了一定的研究 [1] [2] [3] [4] [5]。通过文献分析研究，发现这些研究观点主要集中在奥灰水水压在传导中的变化对煤层底板的作用大小，把奥陶系灰岩层当作含水层，往往却忽略了其岩层本身的隔水性，尤其是在对下组煤突水性评价时，简单地认为下组煤层埋藏越深，其奥灰水的压力越大，突水的可能性也就越大。
随着下组煤层的开采及水文地质勘探的揭露，越来越多的学者认识到了下组煤底板至奥陶系灰岩顶部，岩溶裂隙不发育可能能够作为隔水层。例如，在白海波 [6] 等人提出下组煤层奥陶系峰峰组顶部存在隔水层并可作为隔水关键层的观点后，牟林、唐鑫、李春意、施龙青等开展了奥陶系峰峰组顶部隔水层的成因理论和隔水性能测试等研究 [7] [8] [9]。从地层运动的角度来讲，在加里东期，华北煤田奥陶系顶界面以下的岩溶型风化壳，经成熟的风化产物充填，在晚古生代地层沉积、充填和压实胶结作用下形成隔水层 [10] [11]。本文以沁水煤田永红煤矿为例，与以往的研究不同的是，本研究不仅仅分析研究奥灰顶部隔水层厚度，而且也分析研究了下组煤底板至奥灰顶界面的隔水层厚度，二者叠加后获得下组煤底板开采的有效隔水层厚度，最后对下组煤层底板突水危险性进行了评价，旨在为安全开采受奥灰岩溶水威胁的下组煤层提供一定的科学依据。
2. 井田概况
永红煤矿隶属沁和能源集团有限公司，行政区划属山西省沁水县嘉峰镇，位于沁水煤田东南部，井田面积为9.3398 km2，批准开采3号~15号煤层，生产规模120万t/a，开采深度由+450 m至+230 m；主要含煤地层为二叠系山西组和石炭系太原组，主要可采煤层为3号、9号、15号煤层。由于长期开采，3号煤层资源量已接近枯竭。为了实现永红煤矿可持续长远发展，需要15号煤开拓延深工程，而其开采面临的最大问题是来自煤层基底奥灰岩溶含水层的威胁，为了尽早实现永红矿区15号煤带压安全开采，本研究对永红煤矿下组煤开采底板的隔水性能进行了分析，为15煤的安全开采提供一定的指导。
3. 下组煤底板开采有效隔水层及其厚
3.1. 下组煤底板至峰峰组顶面隔水层
下组煤底板至峰峰组顶面隔水层主要是指回采工作面或巷道底板至奥陶系峰峰组顶板之间的隔水岩层。在以往的研究中一些学者忽略了其底板含水层，仅考虑了奥陶系峰峰组顶部的隔水层，而隔水层岩性、厚度变化对下组煤开采至关重要 [12]。
通过本次钻探及以往钻探资料，15号煤层至奥陶系峰峰组顶面隔水层岩性主要为铝土质泥岩、砂质泥岩。据钻孔资料显示，这些粘土岩本身不含水，泥浆液消耗量很小，具有良好的隔水性能，该岩层厚度薄且分布不均匀，厚度10.88~29.32 m。钻孔实际揭露的15号煤层至奥灰顶面隔水层岩性组合如下图1。
Figure 1. Histogram from No.15 coal seam to Ordovician limestone stratum
图1. 井田15号煤层至奥灰地层柱状图
井田钻孔资料显示的15号煤层到奥灰顶面之间隔水层厚度、岩性及奥灰顶部灰岩段特征见表1。
Table 1. 15 thickness and lithology of aquifuge between coal seam and Ordovician limestone top surface and limestone section characteristics on top of Ordovician limestone
表1. 15煤层到奥灰顶面之间隔水层厚度、岩性及奥灰顶部灰岩段特征
从上表可以看出该部分岩层厚度值在10.88~29.32 m之间，最薄厚度为10.88 m，从总体上来说，15号煤层底板至奥陶系峰峰组顶面间的岩层厚度全部在30 m以下。就钻孔岩层分布和岩性而言，15号煤层底板至奥陶系峰峰组顶面岩层主要为太原组一段下部和本溪组岩层，该段岩层岩性组合主要为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、铝土泥岩，偶夹薄层石灰岩或泥灰岩，含较多黄铁矿结核，与奥陶系灰岩接触关系为平行不整合接触，该部分岩层具有隔水性，可看作隔水层。
3.2. 奥灰顶部岩层相对隔水层
