林西礦深部水平奧灰水帶壓開采突水危險性評價

馮光俊李 伍張 泳奚方喆

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇省徐州市,221116; 2.中國礦業大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,江蘇省徐州市,221116; 3.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院,北京市海淀區,100083; 4.中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西省西安市,710054)

林西礦深部水平奧灰水帶壓開采突水危險性評價

馮光俊1,2李 伍1,2張 泳3奚方喆4

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇省徐州市,221116; 2.中國礦業大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,江蘇省徐州市,221116; 3.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院,北京市海淀區,100083; 4.中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西省西安市,710054)

基于采掘揭露資料、鉆孔資料、水位觀測數據和抽水試驗成果,對研究區構造復雜程度和奧灰水文地質條件展開研究,并采用安全水頭值法、安全隔水層厚度法和突水系數法對奧灰水帶壓開采突水危險性進行了綜合評價。結果表明:研究區下部12＃煤層開采掘進巷道基本不具突水危險;而當礦井生產延伸至深部水平時,研究區西北翼構造復雜塊段12＃煤層回采工作面將面臨突水威脅,屆時需提前開展探水、防水工作。

帶壓開采 奧灰水 深部水平 突水系數 林西礦

煤層帶壓開采直接關系到煤層底板突水災害,威脅礦井安全生產,而華北石炭－二疊系煤田煤系基底奧陶系灰巖(下稱奧灰巖)發育為強承壓含水層,下部煤層奧灰水帶壓開采問題尤為突出。開灤集團林西礦開采已有百余年歷史,目前正向深部十二水平(－1000 m)開拓,隨著開采水平的延深,各可采煤層與奧灰含水層距離不斷減小,煤層底板隔水層承受的水壓不斷增大,相應的帶壓開采風險也日益增高,對礦井深部水平帶壓開采突水危險性評價勢在必行。以林西礦最下部穩定可采煤層12＃煤層為研究對象,從構造復雜程度、奧灰巖發育展布特征、奧灰水位、水壓特征及底板隔水層特征等方面展開研究,并對研究區12＃煤層開采掘進巷道及回采工作面奧灰水帶壓開采突水危險性進行預測評價,提出相應防范措施,為礦井安全高效生產提供參考。

1 礦井地質概況

林西礦位于開平向斜轉折端的南東翼,北與趙各莊礦毗鄰,西南部與呂家坨礦相接。井田地勢平坦、構造簡單,可劃分為四個構造塊段,發育有以開平向斜形態為主格局的次一級褶曲杜軍莊背斜和黑鴨子向斜;斷層僅F1、F1′發育規模較大,落差約30～50 m,小型斷層比較發育,多為高角度正斷層,常發育在褶曲部位;揭露呈巖墻狀展布的巖漿巖有三條,如圖1所示。研究區地層屬華北型沉積,煤系地層石炭—二疊系不整合接觸于奧灰之上,主要可采煤層有7＃、8＃、9＃、11＃、12＃煤層,分布于上石炭統趙各莊組和下二疊統大苗莊組,第四系沉積物直接覆蓋其上。

圖1 研究區構造綱要圖

帶壓開采危險性評價與構造發育情況密切相關,相同含、隔水層條件下,構造復雜區域帶壓開采危險性更大,更易發生突水事故。為此,依據揭露的12＃煤層底板斷層和巖漿巖發育情況,基于分形分維思想,在計算機VC＋＋6.0程序語言編程和AutoCAD軟件輔助下,采用網絡覆蓋法統計、計算分維值對12＃煤層構造復雜程度進行定量評價。12＃煤層底板構造復雜程度分形分維評價見圖2,可見井田中部及東北局部構造相對復雜,影響帶壓開采突水危險性評價。

圖2 12＃煤層底板構造復雜程度分形分維評價圖

2 奧灰水文地質特征

2.1 奧灰巖發育展布特征

研究區主要補給水源為大氣降水和地表水,煤系主要充水含水層為奧灰巖溶裂隙含水層與第四系底部松散孔隙含水層,其中奧灰含水層伏于煤系地層之下,厚約600～800 m,巖溶裂隙發育,含水量豐富。根據林西礦及相鄰井田奧灰鉆孔資料、抽水試驗成果和水位觀測數據,繪制了研究區奧灰頂界等高線及奧灰等水位線,如圖3所示,可見受開平向斜主體構造控制,奧灰巖空間展布特征與煤層展布特征相似,自NW向斜軸部往SE埋深不斷變淺,在井田東南邊界外出現奧灰露頭。

