馮光俊李 伍張 泳奚方喆

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇省徐州市,221116; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省徐州市,221116; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 4.中煤科工集團(tuán)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(kāi)采突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

馮光俊1,2李 伍1,2張 泳3奚方喆4

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇省徐州市,221116; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省徐州市,221116; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 4.中煤科工集團(tuán)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(cè)數(shù)據(jù)和抽水試驗(yàn)成果,對(duì)研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度和奧灰水文地質(zhì)條件展開(kāi)研究,并采用安全水頭值法、安全隔水層厚度法和突水系數(shù)法對(duì)奧灰水帶壓開(kāi)采突水危險(xiǎn)性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:研究區(qū)下部12＃煤層開(kāi)采掘進(jìn)巷道基本不具突水危險(xiǎn);而當(dāng)?shù)V井生產(chǎn)延伸至深部水平時(shí),研究區(qū)西北翼構(gòu)造復(fù)雜塊段12＃煤層回采工作面將面臨突水威脅,屆時(shí)需提前開(kāi)展探水、防水工作。

帶壓開(kāi)采 奧灰水 深部水平 突水系數(shù) 林西礦

煤層帶壓開(kāi)采直接關(guān)系到煤層底板突水災(zāi)害,威脅礦井安全生產(chǎn),而華北石炭－二疊系煤田煤系基底奧陶系灰?guī)r(下稱奧灰?guī)r)發(fā)育為強(qiáng)承壓含水層,下部煤層奧灰水帶壓開(kāi)采問(wèn)題尤為突出。開(kāi)灤集團(tuán)林西礦開(kāi)采已有百余年歷史,目前正向深部十二水平(－1000 m)開(kāi)拓,隨著開(kāi)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(yīng)的帶壓開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)也日益增高,對(duì)礦井深部水平帶壓開(kāi)采突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)勢(shì)在必行。以林西礦最下部穩(wěn)定可采煤層12＃煤層為研究對(duì)象,從構(gòu)造復(fù)雜程度、奧灰?guī)r發(fā)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(kāi)研究,并對(duì)研究區(qū)12＃煤層開(kāi)采掘進(jìn)巷道及回采工作面奧灰水帶壓開(kāi)采突水危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià),提出相應(yīng)防范措施,為礦井安全高效生產(chǎn)提供參考。

1 礦井地質(zhì)概況

林西礦位于開(kāi)平向斜轉(zhuǎn)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(shì)平坦、構(gòu)造簡(jiǎn)單,可劃分為四個(gè)構(gòu)造塊段,發(fā)育有以開(kāi)平向斜形態(tài)為主格局的次一級(jí)褶曲杜軍莊背斜和黑鴨子向斜;斷層僅F1、F1′發(fā)育規(guī)模較大,落差約30～50 m,小型斷層比較發(fā)育,多為高角度正斷層,常發(fā)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(qū)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(tǒng)趙各莊組和下二疊統(tǒng)大苗莊組,第四系沉積物直接覆蓋其上。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造綱要圖

帶壓開(kāi)采危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與構(gòu)造發(fā)育情況密切相關(guān),相同含、隔水層條件下,構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域帶壓開(kāi)采危險(xiǎn)性更大,更易發(fā)生突水事故。為此,依據(jù)揭露的12＃煤層底板斷層和巖漿巖發(fā)育情況,基于分形分維思想,在計(jì)算機(jī)VC＋＋6.0程序語(yǔ)言編程和AutoCAD軟件輔助下,采用網(wǎng)絡(luò)覆蓋法統(tǒng)計(jì)、計(jì)算分維值對(duì)12＃煤層構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。12＃煤層底板構(gòu)造復(fù)雜程度分形分維評(píng)價(jià)見(jiàn)圖2,可見(jiàn)井田中部及東北局部構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜,影響帶壓開(kāi)采突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

圖2 12＃煤層底板構(gòu)造復(fù)雜程度分形分維評(píng)價(jià)圖

2 奧灰水文地質(zhì)特征

2.1 奧灰?guī)r發(fā)育展布特征

研究區(qū)主要補(bǔ)給水源為大氣降水和地表水,煤系主要充水含水層為奧灰?guī)r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(fā)育,含水量豐富。根據(jù)林西礦及相鄰井田奧灰鉆孔資料、抽水試驗(yàn)成果和水位觀測(cè)數(shù)據(jù),繪制了研究區(qū)奧灰頂界等高線及奧灰等水位線,如圖3所示,可見(jiàn)受開(kāi)平向斜主體構(gòu)造控制,奧灰?guī)r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(xiàn)奧灰露頭。

