王家嶺煤礦奧灰帶壓開采安全性評價

吳振嶺

（中國煤炭地質總局 水文地質局，河北 邯鄲 056000）

0 引 言

王家嶺煤礦位于鄉寧縣西南約9 km處，行政區劃從屬鄉寧縣棗嶺鄉、西坡鎮、西交口鄉、昌寧鎮。井田面積為119.710 9 km2，年產量750萬t/a。目前開采山西組2號煤層。井田地層為走向NE，傾向W和NW的單斜構造，伴有寬緩的背向斜褶曲構造，傾角平緩，一般為4°～8°，局部區域大于15°。井田構造較為簡單，發育褶曲2條，落差大于等于10 m的斷層19條，未發現陷落柱。

在水文地質單元上，王家嶺煤礦位于禹門口泉域徑流區，屬巖溶埋藏區，并且奧陶系巖溶裂隙含水層富水性弱—極強，富水性極不均一[1]。井田內大部分地段2號煤層位于奧灰巖溶水水位以下，屬帶壓開采，雖水頭壓力不大，但巖溶陷落柱和構造斷裂發育，隨著礦井開采水平延深，2號煤層的開采受底板奧灰承壓水的威脅越來越嚴重。為了研究奧灰含水層對2號煤層采掘的影響程度，本文重點分析了井田內奧灰含水層富水性特征、底板隔水層阻水能力及底板擾動破壞深度等因素，采用突水系數法對2號煤層奧灰帶壓開采進行了安全性評價。

1 奧灰含水層富水性分析

煤系基底為奧陶系碳酸鹽巖，厚度約500 m左右，巖性主要由灰巖、白云質灰巖、泥質白云巖、白云巖、角礫狀泥灰巖組成。巖溶形態以巖溶裂隙為主，伴有少量的溶孔、溶洞，區域范圍內上馬家溝組富水性強于峰峰組含水層，也是區域內主要供水含水層[2,3]。

峰峰組含水層的水位標高為+447.76-+591.03 m，統一口徑單位涌水量為0.000 4～0.387 4 L/s.m，滲透系數為0.015 7～42.548 4 m/d，富水性弱—中等。

峰峰組和上馬家溝組含水層混合水位標高為+442.33—+558.89 m，統一口徑單位涌水量為0.000 7~6.243 1 L/s.m，滲透系數為0.002 5～389.578 m/d，富水性弱—極強。

下面從3個方面對比分析峰峰組與上馬家溝組含水層的富水性。

（1）以往鉆孔揭露峰峰組厚度為63.65～144.25 m，平均為105.46 m，該組裂隙一般不發育，個別節理裂隙較發育層段也多為干裂隙，并且鉆進過程中沖洗液消耗量也較小或不消耗，擴散測井未見出水段。上馬家溝組厚度為170.80 m~229.38 m，平均為200.42 m，破碎、石灰巖類巖溶發育，故其它條件相同的情況下，上馬家溝組含水層的富水性要強于峰峰組含水層。

（2）從橫向上看，峰峰組含水層統一口徑單位涌水量大部分區域小于0.1 L/s.m，富水性弱，僅SW2、SW6、SW7鉆孔富水性達到中等，峰峰組和上馬家溝組混合含水層富水性不均一，SW2、SW9號鉆孔統一口徑單位涌水量均大于5 L/s.m，富水性極強；從縱向上看，峰峰組含水層統一口徑單位涌水量遠小于峰峰組及上馬家溝組混合含水層，從而可以看出上馬家溝組含水層的富水性強于峰峰組含水層。

（3）由圖1、圖2可以看出，井田內奧灰水富水性不均一，在井田北部，在SW2—SW1—SW9號孔一條帶上奧灰水富水性為強—極強，而井田在這一條帶的南部則富水性為弱—中等。

圖1 巖溶裂隙含水層單位涌水量等值線（峰峰組）Fig.1 Contour map of unit water inflowof karst fractured aquifer(O2f)

圖2 巖溶裂隙含水層單位涌水量等值線（峰峰組+上馬家溝組）Fig.2 Contour map of unit water inflowof karst fractured aquifer(O2f+s)

2 隔水層阻水能力分析

隔水層由2號煤層底板至奧陶系頂界隔水層組成。巖性主要以泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、鋁土泥巖為主，偶夾薄層石灰巖或泥灰巖。泥巖厚度占隔水層總厚度的68%以上。泥巖屬塑性巖類，砂巖屬脆性巖類。天然條件下，塑性巖隔水能力強，抗水壓能力較弱。脆性巖的隔水能力較弱，但水壓能力較強，一般情況下，二者組合可以有效起到阻水抗壓作用，對阻止奧灰水與上覆各含水層間水力聯系起到較大作用[4]。

