基于奧灰突水系數演變的水庫下帶壓開采研究

郭好杰，郭振橋，樂 勇，齊文宇

（1．義馬煤業集團股份有限公司宜陽煤礦籌建處，河南 洛陽 471000；2．河南大有能源股份有限公司新安煤礦，河南 新安 471842；3．義馬豫西地質工程有限公司，河南 義馬 472300）

·試驗研究·

基于奧灰突水系數演變的水庫下帶壓開采研究

郭好杰1，郭振橋2，樂 勇3，齊文宇2

（1．義馬煤業集團股份有限公司宜陽煤礦籌建處，河南 洛陽 471000；2．河南大有能源股份有限公司新安煤礦，河南 新安 471842；3．義馬豫西地質工程有限公司，河南 義馬 472300）

小浪底庫區蓄水對煤層底板的奧灰承壓水形成補給，進而引起新安井田底板突水系數發生變化，礦井水文地質條件日趨復雜。本文介紹了煤層底板巖層條件，闡述了奧陶系灰巖的富水特征，統計繪制了庫區水位與水文孔測壓值的相關曲線，分析了曲線峰谷值反映的井田水文地質跡象及與安全生產的內在聯系，提出了擴大監測、重點巡查、物探查異、打鉆注漿、動態評價及應急設防等帶壓開采的有效對策，以確保礦井安全生產和中長期穩定接續。

高位蓄水；帶壓開采；突水系數演變

國內水體下采煤防治水工作，主要著眼于煤層的上覆巖層采動裂隙發育高度及其對地表水體的導通危險性研究，而庫區蓄水對煤層底板承壓含水層的補給，進而引起底板水突水系數演變方面，尚缺專題研究。

新安井田位于河南洛陽新安傾伏向斜北翼，為一平緩的單斜構造，向斜軸向近東西，向東傾伏，北翼傾角平緩，一般為7°～11°。新安煤礦主采二疊系山西組二1煤層，煤層底板主要為砂質泥巖、泥巖隔水層，太原組灰巖弱含水層、本溪組鋁土質泥巖隔水層和奧陶系灰巖強含水層。煤層呈藕節狀賦存，底板起伏較大，小型褶曲較發育，煤層不穩定。1995年11月，12161掘進工作面曾因揭露底板小斷層而導通奧灰水造成淹井事故，2010年礦井水文地質類型劃分為極復雜。

新安礦開采范圍50．3 km2，設計生產能力150萬t/年，其40%井田面積位于小浪底水庫+275 m設計水位線之下，水體下煤炭儲量達1．2億t。小浪底水利樞紐工程于1997年10月截流，2001年底大壩主體工程全面完工，庫區蓄水通過巖層露頭、大斷層、封閉不良鉆孔等途徑與奧灰含水層形成連通關系。小浪底蓄水運營10年間，每年6—8月進行調水調沙試驗，9月仍舊持續攔蓄洪峰，冬季高位蓄水應對流域春旱，已經形成季節性的蓄水活動。

1 煤層底板

太原組地層主要巖性由薄層灰巖、硅質泥巖、砂巖、砂質泥巖及薄煤層組成。其中，灰巖一般為3～4層，單層厚度0．2～7．50 m，灰巖總厚7．04～16．35 m，一般為10 m左右，為煤層底板弱含水層，局部揭露少量滴淋水。二1煤底板至L7灰巖頂部之間的砂質泥巖和泥巖隔水層，在礦區范圍內普遍發育，厚度較穩定，厚度10 m左右，節理、裂隙多為閉合性或被充填物充填，透水性差，加之太原組灰巖富水性弱，正常地段可阻止該層以下含水層地下水進入礦井，但當遇斷裂切穿隔水層而溝通含水層與煤層的水力聯系時，則灰巖地下水就能直接進入礦井。

本溪組鋁土質泥巖隔水層厚3～25 m，一般9．08 m左右。該層礦區內普遍發育，層位穩定，巖性致密，裂隙不發育，不透水，隔水條件良好，在正常條件下，可阻止奧陶系灰巖水與太原組灰巖水之間的水

力聯系。

煤層底板巖層概況見表1。

表1 煤層底板巖層概況表

奧灰距二1煤層底界43．77～74．50 m，一般為53．76 m，其中有2層主要隔水層阻止地下水進入礦井，屬具有突水威脅的間接充水含水層。奧陶系灰巖巖性為白云質灰巖、角礫狀灰巖、硅質白云巖及白云巖，地層總厚度500 m，地質補勘14個孔揭露該含水層厚度64．84～119 m。巖溶發育程度由淺往深逐漸減弱，富水性不均一，單位涌水量q=0．000 61～4．03 L/S·m，滲透系數K=0．000 45～9．02 m/d。巖溶發育規律受巖性、構造、埋深、水循環條件等因素的影響和控制，發育程度不同，含水層的富水性極不均一，總體評價該含水層富水性屬含水性較豐富的含水層，水化學類型呈HCO3-Ca-Mg型。

