磁西一號超千米深井煤層開采底板突水危險性分析

梁紅書，秦萬能

(貴州省有色金屬和核工業地質勘查局三總隊，貴州 遵義 563000)

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磁西一號超千米深井煤層開采底板突水危險性分析

梁紅書，秦萬能

(貴州省有色金屬和核工業地質勘查局三總隊，貴州 遵義 563000)

磁西一號井田煤層埋藏較深，其開采主要受深部奧灰承壓水的威脅，為了成功開采以解放深部呆滯煤炭資源，保障礦區可持續發展，對磁西一號礦2#煤層開采奧灰突水危險性進行了評價。文章以峰峰礦區東部和磁西一號礦水文地質條件為基礎，對礦井充水因素、含水層之間水力聯系、采動裂隙帶有效隔水層厚度、底板抗壓強度及隔水能力等進行分析研究，主要采用突水系數法對煤層底板突水危險性進行了評價，通過計算得出：帶壓開采2#煤層突水系數平均為0.056MPa/m，位于過渡區，突水系數具備帶壓開采的基本條件。由于井田內煤層埋藏深度較大的區域控制程度較低，地質、水文地質條件不清楚，開采前需要進行補充勘探，經充分論證后，方可進行試采。

超千米深井；奧灰水；突水危險性；防治水；磁西一號井

我國煤礦生產過程中，煤層底板突水事故頻發，特大突水事故多與奧灰水關系密切，尤其在我國華北地區石炭二疊紀煤系基底，存有溶洞非常發育的奧陶系石灰巖，為奧灰水提供了足夠的儲存空間，奧灰含水層一旦突水，危害極大。近年來，國內外不少專家及學者對煤層底板突水可能性進行分析評價[1-6]，如武強、李建林等均提出了各自評價底板突水性預測的方法[7-11]，但對超千米深井煤層開采底板突水研究較少。普遍認為，煤層埋藏越深，奧灰水頭壓力越大，突水危險性也隨之增大，本文從奧灰含水層頂部隔水層和突水系數危險性評價兩方面對磁西一號礦超千米深井煤層開采底板突水危險性進行分析研究，為超千米深井煤層開采底板突水危險性研究提供借鑒。

1　礦區背景

磁西一號井田位于峰峰礦區東部，煤層埋藏深度大于1000～1500m，是峰峰礦區向深部開發的第一個井田，礦區地層由老至新分布有中上元古界長城系常州溝組；古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系地層；中生界三疊系地層及新生界第三、第四系地層。主要含煤地層為石炭系太原組及二疊系山西組，煤層埋藏深度為1000～1550m。2#煤煤層平均厚度5.52m，結構類型較簡單，分布穩定，全區可采。井田初期以開采2#煤層為主，對采煤威脅較大的含水層為大青含水層和奧灰含水層。

2　區域水文地質條件

峰峰煤田地處太行山東麓南部，呈NNE向條帶狀展布。磁西一號井田位于黑龍洞泉群巖溶水文地質單元的深部。該水文地質單元西部為山區，基巖裸露，奧灰水主要補給來源為黑龍洞泉群巖溶水；山前附近基巖形成奧灰水的徑流區，主要被煤系或第四系地層覆蓋；地下水主要以泉形式排泄，紙坊至黑龍洞一帶為主要排泄區，人工排泄方式以生活及工農業用水、礦坑排水為主，深部少量以潛流方式排泄。磁西一號井田位于排泄區下游，位于地下水向深部潛流的滯流區，富水性弱，徑流緩慢，但水壓很高。

3　礦井水文地質特征

3.1含水層特征

井田內有8個主要含水層，從上往下依次為：新生界松散含水層(Ⅰ)、劉家溝組砂巖含水層(Ⅱ)、石盒子組砂巖含水層(Ⅲ)、二疊系山西組砂巖含水層(Ⅳ)、野青(Ⅴ)、山伏青(Ⅵ)灰巖含水層、石炭系太原組大青(Ⅶ)和奧陶系灰巖含水層(Ⅷ)。其中，奧灰含水層(Ⅷ)和大青含水層(Ⅶ)對煤礦開采工作威脅較大。含煤巖系含水層組合關系見圖1。

大青灰巖含水層(Ⅶ)主要由青灰、深灰色石灰巖構成，厚度5.5m左右，裂隙較為發育，充填物以方解石為主，富水性中等。水位標高為+58～+76m，水質類型為Cl-Na和Cl·SO4-Na·Ca型，單位涌水量0.00121～0.00314L/s·m，滲透系數為0.0009～0.0228m/d。據鄰礦(九龍礦)實際生產資料顯示，大青灰巖含水層補給條件和水力聯系差，富水性較弱。

