干河煤礦奧灰水帶壓開(kāi)采安全性評(píng)價(jià)

楊士春

（霍州煤電集團(tuán)公司霍寶干河煤礦，山西 霍州 031400）

水害是礦井的五大自然災(zāi)害之一。根據(jù)歷年我國(guó)煤礦水害事故統(tǒng)計(jì)情況，水害事故中因奧灰水突水引發(fā)的水害事故，往往因突然發(fā)生并且極具破壞性，導(dǎo)致了井下現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生傷亡事故、財(cái)產(chǎn)損失等惡性后果，產(chǎn)生了不良的社會(huì)反響[1-2]。所以，為消除奧灰水突水隱患、保障煤炭生產(chǎn)安全，須在研究礦井水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，分析評(píng)價(jià)礦井各可采煤層帶壓開(kāi)采的安全性和可行性，以達(dá)到為煤礦開(kāi)拓合理規(guī)劃、采掘工程科學(xué)布局以及有針對(duì)性地確定帶壓開(kāi)采防治對(duì)策提供有力的水文地質(zhì)依據(jù)。

1 礦井概況

霍寶干河礦區(qū)位于山西洪洞縣境內(nèi)。礦井產(chǎn)能1.80 Mt/a，布置有主立井、副立井和回風(fēng)立井，其水文地質(zhì)類型屬?gòu)?fù)雜型，為低瓦斯礦井。礦井目前開(kāi)采1、2號(hào)煤層。

霍寶干河礦井田處于萬(wàn)安詳查區(qū)的東北部，其南東邊界為下張端正斷層，其北西邊界為下團(tuán)柏正斷層，地層的整體走向變化幅度較小，其傾角范圍為5°～12°，傾向北西。南東、北西邊界附近與大斷層相伴生有寬緩的背、向斜，軸向和地層總體走向一致，亦為北東方向。區(qū)內(nèi)發(fā)育大小斷層116條，其中落差大于5 m的38條，井田內(nèi)小斷層比較發(fā)育，主要分布在井田的一、二采區(qū)，大部分?jǐn)鄬泳诓删蜻^(guò)程中發(fā)現(xiàn)。大于5 m斷層對(duì)采區(qū)劃分及采掘工作面布置具有較大影響，小于5 m斷層對(duì)回采工作面煤層開(kāi)采有影響。礦井開(kāi)采過(guò)程中已揭露陷落柱共21個(gè)，此外巖漿巖侵入現(xiàn)象未出現(xiàn)。其構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等類型。

井田范圍內(nèi)的可采煤層從地表向下共有1、2、7下、9、10、11號(hào)煤層等6層，其中1、2號(hào)煤層為較穩(wěn)定煤層，均屬于山西組范圍之內(nèi)，并且在井田的東南部這兩層煤合二為一，是本井田先期開(kāi)采的主采煤層。

2 奧灰水帶壓開(kāi)采安全評(píng)價(jià)

2.1 奧灰水水位

本井田奧陶系峰峰組巖溶水水位標(biāo)高在+505～+523 m左右，1、2號(hào)煤層底板標(biāo)高范圍分別為-10～+370 m、-20～+370 m，其底板都比奧灰水水位要低，屬于帶壓開(kāi)采范疇。

2.2 奧灰?guī)r溶水巖溶發(fā)育程度及富水性

奧灰?guī)r溶裂隙水是主要含水層，其總厚度為617 m，2018年水文補(bǔ)勘施工了1個(gè)GK12號(hào)水文奧灰孔，終孔進(jìn)入奧灰110 m，2008年水文補(bǔ)勘施工BK5和BK6號(hào)孔，終孔各進(jìn)入奧灰100 m，地質(zhì)勘探期間共施工水文孔2個(gè)，分別為401和603孔，其中401為終孔峰峰組鉆孔，進(jìn)入奧灰106.66 m，603孔為終孔上馬家溝組鉆孔，進(jìn)入奧灰205.67 m。本區(qū)603號(hào)孔完全揭露峰峰組，該組層厚146.8 m，分上、下段，一般上段含水，下段以石膏層、泥灰?guī)r為主，基本不含水，可視為隔水層，在此峰峰組僅說(shuō)明上段。

（1）峰峰組（O2f2）石灰?guī)r溶裂隙含水層

峰峰組上段下部巖溶裂隙相對(duì)發(fā)育，含水層平均厚度為15.3 m。在文水補(bǔ)勘期間分別對(duì)BK5、BK6孔采取了抽水試驗(yàn)的方法，其單位涌水量為0.027 7～0.552 L/s·m，屬弱—中等富水含水層。

