■王照亮（河南省煤田地質(zhì)局一隊(duì)河南新鄭451150）

趙家寨煤礦二1煤層底板含水層突水性預(yù)測(cè)

■王照亮
（河南省煤田地質(zhì)局一隊(duì)河南新鄭451150）

趙家寨煤礦隨著開(kāi)采深度的增加，礦井最大水害威脅在于二1煤層底板含水層突水。為了指導(dǎo)礦井進(jìn)行煤層底板水害防治，本文采用突水系數(shù)法，對(duì)二1煤層底板含水層突水性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，并根據(jù)二1煤層底板標(biāo)高，劃分出相對(duì)安全區(qū)、臨界區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)。

二1煤層 底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶 突水系數(shù)

趙家寨煤礦位于新鄭市西部，行政區(qū)劃屬新鄭市的城關(guān)鎮(zhèn)、辛店鎮(zhèn)和新密市的大隗鎮(zhèn)，礦井主采二1煤層，批準(zhǔn)開(kāi)采標(biāo)高為+90～～950m，生產(chǎn)能力為300萬(wàn)噸/年。本礦井水文地質(zhì)類型復(fù)雜，自建井以來(lái)，井下共發(fā)生大小突水15次，其中二1煤層底板灰?guī)r突水14次，頂板砂巖突水1次，礦井受底板灰?guī)r水危害較大。據(jù)本礦目前掘進(jìn)資料，對(duì)二1煤層開(kāi)采有影響的底板含水層主要為C2tL7～8、C2tL1～4和O2m三層灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水層，本文根據(jù)底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶和突水系數(shù)，對(duì)二1煤層底板含水層突水性進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，為礦井底板水害防治工作提供依據(jù)。

1　二1煤層底板含、隔水層特征

二1煤層下伏含、隔水層從新到老依次為二1煤層底板砂泥巖隔水層、太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水層、太原組中段砂泥巖隔水層、太原組下段灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水層、本溪組鋁土質(zhì)泥巖隔水層和奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水層。現(xiàn)簡(jiǎn)要分述如下：

（1）二1煤層底板砂泥巖隔水層

系指L8灰?guī)r頂面到二1煤層底板之間的砂、泥巖和砂質(zhì)泥巖，據(jù)本區(qū)揭露該層厚度1.61～43.82m，平均厚10.96m，在自然條件下有一定的隔水作用，但在開(kāi)采二1煤層條件下，基本失去隔水作用。

（2）太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水層

含水層指太原組上段的石灰?guī)r。礦井內(nèi)有187孔揭露（穿）層太原組上段石灰?guī)r，由L7、L8兩層石灰?guī)r組成，石灰?guī)r為厚層狀、隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚度0～18m，一般約10m，含黃鐵礦結(jié)核和燧石結(jié)核。據(jù)礦井內(nèi)鉆孔抽水試驗(yàn)資料：?jiǎn)挝挥克?.00357～0.6949L/s?m，滲透系數(shù)為0.1116～19.5562m/d。水化學(xué)類型以HCO3.SO4—Ca為主，次為HCO3—Ca。溶解性固體0.403～0.547g/L，水溫28～29℃。八十年代天然水位標(biāo)高120.85～126.65m，據(jù)該礦的長(zhǎng)觀孔水位資料，2014 年7月1210孔觀測(cè)水位標(biāo)高為～56.47m。該含水層為二1煤層底板直接充水含水層，對(duì)開(kāi)采二1煤層影響較大。

（3）太原組中段砂泥巖隔水層

該層系指L4灰?guī)r頂面到L7灰?guī)r底面之間的砂質(zhì)泥巖為主，夾細(xì)粒砂巖、薄煤層和不穩(wěn)定的L5及L6灰?guī)r，厚16.83～68.33m，該層層位較穩(wěn)定，隔水性較好，為C2tL1～4灰?guī)r與C2tL7～8灰?guī)r之間的隔水層，但在斷裂切割處以及背斜軸部張裂帶上，將會(huì)形成上、下含水層間的水力聯(lián)系。