圖3 研究區(qū)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(duì)隔水層的水壓大小。研究區(qū)處于徑流帶,地下水從開(kāi)平向斜北西翼高處補(bǔ)給,南東翼低處排泄;趙各莊礦深部水平開(kāi)采利用其四、七水平疏放水基地進(jìn)行疏水降壓,形成地下水降落漏斗,影響了局部地下水流場(chǎng)。受益于趙各莊礦疏水降壓,林西礦范圍內(nèi)水位也同時(shí)發(fā)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(cè)不斷降低,且降幅不斷增大,表現(xiàn)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(cè)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(cè)孔“林O－1”水位降落不明顯,水位為1.84 m。分析原因?yàn)榱治鞯V北部與趙各莊礦邊界處發(fā)育有隱伏構(gòu)造,隔斷了局部水力聯(lián)系,導(dǎo)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(xué)性質(zhì)及巖性組合關(guān)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(qū)下部12＃煤層與奧灰之間地層主要由泥巖、薄層灰?guī)r、砂巖互層組成,隔水性能相對(duì)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(qū)變化穩(wěn)定,大體上自W至E呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì),這與12＃煤層的埋深變化趨勢(shì)近似相反,意味著12＃煤層不斷向深部開(kāi)采的過(guò)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(chǎn)水平不斷向深部延伸,帶壓開(kāi)采突水危險(xiǎn)性將不斷增大。

3 帶壓開(kāi)采突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

帶壓開(kāi)采突水問(wèn)題受多種因素疊加控制,國(guó)內(nèi)外學(xué)者及相關(guān)行業(yè)規(guī)范提出了多種評(píng)價(jià)方法,斯列薩列夫公式推導(dǎo)出的安全水頭值法、安全隔水層厚度法和突水系數(shù)法得到了廣泛應(yīng)用,其中前兩者主要適用于掘進(jìn)巷道突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià),而后者對(duì)掘進(jìn)巷道和回采工作面均適用。為此,在上述理論方法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支撐下對(duì)研究區(qū)下部煤層奧灰水帶壓開(kāi)采突水危險(xiǎn)性進(jìn)行多角度評(píng)價(jià)。

3.1 掘進(jìn)巷道突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

3.1.1 安全水頭值法

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》(2009)推薦的安全水頭值計(jì)算公式,當(dāng)?shù)装甯羲畬映惺艿膶?shí)際水頭值超過(guò)安全水頭計(jì)算值時(shí),掘進(jìn)巷道底板即存在突水危險(xiǎn)。

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(qiáng)度, MPa。

由林西礦實(shí)際生產(chǎn)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(qiáng)度Kp取0.4 MPa。由各鉆孔隔水層厚度值計(jì)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(qū)底板隔水層承受的奧灰水壓最大值僅為15.24 MPa,遠(yuǎn)低于安全水壓值。因此,初步評(píng)價(jià)認(rèn)為目前的奧灰水頭值不足以對(duì)12＃煤層開(kāi)采掘進(jìn)巷道構(gòu)成突水威脅。

3.1.2 安全隔水層厚度法

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》(2009)推薦的安全隔水層厚度計(jì)算公式,當(dāng)?shù)装甯羲畬訉?shí)際厚度小于計(jì)算值時(shí),則掘進(jìn)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(qiáng)度,MPa;

P——底板隔水層承受的水頭壓力,MPa。

將上節(jié)參數(shù)帶入式(2),計(jì)算得到掘進(jìn)巷道安全隔水層厚度值為8.16～19.30 m。據(jù)目前鉆孔資料,研究區(qū)12＃煤層底板隔水層厚度最小為138.49 m,遠(yuǎn)大于安全隔水層厚度計(jì)算值,表明底板隔水層足以阻抗目前奧灰水產(chǎn)生的水壓,確保12＃煤層開(kāi)采掘進(jìn)巷道安全。

綜上所述,林西礦范圍內(nèi)奧灰水對(duì)底板隔水層產(chǎn)生的實(shí)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(rèn)為在開(kāi)拓過(guò)程中掘進(jìn)巷道基本不存在突水危險(xiǎn)。但是在構(gòu)造發(fā)育區(qū)域,斷層、陷落柱等構(gòu)造破壞了隔水層完整性,破碎的巖體結(jié)構(gòu)致使隔水層平均抗拉強(qiáng)度Kp減小,相應(yīng)的阻抗能力下降;同時(shí)這些構(gòu)造可能導(dǎo)通含水層形成儲(chǔ)水空間,縮短煤層與奧灰含水層的距離,相當(dāng)于減小了隔水層厚度。這些因素將導(dǎo)致安全水頭值減小,安全隔水層厚度增大,從而可能使掘進(jìn)巷道面臨突水威脅。因此,當(dāng)深部水平掘進(jìn)經(jīng)過(guò)井田中部及東北局部構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域時(shí),應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造探測(cè),及時(shí)更新帶壓開(kāi)采危險(xiǎn)性評(píng)價(jià),重點(diǎn)預(yù)防構(gòu)造破碎帶突水。