奧陶系灰巖含水層(Ⅷ)總厚度約605m，上距2#煤層大概150m。當無陷落柱或斷層導通時，該含水層為間接充水含水層。本含水層水位標高約+106m，單位涌水量為0.000414～0.858L/s·m，滲透系數為0.00046～1.73m/d，富水性極不均一，水質類型為Cl-Na和Cl·SO4-Na·Ca型，礦化度最大為9190mg/L，水溫最高可達40℃。分析資料顯示，自然狀態下，奧灰水呈相對停滯狀態，徑流循環差，但其儲量巨大，當在礦山壓力和高壓水頭的聯合作用下，可能致礦井底鼓突水，對煤礦開采造成威脅。井田內奧灰含水層傳導性好，連通性能力強。

圖1　含煤地層含水層組合關系示意圖

3.2隔水層特征

磁西一號礦井田內隔水層厚度穩定，隔水性能良好，通過對含水層涌水量、水質類型及水位資料分析顯示，正常情況下，各個含水層之間不存在水力聯系，隔水層隔水性能良好。

2#煤層頂板砂巖含水層距離下部山伏青石灰巖含水層約為75m，主要由泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、中～細粒砂巖構成。其中泥巖和粉砂巖隔水性能較好，占總含量的65%左右。山伏青灰巖含水層與小青灰巖含水層距離約為25m；小青灰巖含水層大青灰巖含水層間距約為27m，大青灰巖含水層下與奧陶系灰巖含水層之間的距離約為30m，各含水層之間由隔水能力較好的泥巖、鋁土泥巖、粉砂巖及少量的細粒砂巖構成，天然條件下水力聯系較弱。

3.3充水因素分析

未來礦井充水的主要來源為各含水層的地下水。開采2#煤層時，礦井充水水源主要為頂板砂巖含水層，充水形式多為頂板滴水或淋水，涌水量一般不大。但礦區以厚層奧陶系灰巖為煤系地層基底，為區域性強含水層，奧灰水可通過導水陷落柱或斷層涌入巷道，引發災難性事故，為煤層開采最具威脅的間接充水水源，磁西一號礦井設計開采2#煤層，在開采過程中，當開采至導水大斷層上盤附近，在奧灰水的高水頭壓力作用下，有造成礦井突水的危險。以區內斷層F19為例(圖2)，斷層落差H=200m，西盤上升導致該盤奧陶系灰巖與2#煤層對接，由45-1鉆孔成果顯示本溪組及奧陶系上部地層被斷失，鉆孔抽水試驗顯示，奧灰單位涌水量為0.862L/s·m，通過計算，該處涌水量可達60m3/min，富水性較強。由于磁西一號礦井與周圍區域水力循環較弱，徑流不暢，處于相對滯流狀態，在一定范圍壓力下奧灰水運動緩慢，但由于其較高的水頭壓力，嚴重威脅礦井開采。

圖2　F19斷層剖面圖

4　突水條件分析

4.1底板突水可能性分析

煤礦開采過程中發生底板突水的可能性主要受控于突水因素和隔水條件[12]，實際工作中，突水因素常常以水量、水頭壓力等參數來衡量，而隔水條件則依據不同礦井底板巖性組合條件而具體分析[13-15]。磁西一號井田煤層開采主要受到奧灰水和大青水的威脅。奧灰水位標高+106.82m，單孔試驗單位涌水量最大達0.860L/s·m，自然條件下，奧灰水呈相對停滯狀態，儲量豐富；大青水位標高為+58～+76m，單位涌水量0.00121～0.00314L/s·m，滲透系數為0.0009～0.0228m/d。正常情況下，煤系地層與奧陶系灰巖為假整合接觸關系，不存在水力聯系，但當遇到導水陷落柱或落差較大斷層，導致煤系地層與奧灰含水層對接，奧灰水則成為煤系地層的補給水源。區域內，斷層導致大青灰巖多處與奧灰含水層對接，使兩含水層之間發生水力聯系。

4.2采動裂隙帶有效隔水層厚度

當煤層開采時，采掘工作面底板巖體會發生位移變形，其應力狀態也隨之改變，工作面底板產生擾動裂隙帶[16-18]。根據經驗公式，擾動裂隙帶(H)與采面斜長(L)關系式見式(1)。

H=1.86+0.11L

(1)

磁西一號礦井設計采掘工作面斜長為90～120m，依據經驗公式估算采煤擾動裂隙帶最大高度為14.06m。煤層底板到煤系基底奧陶系灰巖頂部之間隔水層總厚度與采煤擾動裂隙帶厚度之差即為2#煤層底板有效隔水層厚度。根據鉆孔測井成果統計，2#煤層底板隔水層厚度見表1。