（2）上馬家溝組（O2s）石灰?guī)r溶隙含水層

井田內(nèi)水源井揭露該段，揭露厚度為217.74 m，巖性上部為灰?guī)r，夾泥灰?guī)r，中部白云質(zhì)泥灰?guī)r，巖溶裂隙較發(fā)育，其中在945～958 m處出現(xiàn)全孔漏失現(xiàn)象；底部為泥灰?guī)r。水源井O2s+O2x三降深混合抽水單位涌水量平均為0.482 L/s·m，水質(zhì)類型為SO4HCO3-Ca·Mg型水，屬中等富水含水層。

（3）下馬家溝組（O2x）巖溶裂隙含水層

水源井揭露該段，揭露厚度均為109.73 m，巖性上部為泥灰?guī)r，中部為豹皮灰?guī)r，鉆探時(shí)出現(xiàn)掉鉆，巖溶裂隙發(fā)育，底部為泥灰?guī)r。水源井O2s+O2x三降深混合抽水單位涌水量平均為1.54 L/s·m，水質(zhì)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型水，為強(qiáng)富水含水層。

2.3 斷層導(dǎo)水性分析

本井田區(qū)域構(gòu)造屬汾渭裂谷系臨汾盆地的北部，邊界斷裂控制著盆地的范圍，也控制著盆地的形成和發(fā)展。由于受盆地邊界的影響，井田總體走向北東，發(fā)育一系列走向北東的正斷裂，井田內(nèi)共發(fā)現(xiàn)116條正斷層，其中延伸較長(zhǎng)、落差較大的主要有下團(tuán)柏?cái)鄬印⑾聫埗藬鄬印1斷層。這些斷層均為正斷層，在井田內(nèi)F1落差為20～200 m，下張端斷層落差為50～120 m，下團(tuán)柏?cái)鄬勇洳?80～350 m。

干河井田內(nèi)煤層屬帶壓開(kāi)采，斷層兩側(cè)區(qū)域具有發(fā)生導(dǎo)水的潛在隱患，上下兩層含水層之間將具有通過(guò)斷層構(gòu)造產(chǎn)生水力溝通的可能性，對(duì)煤層開(kāi)采造成不利影響。斷裂構(gòu)造無(wú)論大小，均具有形成充水水源突入工作面通道的可能性。

2.4 煤層底板巖層特征

根據(jù)本區(qū)及周邊先后共施工的鉆孔資料隔水層厚度可以得知，2號(hào)煤層底板隔水層厚度范圍為63.32～145.28 m，一般117.50 m。隔水層主要由泥巖、粉砂巖等構(gòu)成，巖體整體比較完整且較為致密，由于其結(jié)構(gòu)為泥質(zhì)巖同砂巖及灰?guī)r之間具有相互疊置作用，不易在砂巖同灰?guī)r之間產(chǎn)生垂直裂隙。因此，在無(wú)地質(zhì)構(gòu)造及采動(dòng)裂隙溝通的情況下，其隔水性能對(duì)2號(hào)煤的安全開(kāi)采是較為有利的。

2.5 突水系數(shù)計(jì)算及突水危險(xiǎn)性區(qū)帶劃分

按《煤礦防治水細(xì)則》附錄五[3]，分別對(duì)1、2號(hào)煤層的突水系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)突水可能性作出評(píng)價(jià)。

圖1 1號(hào)煤層奧灰含水層帶壓開(kāi)采分區(qū)結(jié)果（比例尺1:25000）

圖2 2號(hào)煤層奧灰含水層帶壓開(kāi)采分區(qū)結(jié)果（比例尺1:25000）

式中：P為作用于底板隔水層上的水頭壓力，P=（H0-H1+M）×0.009 8，MPa；H0為奧灰水的標(biāo)高，m；H1表示煤層底板標(biāo)高的最小值，m；M為煤層底板隔水層厚度，m。

計(jì)算得，1、2號(hào)煤層奧灰突水系數(shù)范圍分別為0.019～0.056 MPa/m、0.022～0.059 MPa/m，均比規(guī)定的臨界值0.06 MPa/m要小。因此，通常狀況其突水可能性也相應(yīng)較低。