3.2 回采工作面突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

突水系數(shù)法是評(píng)價(jià)煤層帶壓開(kāi)采簡(jiǎn)單有效的方法,隨著認(rèn)識(shí)深入,突水系數(shù)計(jì)算公式不斷修正完善,根據(jù)最新頒布的《煤礦防治水規(guī)定》(2009)推薦的計(jì)算公式,結(jié)合調(diào)研我國(guó)煤礦生產(chǎn)資料表明,底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m,正常塊段突水系數(shù)不大于0.1 MPa/m,尚可評(píng)價(jià)為安全區(qū)。

式中:T——突水系數(shù),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(jù)研究區(qū)及周邊井田的鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到突水系數(shù),并結(jié)合前述研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度情況繪制12＃煤層奧灰水帶壓開(kāi)采突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖,如圖4所示,對(duì)研究區(qū)下部12＃煤層帶壓開(kāi)采突水危險(xiǎn)區(qū)域作出預(yù)測(cè)。

圖4 研究區(qū)12＃煤層奧灰水帶壓開(kāi)采突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖

評(píng)價(jià)表明,研究區(qū)突水系數(shù)大致分布在0.02～0.09,目前生產(chǎn)水平十一水平(－850 m)突水系數(shù)均在0.06以下,回采工作面不具突水危險(xiǎn)。但后期當(dāng)?shù)V井生產(chǎn)延深至十二水平(－1000 m)及更深水平時(shí),研究區(qū)西北翼構(gòu)造復(fù)雜塊段突水系數(shù)值超過(guò)0.06,下部12＃煤層回采工作面將面臨突水風(fēng)險(xiǎn),屆時(shí)需提前預(yù)防,采取疏水降壓、注漿加固等相應(yīng)措施防范底板奧灰水威脅。

4 奧灰水防范措施

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,針對(duì)研究區(qū)中部及東北局部構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域掘進(jìn)巷道及西北翼深部水平構(gòu)造復(fù)雜塊段回采工作面可能存在的突水危險(xiǎn),提出以下幾方面措施防范奧灰水。

(1)加強(qiáng)構(gòu)造探測(cè),采用三維地震、順變電磁等物探方法結(jié)合鉆探驗(yàn)證查明構(gòu)造規(guī)模、導(dǎo)水性及破碎帶影響范圍等。淺部不導(dǎo)水的構(gòu)造在深部須引起重視,重要巷道及采面布設(shè)應(yīng)避免穿過(guò)構(gòu)造發(fā)育區(qū),在臨近構(gòu)造區(qū)域留設(shè)防水煤柱。

(2)在含水層和隔水層條件方面,進(jìn)行疏水降壓相當(dāng)于減小奧灰水對(duì)底板含水層產(chǎn)生的水壓,進(jìn)行注漿加固相當(dāng)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(xiǎn)。

(3)完善排水系統(tǒng),在深部水平增設(shè)強(qiáng)排水泵房,進(jìn)行多階段排水,提高排水能力,更好地應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的水害。

(4)補(bǔ)充奧灰水文地質(zhì)勘探,增加抽、放水試驗(yàn),不斷完善研究區(qū)奧灰水位、水壓、底板隔水層厚度等奧灰水文地質(zhì)資料,及時(shí)更新有關(guān)帶壓開(kāi)采方面的研究。

5 結(jié)論

(1)構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)表明研究區(qū)中部及東北局部構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜,影響帶壓開(kāi)采危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。受開(kāi)平向斜主體構(gòu)造控制,研究區(qū)奧灰?guī)r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(píng)價(jià)顯示林西礦深部水平12＃煤層開(kāi)采掘進(jìn)巷道基本不具突水危險(xiǎn);但井田中部及東北局部構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域受構(gòu)造破壞作用可能面臨突水威脅,掘進(jìn)經(jīng)過(guò)時(shí)應(yīng)注意預(yù)防。突水系數(shù)法對(duì)回采工作面突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)表明目前生產(chǎn)水平回采工作面不具突水危險(xiǎn);后期礦井生產(chǎn)延深至深部水平時(shí),研究區(qū)西北翼構(gòu)造復(fù)雜塊段12＃煤層回采工作面將面臨帶壓突水威脅,屆時(shí)需布設(shè)相關(guān)探水、防水工程。

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(責(zé)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?yàn)槊号c油氣地質(zhì)。