云崗礦8號(hào)煤層底板奧灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

周麗娜

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗煤礦，山西 大同 037000）

1 地質(zhì)概況

云崗煤礦位于大同煤田的北部，主向斜軸的西翼，地層總體走向是東北向，傾向是西南向，礦區(qū)內(nèi)地表徑流屬季節(jié)性河流，平時(shí)有礦井水補(bǔ)給，徑流量為0～0.2 m3/d。云崗礦8號(hào)煤層底板標(biāo)高+169～+238 m，井田奧灰水位標(biāo)高在+1 100～+1 150 m。煤層的平均厚度為2.80 m，煤層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及煤分層組成，煤層頂板砂質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度為23.2 MPa，屬弱巖，對(duì)8 號(hào)煤層直接頂板含水層具有一定的隔水作用。云崗礦8號(hào)煤層底板奧灰水承壓見圖1，根據(jù)相關(guān)資料，采用五圖雙系數(shù)法［1］對(duì)煤層底板突水進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

圖1 8 號(hào)煤層底板奧灰水承壓

2 五圖雙系數(shù)法

2.1 破壞深度等值線圖

在工作面回采過程中，由于礦壓等因素綜合作用的結(jié)果，在煤層底板產(chǎn)生一定深度的破壞，這種破壞后的巖層具有導(dǎo)水能力，故稱之為“導(dǎo)水破壞深度”。采用“三下開采規(guī)范”推薦公式［2］，計(jì)算底板采動(dòng)帶的破壞深度。

h=0.008 5H-0.166 5a+0.107 9L-4.357 9

式中：h為底板破壞深度，m；H為開采深度，m；a為傾角，°；L為工作面斜長(zhǎng)。

估算礦區(qū)內(nèi)各個(gè)鉆孔煤層開采后的破壞深度，同時(shí)計(jì)算出各個(gè)鉆孔煤層有效隔水層厚度，計(jì)算工作面斜長(zhǎng)，采用初步設(shè)計(jì)值236 m，開采煤層傾角取值按照勘探鉆孔揭露煤層傾角，開采深度取勘探鉆孔各煤層底板埋深的實(shí)際值。根據(jù)煤層底板破壞深度的計(jì)算結(jié)果，繪制的底板壞深度等值線見圖2。

圖2 底板破壞深度等值線

根據(jù)圖2 分析，井田范圍由南至北煤層采動(dòng)破壞深度逐漸增大，破壞深度值大約24～26.8 m之間。

2.2 隔水層厚度等值線圖

煤層底板隔水層厚度是底板與含水層頂板之間的巖層，主要作用是阻止承壓水進(jìn)入采掘空間，根據(jù)鉆孔揭露的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出底板隔水層厚度，繪制的底板隔水層厚度等值線見圖3。

圖3 底板隔水層厚度等值線

根據(jù)圖3 分析，井田范圍以王1002 鉆孔為中心，分別向東、向西隔水層厚度逐漸增大，厚度值大約在113.56～170 m之間，隔水層厚度較大。

2.3 底板水頭等值線圖

8 號(hào)煤層距奧陶系灰?guī)r頂界面平均約123 m，由于隔水層的厚度比較大，存在奧灰水突水的危險(xiǎn)性很小。但如遇到大的斷層或陷落柱時(shí)，由于隔水層的厚度變小，存在承壓水突水的危險(xiǎn)性就會(huì)增大［3］。根據(jù)歷次勘探的抽水試驗(yàn)成果表明，雁13、W506 號(hào)孔，鉆孔揭露灰?guī)r19.98～57.19 m，下奧陶統(tǒng)單位涌水量0.208～0.243 L/s·m；T507、T807、T1603 號(hào)孔揭露灰?guī)r104.98～119.37 m，揭露地層為下奧陶統(tǒng)及寒武系，抽水試驗(yàn)單位涌水量0.003 45～0.012 35 L/s·m。由上述抽水試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本區(qū)巖溶發(fā)育具有不均一性，含水層的富水性差異較大，由弱富水至中等富水。

根據(jù)奧灰水位埋深計(jì)算出煤層所承受的奧灰水頭壓力，繪制的底板水頭壓力等值線見圖4。

圖4 底板水頭壓力等值線

根據(jù)圖4 分析，井田范圍以T304 鉆孔為中心，分別向四周輻射水頭壓力逐漸降低，水頭值大約在3.04～1.2 MPa之間，水頭壓力較大。

2.4 有效隔水層厚度等值線圖

底板隔水層厚度與采動(dòng)破壞帶深度的差值是底板的有效隔水層厚度，能阻抗水頭的壓力，對(duì)煤層起安全保護(hù)作用，根據(jù)前文計(jì)算出的底板隔水層厚度和底板破壞深度，計(jì)算出底板的有效隔水層厚度，繪制的底板隔水層厚度等值線見圖5。

