雙柳煤礦開采上組煤層太灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

狄效斌

(山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，山西 太原 030031)

·問題探討·

雙柳煤礦開采上組煤層太灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

狄效斌

(山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，山西 太原 030031)

雙柳煤礦4號(hào)煤層存在底板太灰水帶壓開采問題，文中在概述井田內(nèi)太灰水貯存特征的基礎(chǔ)上，分別利用突水系數(shù)法和多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)法進(jìn)行了太灰水對(duì)4號(hào)煤層突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，最后疊置二者評(píng)價(jià)結(jié)果做出了綜合評(píng)價(jià)。以期為煤礦防治水工作提供參考依據(jù)。

太灰水;帶壓開采;突水系數(shù);比值系數(shù);綜合評(píng)價(jià)

雙柳煤礦是山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司下屬的大型生產(chǎn)礦井之一。礦井目前開采一水平山西組 3#、4#煤層(上組煤)，實(shí)際生產(chǎn)能力 300萬t/年。一水平標(biāo)高+585 m，太灰水水位標(biāo)高+710 m，礦井存在太灰水帶壓開采問題［1］。為了有效預(yù)防及控制太灰水突水的發(fā)生，為礦井防治水規(guī)劃提供參考依據(jù)，有必要開展太灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，對(duì)煤礦防治水具有一定的指導(dǎo)意義。

1 礦井概況

雙柳煤礦位于山西省河?xùn)|煤田中部，離柳礦區(qū)西部，行政區(qū)劃屬呂梁地區(qū)柳林縣管轄。井田面積約30 km2。地貌單元上屬構(gòu)造—侵蝕低山丘陵黃土地貌。地層由老至新有:下古生界奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組、上馬家溝組、峰峰組;上古生界石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組;二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，上統(tǒng)上石盒子組及石千峰組;新生界第三系、第四系。本區(qū)地層中的主要含水層自上而下可分為:松散巖類孔隙水潛水含水層、煤系地層砂巖裂隙承壓含水層、石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓含水層和奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓含水層。

井田所在區(qū)域地質(zhì)工作開展歷史較早，地質(zhì)研究程度相對(duì)較高，積累了較豐富的地質(zhì)基礎(chǔ)資料，同時(shí)曾先后開展了水文地質(zhì)補(bǔ)勘工作，為本次太灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供了參考依據(jù)。

2 井田太灰水貯存特征

2.1 含水介質(zhì)組合及水文特征

石炭系上統(tǒng)太原組主要含水層為L(zhǎng)1～L5薄層石灰?guī)r，灰?guī)r的單層厚度 2.50～12.75 m，累計(jì)厚度27.83 ～34.26 m，平均厚度 29.96 m，含石灰?guī)r層的厚度(L1～L5之間厚度)39.50 ～47.71 m，平均厚度42.44 m，約占整個(gè)太原組厚度的35% ～53%。屬碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓含水層，其中以灰?guī)r含水為主。

灰?guī)r含水層為深灰色，中厚層狀，泥晶—微晶結(jié)構(gòu)，致密、堅(jiān)硬，其礦物成分以方解石為主，其含量約占70% ～90%，生物碎屑約占15% ～20%，含少量泥質(zhì)。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，各孔均有一定程度的構(gòu)造裂隙、層面裂隙及節(jié)理裂隙發(fā)育的跡象，但發(fā)育程度有所差異。據(jù)鉆孔巖芯鑒定，巖溶形態(tài)以溶隙為主，其次為溶孔。裂隙的開啟程度及其連通性各孔也有所不同，部分裂隙被方解石脈或泥質(zhì)所充填，總體呈半充填—全充填，以半充填為主。據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)資料，單位涌水量 0.002 03 ～0.912 211 L/s·m，滲透系數(shù)0.005 72 ～0.211 79 m/d，水質(zhì)類型主要為 SO4·HCO3－Na·Mg(Ca)型和 HCO3·Cl－Na型，礦化度1.3 ～3.6 g/L。

2.2 地下水補(bǔ)徑排條件

2.2.1 補(bǔ)給條件

太灰水的補(bǔ)給來源有以下三種形式:1)在井田外圍即東部煤層露頭線一帶及太灰淺埋區(qū)，可直接接受大氣降水入滲補(bǔ)給，其次是地表水的間歇性滲漏補(bǔ)給。2)在上覆隔水層厚度變薄缺乏穩(wěn)定隔水底板的局部地段，可接受上覆含水層裂隙水的下滲越流補(bǔ)給。3)在區(qū)域太灰水位整體下降的背景下，由于本礦風(fēng)井受長(zhǎng)期排水影響，從而進(jìn)一步形成了以風(fēng)井為中心的局部水位下降漏斗，因水力坡度增大，可襲奪來自北面、南面太灰水的側(cè)向徑流補(bǔ)給，以及來自下游(西面)太灰水的反補(bǔ)。