对于峰峰组这一套浅海相碳酸盐岩地层，总体特征是泥质、SiO2等难溶于水的成分含量较高，具有一定的可塑性，泥质成分遇水后有一定膨胀性，在收到应力作用挤压破坏产生裂隙时，通过变形、泥分膨胀，减少了客观通的渗水裂隙、通道。岩层本身的完整性较好，岩块内部发育的各种小裂隙多被次生方解石脉充填结晶。部分岩层中夹大量角砾，岩层断面发黄，泥分高，具有纹理易变形，表明其海–陆交换沉积环境。
根据本井田及相邻矿井钻孔资料统计，峰峰组相对隔水层厚度在35~44 m之间(见表2)，其中，本井田峰峰组相对隔水层厚度在35~38 m之间。
奥陶系石灰岩的阻水层段主要为峰峰组顶部，其阻水性的强弱直接关系到上马家沟组下部强含水层对煤层开采时的威胁程度，对峰峰组顶部的阻水性加以分析：峰峰组顶部厚50~72.79 m，岩性由灰绿色、灰黑色泥灰岩、泥质灰岩、灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩和角砾状泥灰岩互层组成，质地不均匀，泥质含量高达26%~61%。多呈薄层状，交互成层，垂向变化快，裂隙不发育，裂隙率为1%，且多被泥质充填，透水性弱，可作为隔水层。
奥陶系灰岩中的岩溶发育具有非均质和各向异性的特征，峰峰组隔水层厚度不仅与古沉积环境、地貌等因素有关，还与地下水运动有关。本次勘查经现场测试，YH-1钻孔进峰峰组顶部35 m钻井液几乎没有消耗，进入峰峰组36 m以后钻井液开始出现消耗，相比之前消耗量并不大。YH-2钻孔进入峰峰组顶部36 m钻井液几乎没有消耗。进入峰峰组37 m以后钻井液开始出现消耗，相比之前消耗量略大。YH-3钻孔进峰峰组顶部38 m钻井液几乎没有消耗，进入峰峰组39 m以后钻井液开始出现消耗，相比之前消耗量略大。
Table 2. Statistics of relative aquifuge thickness of Fengfeng formation
表2. 峰峰组相对隔水层厚度统计表
通过现场抽(压)水试验及岩芯采取描述可知，峰峰组岩溶发育情况下部相比顶部发育，总体上看峰峰组富水性弱，而上马家沟组岩溶发育情况相比峰峰组发育，总体上看上马沟组富水性强。本次勘查揭露的永红煤矿峰峰组厚度在106.98~109.79 m之间，考虑到导水构造对底板隔水层隔水性的不利影响，本次仅把峰峰组顶部作为隔水层段。由前人的研究成果可知，当渗透系数K < 0.001 m/d时，可将岩层看作隔水层 [13]，根据压水实验渗透系数在0.000097 m/d~0.000252 m/d之间，可知峰峰组上部35 m厚的岩层区域渗透系数的数量级为10−4，峰峰组上部35 m之后渗透系数及流量发生突变，并且岩层区域渗透系数的数量级为10−3。由此可得，峰峰组顶部35 m层段岩层的总体透水性微弱，作为相对隔水层。
结合以往文献中的研究成果，在15号煤层底板完整地段开采时，为保证煤层的安全开采，本研究统一取峰峰组顶部35 m厚度的灰岩作为相对隔水层。在实际开采中可根据进一步的针对性的水文地质勘探资料作适当调整。
3.3. 下组煤底板开采有效隔水层
永红煤矿15号煤开采底板有效隔水层由两部分构成，即15号煤层底板与峰峰组顶界面间的隔水层与峰峰组顶部相对隔水层。此处奥陶系峰峰组顶部相对隔水层段根据上章研究分析的厚度为35 m左右，而15号煤层底板与奥陶系峰峰组顶界面间的隔水岩层厚度，见表3。综合考虑，可得永红煤矿有效隔水层厚度在45.88~64.32 m之间，详见下表3。
Table 3. List of effective aquiclude thickness of No.15 coal seam
表3. 15号煤有效隔水层厚度一览表
根据所计算的各钻孔处的有效隔水层厚度值，绘制永红煤矿15号煤层有效隔水层厚度等值线图空间分布图(图2)。
Figure 2. Contour line of effective water resisting layer thickness of No.15 coal seam floor
图2. 15号煤底板有效隔水层厚度等值线
4. 下组煤底板突水危险性评价
目前，针对下组煤底板突水危险性评价，主要采用的方法为突水系数法，突水系数法是将突水系数临界值作为了下组煤层底板突水性的标准，该方法有物理概念明确，简单实用的特点，在煤矿生产实践中获得广泛应用，并被编入《煤矿防治水细则》、《矿井安全规程》、《矿井水文地质规程》中 [14]，其公式如下：
(公式1)
式中：