圖3 研究區奧灰頂界面等高線及等水位線

2.2 奧灰水位特征

奧灰水位能夠直觀反映含水層對隔水層的水壓大小。研究區處于徑流帶,地下水從開平向斜北西翼高處補給,南東翼低處排泄;趙各莊礦深部水平開采利用其四、七水平疏放水基地進行疏水降壓,形成地下水降落漏斗,影響了局部地下水流場。受益于趙各莊礦疏水降壓,林西礦范圍內水位也同時發生降落,奧灰水位整體較低,分布在－70～15 m,如圖3所示,推算底板隔水層承受水壓約2.85～15.24 MPa。奧灰水位自SE至NW向趙各莊礦一側不斷降低,且降幅不斷增大,表現為等水位線密集,水力梯度增大,其中井田西北翼的ZK7孔觀測水位明顯較低,為－64.54 m。而在井田東北部奧灰水位變化不大,且淺部奧灰水觀測孔“林O－1”水位降落不明顯,水位為1.84 m。分析原因為林西礦北部與趙各莊礦邊界處發育有隱伏構造,隔斷了局部水力聯系,導致井田東北部水位降落不甚明顯。

2.3 煤層底板隔水層特征

底板隔水層阻抗能力的大小取決于隔水層厚度、巖石力學性質及巖性組合關系等,軟硬巖層交替組合層序越多,隔水層越厚,阻水效果越好。研究區下部12＃煤層與奧灰之間地層主要由泥巖、薄層灰巖、砂巖互層組成,隔水性能相對較好。由鉆孔資料顯示,12＃煤層底板至奧灰頂界面之間隔水層厚度一般為138.49～188.86 m,在全區變化穩定,大體上自W至E呈現不斷增大的趨勢,這與12＃煤層的埋深變化趨勢近似相反,意味著12＃煤層不斷向深部開采的過程中其底板距奧灰頂界面距離及隔水層厚度均不斷減小。因此,隨著礦井生產水平不斷向深部延伸,帶壓開采突水危險性將不斷增大。

3 帶壓開采突水危險性評價

帶壓開采突水問題受多種因素疊加控制,國內外學者及相關行業規范提出了多種評價方法,斯列薩列夫公式推導出的安全水頭值法、安全隔水層厚度法和突水系數法得到了廣泛應用,其中前兩者主要適用于掘進巷道突水危險性評價,而后者對掘進巷道和回采工作面均適用。為此,在上述理論方法和實測數據的支撐下對研究區下部煤層奧灰水帶壓開采突水危險性進行多角度評價。

3.1 掘進巷道突水危險性評價

3.1.1 安全水頭值法

根據《煤礦防治水規定》(2009)推薦的安全水頭值計算公式,當底板隔水層承受的實際水頭值超過安全水頭計算值時,掘進巷道底板即存在突水危險。

式中:P——底板隔水層能承受的安全水壓, MPa;

t——隔水層厚度,m;

L——巷道寬度,m;

γ——底板隔水層的平均重度,MN/m3;

Kp——底板隔水層的平均抗拉強度, MPa。

由林西礦實際生產資料可知,巷道寬度L為4.5 m,底板隔水層的平均容重γ取0.027 MN/m3,底板隔水層的平均抗拉強度Kp取0.4 MPa。由各鉆孔隔水層厚度值計算得到底板隔水層所能承受的安全臨界水壓為761.43～1414.21 MPa,而全區底板隔水層承受的奧灰水壓最大值僅為15.24 MPa,遠低于安全水壓值。因此,初步評價認為目前的奧灰水頭值不足以對12＃煤層開采掘進巷道構成突水威脅。

3.1.2 安全隔水層厚度法

根據《煤礦防治水規定》(2009)推薦的安全隔水層厚度計算公式,當底板隔水層實際厚度小于計算值時,則掘進巷道受奧灰水突水威脅。

式中:t——安全隔水層厚度,m;

L——巷道寬度,m;

γ——底板隔水層的平均重度,MN/m3;

Kp——底板隔水層的平均抗拉強度,MPa;

P——底板隔水層承受的水頭壓力,MPa。

將上節參數帶入式(2),計算得到掘進巷道安全隔水層厚度值為8.16～19.30 m。據目前鉆孔資料,研究區12＃煤層底板隔水層厚度最小為138.49 m,遠大于安全隔水層厚度計算值,表明底板隔水層足以阻抗目前奧灰水產生的水壓,確保12＃煤層開采掘進巷道安全。

綜上所述,林西礦范圍內奧灰水對底板隔水層產生的實際水壓整體在安全水壓值之下,下部煤層12＃煤層底板隔水層厚度也均滿足安全隔水層厚度要求,初步認為在開拓過程中掘進巷道基本不存在突水危險。但是在構造發育區域,斷層、陷落柱等構造破壞了隔水層完整性,破碎的巖體結構致使隔水層平均抗拉強度Kp減小,相應的阻抗能力下降;同時這些構造可能導通含水層形成儲水空間,縮短煤層與奧灰含水層的距離,相當于減小了隔水層厚度。這些因素將導致安全水頭值減小,安全隔水層厚度增大,從而可能使掘進巷道面臨突水威脅。因此,當深部水平掘進經過井田中部及東北局部構造復雜區域時,應加強構造探測,及時更新帶壓開采危險性評價,重點預防構造破碎帶突水。