2.2.2 徑流條件

太灰水的徑流條件非常復(fù)雜。在井田區(qū)太灰含水層隱伏于新生界及二疊系P2s、P1x、P1s地層之下，且為含、隔水層相互疊置組合結(jié)構(gòu)。據(jù)分析，在自然狀態(tài)下，地下水流向主要受地形條件及構(gòu)造條件所控制，亦沿地勢(shì)下跌及地層傾向由東向西以接近地面坡降的水力坡度水平徑流。但在礦井排水及風(fēng)井長(zhǎng)期排水的狀態(tài)下，地下水的徑流條件會(huì)出現(xiàn)明顯改變，從太灰水位流場(chǎng)可以看出，以風(fēng)井為中心，漏斗形態(tài)很不對(duì)稱，西面水力坡度很陡，東、北、南三面則緩，由此可以判定，太灰水是由漏斗四周向風(fēng)井中心一帶運(yùn)移、匯集。

2.2.3 排泄條件

太灰水的排泄方式也較為復(fù)雜。在自然狀態(tài)下，一般是潛流形式由淺埋區(qū)向深埋區(qū)緩慢徑流，或在構(gòu)造發(fā)育或隔水層變薄地段，可越流補(bǔ)給下伏含水層中地下水;在礦井排水狀態(tài)下，采礦活動(dòng)直接或間接揭露含水層后，礦坑疏干排水成了太灰水的主要排泄方式。

3 太灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

為合理評(píng)價(jià)太灰水對(duì)開采上組煤層的突水危險(xiǎn)性，本次采用突水系數(shù)法和多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)法兩種方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過兩種方法的相互對(duì)比驗(yàn)證，最終采用可靠的評(píng)價(jià)結(jié)果［2］。

3.1 突水系數(shù)法

3.1.1 突水系數(shù)計(jì)算方法

突水系數(shù)即單位隔水層厚度所承受的水壓，而臨界突水系數(shù)則為單位隔水厚度所能承受的最大水壓。用突水系數(shù)法預(yù)測(cè)煤層底板突水，公式易于理解，計(jì)算簡(jiǎn)單，它基本能反映底板突水因素的綜合作用。主要影響因素有水壓和隔水層厚度，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

式中:

T—突水系數(shù)，MPa/m;

P—底板隔水層承受水壓，MPa;

M—底板隔水層厚度，m。

計(jì)算參數(shù)確定:

1)底板隔水層厚度:

根據(jù)井田內(nèi)勘查鉆孔資料，隔水層厚度為39.12～69.18 m。

2)煤層底板隔水層承受水壓:

煤層底板隔水層承受水壓=太灰初始靜水位－隔水底板標(biāo)高。

根據(jù)《汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司雙柳煤礦水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告》(煤炭科學(xué)研究總院西安研究院，2007年)，太灰自然水位標(biāo)高為710 m。

3)臨界突水系數(shù):

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國家煤礦安全監(jiān)察局，2009)底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m。據(jù)山西、河北、河南、山東一些礦區(qū)多年的開采經(jīng)驗(yàn)，區(qū)域臨界突水系數(shù)一般介于0.060～0.150 MPa/m。本文臨界突水系數(shù)取0.06。

3.1.2 突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果

采用突水系數(shù)公式，分別計(jì)算17個(gè)鉆孔太灰水對(duì)上組煤層的突水系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 太灰水對(duì)4#煤層突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總表

根據(jù)以上各孔的突水系數(shù)值，經(jīng)過GMS軟件處理后繪制出太灰水對(duì)4#煤層的突水系數(shù)等值線圖， 見圖1。

圖1 太灰水對(duì)4號(hào)煤層突水系數(shù)等值線圖

從圖1可以看出:T的范圍為0.005～0.008，虛線為0.06等值線，虛線以北，即井田的東北區(qū)域T＜0.06，為安全區(qū)，虛線以南，即井田的西南區(qū)域T＞0.06，為不安全區(qū)，鉆孔S4和MS2附近突水系數(shù)比周圍稍大，在礦區(qū)的西南部突水系數(shù)最大，為最危險(xiǎn)區(qū)域。

