張雙樓礦區9＃煤層底板突水危險性分析及防治

陳 超 宋正宇 石小蒙

（1.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇省徐州市，221116；2.徐州礦務集團有限公司張雙樓煤礦，江蘇省徐州市，221616）

煤層底板突水是我國石炭二疊系煤田和晚二疊系煤田的主要水害問題，也是我國礦井水文地質學研究的重大理論課題。隨著開采深度的增加，煤田水文地質條件越來越復雜，開采工作面底板突水的的危險性也越大。煤層底板突水主要受充水含水層、底板隔水層防突性能、地質構造、礦壓破壞發育帶等因素的共同作用。其中礦壓破壞發育帶是煤層底板突水的誘發因素，是工作面回采后底板圍巖體受采動影響形成的的產物，礦壓破壞帶發育深度越大，越易誘發底板突水。張雙樓礦主采煤層9＃煤層主要受底板四灰水威脅，本文在考慮采動礦壓的條件下對－350m水平9＃煤層底板隔水層的突水危險性進行評價研究。

1 礦區地質構造與水文地質條件

張雙樓礦位于豐沛復背斜的北翼，基本上為一單斜構造。井田地層走向近EW，傾向NW，傾角18～34°。井田東為張雙樓—徐莊斷層（F1），西為鴛樓斷層（F24），北為三河尖—姚橋斷層的南下降盤，南為基巖地層隱伏露頭，見圖1。

本區地層屬典型的華北型地層，煤系地層為石炭、二疊系，均為第四系所覆蓋。區內揭露的地層有奧陶系下統肖縣組（未揭穿）、馬家溝組，奧陶系中統閣莊組、八陡組，石炭系中統本溪組，石炭系上統太原組，二疊系下統山西組和下石盒子組，二疊系上統上石盒子組，侏羅—白堊系，第四系。其中下二疊統山西組為本區主要含煤地層，厚79.88～143.45m，平均104.45m。7＃、9＃、17＃和21＃煤層為區內4個可采煤層，目前礦區主要開采7＃和9＃煤層。

圖1 井田邊界與構造綱要圖

根據井田各含水層的水文地質條件及其對采礦活動的不同影響，可把各含水層劃分為3組：第一組為第四系沖積層松散巖類孔隙含水層、二迭系石盒子組砂巖和山西組9＃煤層頂板砂巖裂隙含水層組，位于二疊系煤系地層上部，富水性較弱。第二組為石炭系上統太原組薄層灰巖裂隙—巖溶含水巖組，位于煤系地層下部，本地層為一套海陸交替相沉積，含薄層灰巖14層，其中四灰厚度較大，巖溶裂隙發育，見表1。局部見溶洞，補給水源充沛，富水性較強，距離9＃煤層平均41.1m，是9＃煤層開采的直接充水含水層，其他富水性普遍較弱。第三組為奧陶系石灰巖巖溶含水層組，上距9＃煤層100m以上，對9＃煤層開采影響較小，但并不能排除奧灰巖溶水通過構造、風化裂隙帶從側向補給四灰水。

表1 四灰巖溶發育情況統計表

水平方向上，井田東邊界為張雙樓—徐莊（F1）1000m落差的大斷層，斷層西升東降，對礦區補給很弱，可視為隔水邊界。北部為三河尖—姚橋近東西向斷層，靠近井田的南盤為下降盤，隔絕了由北向南的基巖水力聯系。西界為鴛樓斷層（F24），走向近NS向，西降東升，與東盤礦區煤系地層對接，為隔水邊界。只有南部邊界為基巖隱伏露頭區，奧灰水通過基巖風氧化帶對井田內的含水層有側向補給作用，因此，南邊界為透水邊界。總體上看，張雙樓井田是屬于東、北、西三面隔水，南面進水、頂部弱透水的半封閉式的水文地質單元。該井田的補給水源主要以大氣降水的垂直補給為主，補給方式是以大氣降水通過第四系地層的垂直越流補給。