圖5 底板有效隔水層厚度等值線

根據(jù)圖5 分析，井田范圍以王1002 鉆孔為中心，分別向東北、西南方向有效隔水層厚度逐漸增大，厚度約在87.56～140 m之間，隔水層厚度較大。

2.5 突水系數(shù)

在對(duì)保護(hù)層進(jìn)行研究時(shí)，要進(jìn)行保護(hù)層阻抗水頭壓力能力測(cè)試，觀測(cè)每米巖層可阻抗多大的水壓，根據(jù)參數(shù)來計(jì)算總體帶壓系數(shù)，但由于8 號(hào)煤層沒有進(jìn)行阻抗水頭壓力能力測(cè)試，因而無法計(jì)算帶壓系數(shù)，因此只對(duì)突水系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

T=P/M

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；P為隔水層底板承受的靜水壓力，MPa；M為底板有效隔水層厚度，m。

根據(jù)公式計(jì)算煤層底板的突水系數(shù)，繪制的突水系數(shù)等值線見圖6。

圖6 突水系數(shù)等值線

根據(jù)圖6 分析，突水系數(shù)最大在王1001 鉆孔附近，井田范圍突水系數(shù)約在0.01～0.032 MPa之間，突水系數(shù)較小。

3 評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)分析

三級(jí)判別是三個(gè)指標(biāo)，用來判別是否突水、突水形式以及突水量變化，其中，I級(jí)判別是對(duì)工作面必然發(fā)生直通式突水判別的指標(biāo)；Ⅱ級(jí)判別是對(duì)工作面發(fā)生非直通式突水可能性及突水形式判別的指標(biāo)；Ⅲ級(jí)判別是對(duì)己被Ⅱ級(jí)判別定為突水的工作面其突水量變化狀況判別的指標(biāo)。

3.1 Ⅰ級(jí)判別

根據(jù)底板破壞深度和有效隔水層厚度，井田范圍煤層底板破壞深度約24.0～26.8 m，煤層底板有效隔水層厚度約80～140 m，由此判斷煤層底板奧灰水發(fā)生直通式突水的可能性不大，危險(xiǎn)性小。

3.2 Ⅱ級(jí)判別

根據(jù)煤層底板突水系數(shù)，井田范圍內(nèi)煤層底板最大突水系數(shù)為0.032 MPa/m，滿足《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦防治水細(xì)則》中臨界突水系數(shù)的要求［4］。因此，可以確定8 號(hào)煤層底板有很小的非直通式突水可能，突水的危險(xiǎn)性大大降低。由于本區(qū)內(nèi)的斷層大多是張性正斷層，對(duì)于斷層落差較大的區(qū)域，地層的完整性遭到破壞，也影響隔水層的連續(xù)性，增加了突水的危險(xiǎn)性，對(duì)煤層開采造成很大的影響。特別是在F45、F46斷層處開采8 號(hào)煤層時(shí)可能發(fā)生直通式突水。

3.3 Ⅲ級(jí)判別

已經(jīng)施工的王901 水文孔，揭露灰?guī)r厚度127.18 m，抽水試驗(yàn)灰?guī)r含水段的水位標(biāo)高為+1 118.15 m，煤層的單位涌水量為0.013 0 L/s·m，滲透系數(shù)為0.064 m/d，富水性較弱。在開采時(shí)，F(xiàn)26、F45、F46、F1669、F3及F5斷層附近發(fā)生非直通式突水時(shí)，其突水量較其他塊段大。8 號(hào)煤層奧灰水承壓較大，可達(dá)2 MPa以上，總體呈中部向兩邊逐漸減小的趨勢(shì)，因此發(fā)生突水時(shí)，突水量也是中部較西部和南部大。

綜上所述，8 號(hào)煤層帶壓開采的評(píng)價(jià)結(jié)果為：8 號(hào)煤層井田內(nèi)為非直通型—帶壓開采安全，在井田西南角為發(fā)生直通式突水危險(xiǎn)大。

4 結(jié)論

為預(yù)測(cè)云崗礦8號(hào)煤層底板突水的危險(xiǎn)性，采用五圖雙系數(shù)法，結(jié)果如下：

1）煤層底板破壞深度值約24～26.8 m，隔水層厚度值約113.56 ～170 m，底板水頭值約3.04～1.2 MPa，有效隔水層厚度約87.56～140 m，突水系數(shù)約0.01～0.032 MPa。

2）8 號(hào)煤層帶壓開采區(qū)底板突水的危險(xiǎn)性主要?jiǎng)澐譃棰瘛ⅱ颉ⅱ蠹?jí)區(qū)，判別結(jié)果表明，在井田內(nèi)為非直通型—帶壓開采安全，在井田西南角為發(fā)生直通式突水危險(xiǎn)大。