3.2 回采工作面突水危險性評價

突水系數法是評價煤層帶壓開采簡單有效的方法,隨著認識深入,突水系數計算公式不斷修正完善,根據最新頒布的《煤礦防治水規定》(2009)推薦的計算公式,結合調研我國煤礦生產資料表明,底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06 MPa/m,正常塊段突水系數不大于0.1 MPa/m,尚可評價為安全區。

式中:T——突水系數,MPa/m;

P——底板隔水層承受的水壓,MPa;

M——底板隔水層厚度,m。

根據研究區及周邊井田的鉆孔實測數據計算得到突水系數,并結合前述研究區構造復雜程度情況繪制12＃煤層奧灰水帶壓開采突水危險性評價圖,如圖4所示,對研究區下部12＃煤層帶壓開采突水危險區域作出預測。

圖4 研究區12＃煤層奧灰水帶壓開采突水危險性評價圖

評價表明,研究區突水系數大致分布在0.02～0.09,目前生產水平十一水平(－850 m)突水系數均在0.06以下,回采工作面不具突水危險。但后期當礦井生產延深至十二水平(－1000 m)及更深水平時,研究區西北翼構造復雜塊段突水系數值超過0.06,下部12＃煤層回采工作面將面臨突水風險,屆時需提前預防,采取疏水降壓、注漿加固等相應措施防范底板奧灰水威脅。

4 奧灰水防范措施

根據評價結果,針對研究區中部及東北局部構造復雜區域掘進巷道及西北翼深部水平構造復雜塊段回采工作面可能存在的突水危險,提出以下幾方面措施防范奧灰水。

(1)加強構造探測,采用三維地震、順變電磁等物探方法結合鉆探驗證查明構造規模、導水性及破碎帶影響范圍等。淺部不導水的構造在深部須引起重視,重要巷道及采面布設應避免穿過構造發育區,在臨近構造區域留設防水煤柱。

(2)在含水層和隔水層條件方面,進行疏水降壓相當于減小奧灰水對底板含水層產生的水壓,進行注漿加固相當于增加底板隔水層厚度和提高底板隔水層阻抗水能力,均可有效地降低奧灰突水危險。

(3)完善排水系統,在深部水平增設強排水泵房,進行多階段排水,提高排水能力,更好地應對可能發生的水害。

(4)補充奧灰水文地質勘探,增加抽、放水試驗,不斷完善研究區奧灰水位、水壓、底板隔水層厚度等奧灰水文地質資料,及時更新有關帶壓開采方面的研究。

5 結論

(1)構造復雜程度評價表明研究區中部及東北局部構造相對復雜,影響帶壓開采危險性評價。受開平向斜主體構造控制,研究區奧灰巖自SE至NW埋深不斷增大;奧灰水位整體較低,為－70～15 m,自SE至NW水位不斷降低,底板隔水層承受的水壓約2.85～15.24 MPa;12＃煤層底板隔水層阻抗能力較好,厚約138.49～188.86 m,大體上自W至E厚度不斷增大。

(2)安全水頭值法和安全隔水層厚度法評價顯示林西礦深部水平12＃煤層開采掘進巷道基本不具突水危險;但井田中部及東北局部構造復雜區域受構造破壞作用可能面臨突水威脅,掘進經過時應注意預防。突水系數法對回采工作面突水危險性評價表明目前生產水平回采工作面不具突水危險;后期礦井生產延深至深部水平時,研究區西北翼構造復雜塊段12＃煤層回采工作面將面臨帶壓突水威脅,屆時需布設相關探水、防水工程。

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(責任編輯 郭東芝)

Water inrush risk evaluation on mining under pressure of Ordovician limestone water at the deep level in Linxi Mine

Feng Guangjun1,2,Li Wu1,2,Zhang Yong3,Xi Fangzhe4
(1.School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology, Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 2.Key Laboratory of Coalbed Methane Resource&Reservoir Formation Ministry of Education, China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 3.School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 4.Xi＇an Research Institute,China Coal Technology&Engineering Group,Xi＇an,Shaanxi 710054,China)

Based on the data of exploration,borehole,water level observation and pumping test results,research on the tectonic complexity and hydrogeological conditions of Ordovician limestone water in the research area was carried out.Water inrush risk on mining under pressure of Ordovician limestone water was evaluated synthetically by secure hydraulic head method,safe aquifuge thickness method and water bursting coefficient method.The results showed that it was generally safe in the mining and excavation roadway of No.12 coal seam.Nevertheless,the working face of No.12 coal seam in the complex structure block located the northwest of research area would be faced with water inrush threat when the mining area extended to the deep level,so water detection and prevention work should be carried out in advance.

mining under pressure,Ordovician limestone water,deep level,water bursting coefficient,Linxi Mine

P641 TD745

A

馮光俊(1992－),男,安徽滁州人,碩士研究生,研究方向為煤與油氣地質。