2 9＃煤層開采底板突水危險性評價

在煤層帶壓開采過程中，一旦發生底板突水，其結果是災難性的，因此，在煤層底板承受高承壓水的條件下，對煤層底板突水危險性分析預測極其重要。如2010年3月1日內蒙古神華集團駱駝山煤礦在16＃煤層回風巷掘進中，遇煤層下方隱伏陷落柱，在水壓和采動應力作用下，誘發了該掘進工作面的底板底臌，承壓水突破有限隔水層形成集中過水通道，導致奧灰水從煤層底板大量涌出，造成淹井。

開采9＃煤層主要受底板四灰水的威脅，煤層底板隔水層是阻抗突水的唯一因素，所以利用突水系數法對底板突水危險性進行評價是比較科學和常用的方法。

（1）《煤礦防治水規定》指出突水系數就是單位隔水層所能承受的極限水壓值，即：

式中：Ts——突水系數；

P——含水層水壓，MPa；

M——隔水層厚度，m。

根據《煤礦防治水規定》，底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06MPa／m，正常塊段不大于0.1MPa／m，以此作為評價界限。

（2）考慮礦壓對底板的破壞作用，公式修正為：

根據我國現場試驗實測資料，經回歸分析，已經獲得方便可靠的預測底板導水破壞帶深度的經驗公式，計算結果如下：

Cp＝0.0085 H＋0.1664a＋0.1079L＋4.3579（3）式中：Cp——礦壓破壞深度，m；

H——開采深度，m；

L——開采工作面斜長，m；

a——開采煤層傾角，rad。

根據礦井生產的實際情況，粗略計算出底板導水破壞深度Cp為16m。

（3）考慮到礦壓對底板的破壞后，再考慮不同巖石巖性阻隔水的作用不同，修正公式為：

式中：ai——各分層的質量比值系數，巖石隔水－阻水作用以泥巖為標準的質量比值系數見表2。

四灰水上距9＃煤層底板41.1m，根據礦區探井資料取得底板隔水層各分層巖性及厚度見表3。將隔水層中不同巖性巖層厚度折算成相應的等效厚度累加為等值隔水層厚度，得出9＃煤層到四灰之間等值隔水層厚度為：

有效隔水層為35.14－16＝19.14m。

表2 不同巖石的質量比值系數

表3 隔水層各層巖性及其厚度

根據以上羅列的3種方法對9＃煤層受底板水威脅作出評價見表4。

由計算結果結合礦區以往實測資料得出，四灰含水層水位為－65m，－350m水平的9＃煤層底板承受四灰水壓為2.35MPa。由于少量的探井資料具有局限性，為安全起見，全部選取底板受構造破壞的安全水頭值作為研究對象。式（1）中M取值為隔水層厚度，即煤層底板至承壓含水層頂面之間的實測厚度，計算出的安全水頭值為2.466 MPa，高于實測值2.35MPa，說明現行條件可以安全開采，但根據礦區生產的實際，如此高的水壓下產生過突水事故，而且我國華北型煤田開采時都會對煤層底板產生破壞作用，隔水層厚度選取值得商榷；考慮礦壓破壞作用計算出的安全水頭值為1.506MPa，低于實測值，說明現行條件下開采9＃煤層是不安全的，需要對四灰水進行疏放降壓；以上2種計算方法考慮的都是實測隔水層厚度，而沒有考慮我國華北型煤田二疊系下統山西組下組煤與石炭系上統太原組薄層灰巖裂隙——巖溶含水巖組間的巖層，它不是單一巖性、隔水性良好的泥頁巖，而是不同巖性的巖石組合層，依據巖石隔水－阻水作用以泥巖為標準的質量比值系數表計算出有效隔水層厚度，進而計算出的安全水壓為1.148 MPa，遠低于實測值，需要對四灰水進行大力度的疏放降壓。礦區資料表明，最高成功帶壓開采的壓力為1.65MPa，其他情況都低于此壓力（注：由于9＃煤層底板接近四灰水處為砂質泥巖，所以“下三帶”理論中的底板承壓水導高帶此礦區幾乎不存在），故根據修正公式（4）計算出的安全水壓值雖然很保守但與實際情況更為接近，用以指導礦井安全生產其安全度更高，相應的防治水措施也更具有針對性。