根據《煤礦防治水規定》突水系數計算公式：

式中：

P—底板隔水層承受的水壓，MPa；

M—底板隔水層厚度，m，取43．77～74．50，考慮采動和構造破壞因素，視為不完整塊段；

T—突水系數，MPa/m，小于0．06時，屬安全塊段。

2 水文監測

在2012年開展的水文監測過程中，對庫區水位每天記錄1次，利用KJ117礦井水情實時監測系統對水平運輸平巷水文孔（孔口標高+36．1 m）奧灰水壓每小時記錄1次，經過臺賬合并整理、分析，制作了庫區蓄水與奧灰水文相關曲線圖，見圖1。

從圖1可以看出，2012年6—8月隨著小浪底水利樞紐工程調水調沙，新安礦奧灰水壓進入低谷時段，底板突水系數相對降低，假定礦井最深-60 m標高巷道隔水層最薄，其突水系數可降至0．068 MPa/m，采取注漿改造等有效防治措施后仍可帶壓開采。而本年度其他時段庫區高水位運行，礦區奧灰水壓也相應抬高，突水系數有所增大，對于運輸平巷附近隔水層厚44 m的塊段，突水系數可增至0．05 MPa/m。規定中的臨界值并非絕對安全值，當新增硐室、聯巷等工程時，亦可擾動圍巖造成應力失穩、產生導水裂隙，同樣形成突水危險性。

圖1 2012年水位-水壓監測曲線圖

3 關系分析

井上下的水文監測數據不僅在突水系數演變上反映相關關系，而且在曲線特征上可以深入挖掘煤層底板突水機理和誘因，指導礦井采取相應的帶壓開采措施。

假定庫區-奧灰徑流帶為一個恒定總流模型，根據水力學總流能量方程式：

式中：

z—總流過水斷面上某點的位置水頭（標高表示）；

p/ρg—過水斷面上各點平均動水壓強所對應的壓力水頭；

αv2/2g—過水斷面上的流速水頭。因此，水壓分站監測到的是奧灰水側壓水頭，奧灰含水層存在流動的條帶。

hw—徑流帶的水頭損失。有水頭損失，就會產生水力梯度。

根據達西定律：

模型的水力梯度I發生變化時，必然引起徑流帶流速的變化。基于以上認識，可深入展開如下幾點：

3．1 曲線對比，既相關又不完全一致

總體波動趨勢一致。調水調沙期間，奧灰水壓降幅小于庫區水位降幅；秋冬蓄水期間，奧灰水壓增幅也小于水位漲幅。說明底板突水系數會因庫區調蓄發生一定的演變，但不會像庫區水情一樣短期大幅波動，從而對煤層底板的應力擾動表現為慢性影響，這往往造成煤礦管理人員主觀上的麻痹大意。

3．2 增減量對比

庫區調蓄過程中水位正常變化量約50 m，而奧灰壓力水頭變化量最大19 m，說明流速水頭有所增長，庫區調蓄期間奧灰含水層徑流活動較平時活躍。孔口標高+36．1 m，換算得出庫區開閘泄水期間，奧灰水頭高于庫區水位，說明此時期奧灰水從東部通道排泄入庫區。兩條曲線交叉波動，說明徑流帶在夏秋時段存在拉鋸式的排泄、反補，來回沖刷侵蝕通道圍巖。經水質化驗，奧灰水pH值6．5～8．5，可以推想，庫區蓄水十多年間，奧灰徑流帶較上世紀已更為發育，而隨著今后庫區幾十年的調蓄活動，奧灰徑流通道極可能發展為大型溶洞或地下河。通道條件越發達，徑流速度越低，承壓含水層壓力水頭就會越大，因此，有必要長期監測奧灰水壓變化，分析預測徑流帶發育變化狀況。

3．3 滯后時段

由圖1可知，春季奧灰水壓峰值滯后于庫區水位約22天；夏季奧灰水壓谷值滯后于庫區水位約7天。雖然庫區1—5月奧灰水頭波幅僅7 m，或者7—8月奧灰水壓處于低谷。但是從圖1可以看出，此兩個時段適逢奧灰徑流活動活躍期，前者庫區水反補奧灰含水層，后者為奧灰水排泄入庫區。因此，庫區高位蓄水期間出現峰值后3周內，要統籌安排隱患排查治理、做好防范工作；水庫泄水至谷值后的7—8月份要重點巡查井下是否出現應力失穩、產生底鼓裂隙。