3 底板擾動破壞深度的分析評價

底板破壞深度主要受礦壓作用影響，主要因素有煤層傾角、煤層厚度、開采深度和開采工藝等。采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中計算公式對煤層底板破壞深度進行計算。計算公式見式（1）。

式中：H為開采深度，選用各鉆孔的統計資料；α為煤層傾角，煤層傾角一般地段為4°左右，褶皺圍為20°左右；L為工作面斜長，取工作面斜長260 m。礦壓擾動破壞帶破壞了底板隔水層的原始結構，致使隔水層有效厚度減小，有可能誘發構造突水或造成底板突水[5-6]。

從上述計算可以看出，煤層開采深度越大，礦壓作用對煤層底板隔水層的破壞程度也越大。2號煤層底板破壞深度為25.38～30.18 m，破壞程度整體呈現中、北部地段較厚，其余地段較薄的趨勢（圖3）。2號煤層底板距奧灰頂板約64.53～113.05 m，2號煤層底板奧灰有效隔水層厚度為37.27～83.49 m。隔水層完整無斷裂構造破壞地段2號煤層底板隔水層厚度均大于礦壓作用對煤層底板的破壞深度，具有一定的保護層，發生突水的可能性較小。

圖3 2號煤層底板礦壓破壞帶深度Fig.3 Depth of ground pressure failure zone of No.2 Coal Seam floor

4 2號煤層底板奧灰突水危險性評價

（1）帶壓范圍。2號煤層位于二疊系山西組中下部，下距奧灰頂板約67.49—113.05 m，平均80.74 m。2號煤層底板標高為+50～+930 m，據以往鉆孔奧灰抽水資料推測井田內奧灰水水位標高為+400—+560 m，井田內鉆孔B2-2—B4-1—B5-2—B6-1—1119—1097—B12-1連線以北及西北地段，2號煤層底板標高低于奧灰水水位標高，屬帶壓開采區（圖4）。

圖4 2號煤層底板奧灰水帶壓范圍Fig.4 Pressure range of Ordovician limestone water in the floor of No.2 Coal Seam

（2）水頭壓力。2號煤層底板隔水層承受的水壓為0.667～3.392 MPa，井田內2號煤層底板奧灰水頭壓力由東南向西北逐漸增大（圖5）。

圖5 2號煤層底板奧灰水頭壓力等值線Fig.5 Contour of Ordovician limestone head pressure in the floor of No.2 Coal Seam

（3）突水系數法計算。2號煤層底板奧灰隔水層厚度為67.49～113.05 m，平均80.74 m，井田南部、東北地段較厚，西部相對較薄。煤層底板隔水層承受的水壓為0.667～3.392 MPa，平均1.677 MPa，井田內水壓值整體呈現由東南向西北逐漸增大的趨勢。結合鉆孔隔水層厚度資料及隔水層底板承受的奧灰水壓值，按突水系數計算公式計算得井田內2號煤層底板奧灰水突水系數為0.010～0.048 MPa/m（表1），井田總體呈現突水系數由東南向西北逐漸增大。

表1 2號煤層底板奧灰突水系數統計Table 1 Statistics of Ordovician limestone water inrush coefficient of No.2 Coal Seam floor

續表

（4）突水危險性分區。按《煤礦防治水細則》中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0.10 MPa/m[7-10]。井田內2號煤層奧灰突水系數均小于0.06 MPa/m，因此，井田內突水系數小于0.06 MPa/m的正常塊段及非帶壓區，評價為非突水危險區；帶壓區內構造地段突水系數小于0.06 MPa/m，評價為突水威脅區；該井田不存在奧灰突水危險區（圖6）。

5 結 論

（1）據水文鉆孔資料，奧灰巖溶水屬富水性不均一的含水層，對2號煤層開采構成威脅的主要為奧陶系上馬家溝組含水層，2號煤層在井田的北部存在帶壓開采。

（2）2號煤層底板至奧灰頂界面隔水層巖性主要以泥巖、砂質泥巖、粉砂巖及鋁土泥巖為主，偶夾薄層石灰巖或泥灰巖，具有較好的阻隔水能力。

（3）通過計算2號煤層底板破壞深度為25.38～30.18 m，遠小于2號煤層底板至奧灰頂板的距離，正常地段發生突水的可能性較小。

（4）井田內2號煤層奧灰突水系數均小于煤層底板受構造破壞地帶的臨界突水系數0.06 MPa/m，正常地段屬于非突水危險區，構造地段屬于突水威脅區，不存在突水危險區。煤礦生產過程中應注重斷層的導水性探測。

圖6 2號煤層奧灰水突水危險性分區Fig.6 Risk zoning of Ordovician limestone water inrush in No.2 Coal Seam