表4 9＃煤層受底板水威脅評價表

綜合上述分析，認為，從安全角度出發，在同等條件下，采用較保守的分析預測結論作為煤層底板突水的預測預報結論，對礦井采掘安全是非常必要的。采用突水系數修正公式（4）對煤層底板突水性進行分析預測，更有利于礦井帶壓開采安全。

3 9＃煤層底板四灰水疏放降壓可行性分析與預防措施

根據鉆孔資料與井巷揭露情況統計，四灰－500m以上同層異處水力聯通性較好。其中，－350m以上四灰巖溶發育，為強巖溶發育帶，－350～－550m為中等巖溶發育帶，四灰水位隨放水孔增多而不斷下降，但放水量基本沒有變化。井下先后施工了7組放水孔。四灰放水量為223～263m3／h，平均242m3／h。隨著放水孔的不斷增多，四灰水位不斷下降，但總放水量基本穩定。這表明了四灰灰巖水具有可疏降的特點，故可對底板四灰水進行疏放降壓。

依據以上3種計算結果分析疏放水量得出：采用《煤礦防治水規定》的計算方法求得的安全水壓高于實測值，屬于安全區，現行條件下可對9＃煤層進行開采，無需對四灰水進行疏放，不符合礦區實際，值得商榷；考慮礦壓破壞作用計算出來的安全水壓為1.506MPa，低于實測值0.844MPa，需要將四灰水位降低84.4m；考慮礦壓與不同巖性阻隔水的差別，計算出的安全水壓為1.184MPa，低于實測值1.166MPa，需要將四灰水位降低116.6m。第三種方法相對于前兩種需要疏放大量水，加大了工程量，但在同一采區不同探井所取得地質資料有差別的實際情況下，再結合以往礦區的經驗，采取第三種相對保守方案進行疏放降壓，可以保證礦區的生產安全。

考慮到四灰水可疏干性強，但水壓高、水量較為豐富的特點，經過多次研究論證和反復比較，最后決定在－350m水平采用“由淺到深，分水平、分采區，地面施工直通式四灰放水孔，井下配合施工四灰放水平孔，進行大流量、大降深聯合放水降壓”的方案。具體做法為：先在地面施工一直通式四灰放水孔（放水1號孔），該放水孔施工至四灰含水層。在東一軌道上山－279m水平掘一條放水平巷，進行第一階段較淺水平的四灰放水試驗，當四灰水位降至一定水平后，再在井下－500m運輸大巷施工四灰放水平孔。由于進行了第一階段的放水降壓，該水平孔施工安全有了保障。水平孔施工完畢后，進行多孔聯合放水。考慮到井下采區生產的需要，放水1號孔在東一采區較淺部位施工，平孔分別布置在東一、東二、西一和西二采區。

放水結果表明了東二至西二采區四灰水位下降明顯，影響范圍廣，疏降水量從開始的826.976 m3／h，穩定在233.716m3／h，空間上呈一不規則的“盆形”；水位成功降至安全值，解放了受水害威脅的煤層，保證了礦區的安全生產。

4 結論

（1）運用《煤礦防治水規定》中的式（1）進行計算時，M值取實測隔水層厚度，但礦區不是單一巖性、隔水性良好的泥頁巖，而是不同巖性的巖石組合層，在這種情況下，計算出的安全水壓值是偏大的，對帶壓開采突水危險性分析預測是不利的。

（2）實際礦井資料表明，若采用式（4）進行煤層底板突水危險性分析，其結果與實際情況更接近，用以指導礦井安全生產安全度也更高。

（3）通過對－350m四灰水的成功疏放降壓，證明了本礦區是可以通過疏放降壓來實現煤層的安全開采的，實施的效果也非常理想。

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