干河礦的斷層等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育較多，因此將其劃分到受構(gòu)造破壞范疇之內(nèi)。以臨界值0.06 MPa/m，分別對(duì)1、2號(hào)煤層的非突水危險(xiǎn)區(qū)和突水危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行劃分。考慮到井田曾發(fā)生過(guò)斷層突水事故，故將斷層兩側(cè)50 m范圍劃分為突水危險(xiǎn)區(qū)，圖1、圖2為1、2號(hào)煤層奧灰含水層帶壓開(kāi)采分區(qū)結(jié)果。

2.6 巷道掘進(jìn)安全性評(píng)價(jià)

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》附錄五[3]，對(duì)掘進(jìn)工作面底板隔水層的安全厚度進(jìn)行計(jì)算。

式中：L為巷道寬度大小，m；r為底板隔水層重度均值，MN/m3；KP為底板隔水層抗拉強(qiáng)度均值，MPa。

根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告及采區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)，巷道寬度取設(shè)計(jì)寬度5.2 m，松動(dòng)圈取2 m，則巷道底板寬度取7.2 m；據(jù)地質(zhì)報(bào)告資料，各煤層底板抗拉強(qiáng)度為1.09～2.39 MPa；隔水巖柱平均重度，取0.024 5 MN/m3；最大水頭壓力為6.992 MPa。代入式（2），則2號(hào)煤層安全隔水層厚度為8.58 m。由于2號(hào)煤層底板隔水層厚度范圍為63.32～145.28 m，大于安全隔水層計(jì)算厚度8.58 m。因此，底板奧灰水不會(huì)威脅到正常掘進(jìn)工作面，但在斷層等地質(zhì)構(gòu)造破壞處會(huì)有突水隱患。

3 奧灰水突水量預(yù)測(cè)

巷道及工作面在推進(jìn)過(guò)程中遇斷層時(shí)單點(diǎn)突水計(jì)算公式是依據(jù)達(dá)西定律，按照勢(shì)迭加原理，將水平掘進(jìn)的巷道穿過(guò)垂直或近于垂直的充水?dāng)嗔岩暈榇怪焙畬又械乃骄Ｓ捎?號(hào)煤為上組煤最下部煤層，本次設(shè)計(jì)礦井奧灰水突水量預(yù)測(cè)按照2號(hào)煤進(jìn)行計(jì)算[4]。

預(yù)測(cè)涌水量Q計(jì)算公式[5]：

式中：S為水平井降深，m；M為斷裂帶及影響帶寬度，m；K為滲透系數(shù)，m/d；r0為開(kāi)拓巷道的半徑，m；R為含水層引用補(bǔ)給半徑，m。

根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告及采掘工程設(shè)計(jì)資料，滲透系數(shù)取0.13 m/d；斷裂帶及影響帶寬度取10 m；水平井降深值的確定：煤層底板標(biāo)高最低點(diǎn)處奧灰水位標(biāo)高523 m，2號(hào)煤層底板最低標(biāo)高-20 m；開(kāi)拓巷道的半徑的確定：取2號(hào)煤層大巷、順槽、切眼等掘進(jìn)斷面的最大及最小半徑值。煤層順槽掘進(jìn)斷面16.8 m2，工作面切眼掘進(jìn)斷面28.35 m2，即2號(hào)煤層開(kāi)拓巷道的半徑為3.0 m。代入式（3），預(yù)測(cè)奧灰?guī)r溶水突水量為234 m3/h。

4 結(jié)語(yǔ)

在分析霍寶干河煤礦礦井水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》相關(guān)要求對(duì)1、2號(hào)煤層奧灰含水層帶壓開(kāi)采突水系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并按突水威脅程度進(jìn)行了分區(qū)，預(yù)測(cè)了奧灰水突水量，并對(duì)巷道掘進(jìn)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為煤礦開(kāi)拓合理規(guī)劃、采掘工程科學(xué)布局以及有針對(duì)性地確定帶壓開(kāi)采防治對(duì)策提供了有力的水文地質(zhì)依據(jù)。

根據(jù)奧灰突水的特性及以往奧灰突水事故，斷層、陷落柱等構(gòu)造通常是奧灰突水的通道，在導(dǎo)水時(shí)甚至?xí)嬖跍笮浴Ｒ虼耍?、2號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)，關(guān)鍵是要做好對(duì)斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)和監(jiān)控工作，加強(qiáng)對(duì)斷層、次生小斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)、控制，查明斷層的含水性、導(dǎo)水性，以防斷層導(dǎo)水造成透水事故。