4.3煤層底板抗壓強度和隔水性

煤層開采時底板的隔水能力和抗壓強度與圍巖性質緊密相關，柔性巖石隔水性能好，但其抗壓強度弱；而剛性巖石隔水性能差，但抗壓強度強[19-21]。一般情況下，泥巖的等效隔水層系數是剛性巖石的2.5倍；而剛性巖石的抗壓強度系數則約為柔性巖石的2倍(表2)。據換算，2#煤層底板等效泥巖隔水層厚度為97.16m，總體抗壓強度約為7.72MPa，巖層抗壓強度及等效隔水層厚度如表3所示。井田大部分地區均可抵御奧灰水頭壓力。

表1　2#煤層底板隔水層厚度統計表

表2　巖層抗壓強度和等效隔水系數換算表

表3　巖層抗壓強度及等效隔水層厚度表

4.4煤層底板突水危險性分析

采動條件下，在導水構造、水壓和礦壓的共同作用下，奧灰水在高水頭壓力下有突破煤層底板引發突水事故的危險，對礦井開采構成嚴重威脅。依據《煤礦防治水規定》，主要采用突水系數對煤層底板突水危險性進行評價。依據鄰礦區九龍礦2004～2009年的奧灰水位觀測資料，奧灰水位在+90.05～+116.8m之間變化。選取近年來奧灰最高水位+116.8m作為突水系數計算中奧灰水位標高，依據鉆孔資料和參考和勘探線剖面圖確定隔水層厚度，突水系數計算見式(2)。

(2)

式中：T為突水系數，MPa/m；M為底板隔水層厚度，m；P為底板隔水層承受的水壓，MPa。

2#煤層底板與奧灰含水層之間平均距離為140.00m，通過突水系數公式計算，可得帶壓開采2#煤層突水系數平均為0.056MPa/m。根據《煤礦防治水規定》中的突水系數臨界值，(正常塊段突水系數臨界值為0.1MPa/m，底板受構造破壞塊段突水系數臨界值為0.06MPa/m)，2#煤層位于過渡區，突水系數具備帶壓開采的基本條件。

井田內煤層埋藏深度較大的區域，因控制程度較低，地質、水文地質條件不清楚，開采前需要進行補充勘探，經充分論證后，方可進行試采。

5　結　論

1)磁西一號井田位于峰峰礦區深部相對滯流區域，奧灰巖溶地下水位于排泄區下游，但奧灰含水層水頭壓力大，富水性強，且斷層多處導致大青灰巖與奧灰含水層對接，使兩含水層之間發生水力聯系。

2)通過對磁西一號礦井區域水文地質鉆孔出水段和漏水情況分析，驗證了奧灰含水層頂部相對隔水層的存在。為礦井煤層開采防治水工作提供借鑒。

3)采煤過程中，為了避免突水災害發生，應對井田內斷層、陷落柱全部留設防水煤柱，并嚴禁開采斷層保護煤柱。開采-1150m以下煤層時受奧陶系灰巖含水層突水威脅嚴重，推薦采取疏降和底板加固增強煤層底板抵抗水壓能力的方法進行開采。

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Analysis of the possibility of water inrush from carbonic limestone during the coal seam mining in the Cixi 1#mine with the depth over 1000m

LIANGShu-hong，QINWan-neng

(TheThirdTeam，NonferrousandNuclearIndustryGeologicalProspectingBureauinGuizhou，Zunyi563000，China)

Thecoal-bedsareburieddeeplyintheCixi1#mine；andtheminingismainlymenacedbyconfinedwaterwithinordovicianlimestone.Inordertoexploitthedeepcoalresourcessuccessfullyandensuresustainabledevelopmentofminingarea，theordovicianlimestonewaterinrushdangerisevaluatedfor2#coalseam.OnthebasisofhydrogeologyconditionintheeastofFengfengminingareaandCixi1#mine，theminewaterfillingfactor，hydraulicconnectionbetweenaquifers，effectiveconfiningbedthicknessofminingfissurezone，floorcompressivestrengthandwater-insulatingcapabilityarestudied，thewaterinrushdangerisevaluatedwithwaterburstingcoefficientmethod.Thecalculationsshowthattheaveragewaterburstingcoefficientlocatedinthetransitionzoneis0.056MPa/minminingunderpressure，anditconformstotheconditionsofunderpressureminingbasically.Howeverthecoal-bedsareburieddeeplyandregionalcontrollevelislow，geologicalandhydro-geologicalconditionsarenotclear，supplementexplorationmustbecarriedoutbeforemining.

minewiththedepthover1000m；theordovicianlimestonewater；thewaterinrushdanger；preventionandcontrolofwater；Cixi1#mine

2016-02-12

梁紅書(1972-)，男，貴州綏陽人，漢族，本科學歷，高級工程師，主要從事巖土工程方面的研究、設計與治理。

TD824.6+2

A

1004-4051(2016)08-0108-04