——突水系数，MPa/m；P——隔水岩层底面承受的水压值，MPa；M——等效隔水层厚度，m。
永红煤矿整个15号煤层全部带压，在15号煤采掘的过程中将会受到底板突水的威胁。根据《煤矿防治水细则》中的规定，当15号煤层底板受构造破坏地段突水系数一般不得大于0.06 MPa/m，隔水层完整无断裂构造破坏的地段不得大于0.1 MPa/m时，15号煤层突水的可能性较小。
根据《煤矿防治水细则》中规定的计算方法，将峰峰组隔水段因素考虑进去，不考虑底板扰动深度，15号煤底板突水系数见表4，突水系数等值线见图3。
Table 4. Effective water resisting layer thickness and water inrush coefficient of No.15coal seam floor mining
表4. 15煤层底板开采有效隔水层厚度及突水系数一览表
由表4可知，全井田范围内15号煤层底板突水系数小于0.06 MPa/m。由此可知，考虑峰峰组相对隔水层厚度对改善15号煤层带压开采条件意义重大。另外，由于考虑了相对隔水层厚度之后，底板带压值也会相应增大，在原本突水系数很小的区域，也可能计算出突水系数增大的情况，这是由于突水系数公式本身所决定的，并不代表该位置的计算结果有误 [15]。
通过钻探取芯，井田内15号煤层底板至奥陶系峰峰组顶界面之间泥岩的平均厚度为18 m左右。如果在15号煤层开采过程中，由于采动条件、奥灰强大的水压以及地质构造的影响，在两个含水层之间产生沟通通道，对开采15煤产生很大的威胁，所以本文在研究突水系数时有效隔水层厚度取奥灰含水层顶部相对隔水层至15号煤底面之间岩层的厚度。井田周边寺河煤矿利用峰峰组顶部的相对隔水层15号煤层工作面已形成，说明了峰峰组顶部相对隔水层对15号煤层的带压开采有重要的意义。
Figure 3. Contour map of water inrush coefficient of No.15 coal seam considering water resisting property of Fengfeng formation
图3. 考虑峰峰组隔水性能15号煤突水系数等值线图
综合分析，在得出15号煤层有效隔水层厚度在45.88~64.32 m之间的基础之上，所计算的永红煤矿全区突水系数小于0.06 MPa/m。从图3可以看出，突水系数由从南往北逐渐增大的趋势。井田北部的突水危险性要高于井田南部。根据《煤矿防治水细则》相关要求，永红煤矿全区突水系数小于0.06 MPa/m，适用于采煤工作面。
5. 结论与建议
5.1. 结论
1) 本文通过以往钻孔与本次施工的钻孔，分析研究了15号煤层底板至峰峰组顶面隔水层，并得出了15号煤层煤底板至峰峰组顶面隔水层厚度值在10.88~29.32 m之间，最薄厚度为10.88 m；
2) 通过现场抽(压)水试验及岩芯采取描述可知，根据压水实验渗透系数K < 0.001 m/d可作为隔水层，可知峰峰组顶部35 m层段岩层的总体透水性微弱，作为相对隔水层；
3) 永红煤矿15号煤开采底板有效隔水层由两部分构成，即15号煤层底板与峰峰组顶界面间的隔水层与峰峰组顶部相对隔水层，综合考虑，永红煤矿有效隔水层厚度在45.88~64.32 m之间；
4) 通过计算，永红煤矿全区突水系数小于0.06 MPa/m，突水系数由从南往北有逐渐增大的趋势，井田北部的突水危险性要高于井田南部。根据《煤矿防治水细则》相关要求，永红煤矿全区突水系数小于0.06 MPa/m，适用于采煤工作面。
5.2. 建议
1) 坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则，开展水害预测预报工作和正常的水文地质观测、编录工作。
2) 奥灰突水的发生受多种因素的影响，导水断层、裂隙密集带或导水陷落柱是主导因素，虽然目前井田内断层、陷落柱等构造不发育，但不排除存在隐伏构造的可能性，故在后期15号煤巷道掘进和工作面回采过程中一定要注意防范隐伏构造，加强隐伏构造的精细化探测及防治工作。
3) 本次研究过程中采用了部分寺河煤矿的水文地质勘探数据，寺河煤矿距永红煤矿有一定的距离。因此，建议在未来开采15号煤时，应根据开采过程中实际揭露情况，及时研究论证隔水层厚度及突水影响。