3．4 補給通道

庫水低谷期間仍舊保持一定的波動相關性，說明補給通道遠遠低于庫區死水位+210 m。比對礦井水文地質平面圖，發現井田東部邊界F29斷層附近地表標高+201 m，且該處存在3個封閉不良鉆孔，印證了以往礦井地質資料關于導水通道的研究判斷。

4 帶壓開采對策延伸

1）擴大監測網絡。按照控制各采區、控制上下山的原則，在各采區上下山分別增設1處水壓監測孔，實現水壓監測點落差控制在50 m。同時，為各水文孔安裝自動監測分站，通過礦井水情實時監測系統采集、儲存及處理數據，全時段分析奧灰含水層動態變化。安排專職技術人員，長期觀測記錄庫區每日水位，特殊時段加密測報。

2）高危期重點巡查。雨季汛期和庫區高位蓄水期，重點巡查井下巷道圍巖變化情況，觀測采掘工作面底鼓裂隙發育狀況，發現異常及時采取探查治理措施。

3）加大物探力度。掘進工作面超前探要嚴格按照不超過70 m有效探測距離進行控制，回采前和回采過程中采用瞬變電磁、直流電法、坑道透視及震波透射等物探手段，探查底板是否存在富水異常區。

4）底板注漿與動態評價。重點對物探異常區進行鉆探，查明富水區段的位置，匯總涌水量水壓等數據，初步評價突水危險性；注漿加固或改造底板后再次復查。從工作面開掘到回采結束，要先后組織進行底板突水危險性評價、防治水方案評價、排水能力評價、水災應急管理評價、鉆探評價、注漿加固或改造效果評價、采中復查評價及采后水情評價工作，針對評價內容進行措施改進、隱患整改和理論創新，最終形成水害治理閉環管理模式。

5）疏水降壓。在底板巖巷物探低阻區，有選擇性地施工疏水降壓孔，以不低于100 m3/h的流量持續疏水加以利用，從而形成奧灰承壓水的區域漏斗，降低局部工作面底板突水系數。

6）應急控水。對于周邊不存在采空區的工作面，可以在巷道停采線附近的相對薄煤區段，施工應急控水墻輪廓基礎，并預存砌料、泄水管、閘閥等，一旦工作面發生透水，可在短時間內快速構筑“工事”，在墻體和圍巖安全承壓的條件下，將泄水量控制在排

水能力之內，有效防止災情擴散。

7）推行四級排水系統設防標準。在不考慮探放老空水因素前提下，針對潛在的底板突水危險性，推行四個層面的有效排水能力設防，即開掘頭面（非上坡）不低于200 m3/h、采煤工作面不低于300 m3/h、下山采區不低于1 000 m3/h、礦井主排水泵站不低于5 000 m3/h。在此設防標準指引下，由礦機電部門研究制定四級排水系統的水泵、管路和供電設備等的詳細配置管理方案。

5 結 語

在當前煤礦防治水的緊迫形勢下，新安煤礦地質勘探程度仍舊相對較低，為確保礦井中長期穩定的生產接續，需要通過大量的補勘工程、技術革新、長期監測、人才培養等工作，掌握奧灰水徑流條帶的發育分布詳情，進而全面分析庫區蓄水對底板突水危險性的影響，及時采取有效的防范措施。

［1］李義昌，鄭倫素．水文地質及工程地質學［M］．徐州：中國礦業大學出版社，1988：54-66．

［2］吳持恭．水力學（上）［M］．北京：高等教育出版社，2003：71-82．

［3］賀治強，李書文，郭好杰，等．季節性降水和蓄水對礦井涌水量的影響［J］．中州煤炭，2011（3）：18-35．

Study on Mining with Pressure under Reservoir Based on Ordovician Limestone Water Inrush Coefficient Evolution

Guo Hao-jie，Guo Zhen-qiao，Le Yong，Qi Wen-yu

The coalmine hydrogeology conditions becomes complicated because the ordovician limestone confined aquifer below the coalseam floor gets recharged by Xiaolangdi reservoir area after its sluice，which leads to water burst coefficient of coalseam floor changing．The article introduces the stratum conditions of the coal seam floor，elaborates the water rich feature of the Ordovician limestone，counts and draws the relative curve between the reservoir water level and the pressure of the hydrological hole，analyses inner relations between the hydrogeology factors reflected by the peak and valley of the curve and the safety production，proposes effective countermeasures such as expanding monitor，key point inspect，exploration detecting，drilling grouting，dynamic evaluating and emergency prevention which aiming at mining with pressure，ensures the safety and middle-long term steady succeed for the coal mine．

Water storage in high level；Mining under safe waterpressure of aquifer；Water burst coefficient evolution

［TD741］

B

1672-0652（2013）05-0053-04

2013-02-19

郭好杰（1973—），男，河南洛陽人，1995年畢業于鄭州煤田地質學院，工程師，主要從事煤田地質工作（E-mail）271138268＠qq．com