3.2 多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)法

3.2.1 抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)計(jì)算方法

該方法從力學(xué)角度出發(fā)，突出考慮了隔水底板軟巖與硬巖組合、單層的抗壓強(qiáng)度及總體抗壓強(qiáng)度。其含意為水壓與底板總體抗壓強(qiáng)度比值關(guān)系，當(dāng)比值系數(shù)大于1時(shí)，即水壓大于底板抗壓強(qiáng)度時(shí)就易發(fā)生突水，計(jì)算公式為:

式中:

Tjs—底板多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù);

Mi—底板巖層組合中，各分層的厚度，m;

ki—底板巖層組合中各分層的抗壓強(qiáng)度，MPa/m;

i—層數(shù);

P—煤層隔水層底板承受水壓，MPa。

計(jì)算參數(shù)確定:

1)巖層抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)煤炭部門在山西、山東、河南、河北等礦區(qū)所做的實(shí)驗(yàn)，取得不同巖層每米抗壓強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值見表2。

表2 不同巖層抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值匯總表

2)底板巖層分類。

根據(jù)鉆探、測(cè)井、巖石力學(xué)測(cè)試資料，將底板巖層綜合劃分為以下四類，然后根據(jù)各分層巖石類型的抗壓強(qiáng)度及厚度，計(jì)算底板總體抗壓強(qiáng)度。

Ⅰ類:包括各種砂巖及灰?guī)r

Ⅱ類:包括砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖、鐵質(zhì)泥巖等

Ⅲ類:包括煤、泥巖、黏土巖等

Ⅳ類:斷裂破碎帶

3.2.2 煤層底板抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)計(jì)算結(jié)果

采用多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)公式，通過計(jì)算得出17個(gè)鉆孔煤層底板抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)，見表3。

根據(jù)每個(gè)孔的抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)值，通過GMS軟件處理后繪制出4#煤層底板抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)等值線，見圖2。

從圖2 可以看出:比值系數(shù) Tjs在 0.5 ～4.0，以1.00等值線(粗線)為界，井田的東南部 Tjs＜1，為安全區(qū)域;井田的西部區(qū)域Tjs＞1，為不安全區(qū);在井田的北部有小范圍的區(qū)域Tjs＜1，也為安全區(qū)域。

表3 4#煤層底板多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總表

圖2 4#煤層底板抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)等值線圖

3.3 太灰水突水危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)

將突水系數(shù)等值線圖和多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)等值線圖進(jìn)行比較，疊加在一起，疊加結(jié)果見圖3。

圖3 突水危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)圖

Ⅰ區(qū)為兩種方法計(jì)算都為安全的區(qū)域。

Ⅱ?yàn)槎鄬盈B加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)法計(jì)算為不安全區(qū)域。

Ⅲ區(qū)為突水系數(shù)法計(jì)算為不安全的區(qū)域，Ⅳ區(qū)為兩種方法計(jì)算都為不安全的區(qū)域，稱為高危區(qū)。

為保證安全開采，建議對(duì)于計(jì)算結(jié)果為不安全區(qū)和高危區(qū)必須采取疏水降壓或注漿加固防治水措施，以保證礦井的安全生產(chǎn)。

［1］ 曹小虎.雙柳煤礦礦井充水特征分析［J］.地下水，2010(6):56－57，60.

［2］ 石懷虎，白維燦，程英好.巖溶充水礦區(qū)煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法探討［J］.中國煤田地質(zhì)，2007，19(S2):38－40，56.

Risk Evaluation on Taiyuan Group Karst Water Inrush of Mining Upper Coal Seam in Shuangliu Coal Mine

Di Xiao－bin

The No.4 coal seam has the problem of mining with Taiyuan group limestone karst water pressure in Shuangliu coal mine，according to Taiyuan group limestone karst water storage features in mining area，respectively using the water inrush coefficient method and multilayer superposition compressive strength ratio coefficient method，the Taiyuan group limestone karst water bursting hazard on the No.4 coal seam was evaluated，finally stacking two evaluation results to make comprehensive assessment.In order to provide reference for mine water prevention and control work.

Taiyuan group limestone karst water;Mining with pressure;Water inrush coefficient;Ratio coefficient;Comprehensive assessment

TD745+.2

A

1672－0652(2012)08－0052－05

2012－06－05

狄效斌(1970—)，男，山西應(yīng)縣人，1992年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，高級(jí)工程師，主要從事地質(zhì)勘查及地質(zhì)調(diào)查與研究(E －mail)xbd05@163.com