（4）太原組下段灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水層

含水層指太原組下段的L1～4石灰?guī)r。礦井內(nèi)共有105個(gè)鉆孔揭露（穿）太原組下段石灰?guī)r，有1～4層灰?guī)r，厚7.4～34.91m；平均18.79m，L1、L2常合為一層，二者一般厚10～13m。該套灰?guī)r厚層呈塊狀，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，含黃鐵礦結(jié)核與燧石結(jié)核。根據(jù)抽水試驗(yàn)成果表：鉆孔單位涌水量1.0077～4.72L/s·m，滲透系數(shù)為10.20～36.061m/d,總體上該含水層的富水性中等。八十年代天然水位標(biāo)高122.22～125.82m，由于趙家寨煤礦近年來(lái)對(duì)該含水層的主動(dòng)疏放，各孔水位有不同程度的下降，據(jù)該礦的長(zhǎng)觀孔資料，2008年12月水位標(biāo)高在+40m左右，而到2014年7月，該礦附近的水位標(biāo)高在～77.01～～48.41m之間。水化學(xué)類型以HCO3·SO4—Ca·Mg為主，溶解性固體0.502～0.617g/L。水溫28～30℃，局部斷裂帶水溫40℃。在正常地段，該含水層為二1煤層的間接充水含水層，在斷層帶附近為直接充水含水層，對(duì)開(kāi)采二1煤層有一定的影響。

（5）本溪組鋁土質(zhì)泥巖、砂泥巖隔水層

位于奧陶系灰?guī)r頂面至一1煤層底面之間，厚度1.87～33.84m，該層層位較穩(wěn)定，巖性致密，隔水性良好。

（6）奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水層

礦井有101孔揭露（穿）了奧陶系，奧陶系厚25.33～79.95m，平均厚度54.70m。奧陶系該層上部為厚層狀石灰?guī)r，下部為泥質(zhì)灰?guī)r。有11個(gè)孔遇溶洞、裂隙漏水，占揭露鉆孔總數(shù)的10.89%，鉆孔涌、漏水量0.35～36.96m3/h。巖溶裂隙主要發(fā)育于斷裂帶，滹沱背斜軸部及露頭帶附近，溶洞高度0.15～3.00m，富水地帶分布在上述部位，多有鋁土質(zhì)泥巖或粘土充填。據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)資料，單位涌水量為0.03099—2.486L/s.m,滲透系數(shù)為0.01073～59.934m/d,水化學(xué)類型為SO4·HCO3—Ca·Na·Mg，溶解性固體0.532g/L，水溫23～29℃。上世紀(jì)八十年代，奧陶系巖溶裂隙水的天然水位標(biāo)高+121. 59～+122.36m，據(jù)該礦的長(zhǎng)觀孔水位資料，2014年7月1426孔觀測(cè)水位標(biāo)高為～54.26m，814孔觀測(cè)水位標(biāo)高為～57.83m。在正常地段，該含水層為二1煤層的間接充水含水層，在斷層附近為直接充水含水層，因此它對(duì)二1煤層的開(kāi)采也有較大影響。

2　二1煤層底板含水層突水性預(yù)測(cè)

2.1太原組上段（C2tl7～8）灰?guī)r巖溶裂隙承壓水突水性預(yù)測(cè)

開(kāi)采二1煤層時(shí)，由于采動(dòng)礦壓的作用，底板巖層遭到連續(xù)性破壞，導(dǎo)水性能發(fā)生明顯改變，形成底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶。該帶的厚度即為“底板破壞深度”，該帶內(nèi)一般存在平行和垂直層面的裂隙，平行層面裂隙主要是底板受到礦壓作用，底板經(jīng)過(guò)壓縮膨脹而產(chǎn)生反向彈性變形所造成，一般在淺部較發(fā)育。垂直層面的裂隙是由剪切作用和層向拉力造成。當(dāng)二1煤層底板隔水層厚度小于底板采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶厚度時(shí)，該裂隙可將底板巖溶裂隙水導(dǎo)入礦坑。依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》（煤行管字〔2000〕第81號(hào)）附錄六，只考慮工作面斜長(zhǎng)，底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶深度可采用下述統(tǒng)計(jì)公式：

式中：

h1—底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶深度m；

L—壁式工作面斜長(zhǎng)，m；

本礦工作面斜長(zhǎng)按200m計(jì)算，代入上述公式：

經(jīng)計(jì)算，二1煤層底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶深度為22.28m和21.00m，大于二1煤層底板隔水層平均厚度10.96m，太原組上段（C2tl7～8）灰?guī)r巖溶裂隙承壓水可通過(guò)底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶進(jìn)入礦井。

2.2太原組下段（C2tL1～4）和奧陶系（O2m）灰?guī)r巖溶裂隙承壓水突水性預(yù)測(cè)

本礦二1煤層底板標(biāo)高～800m～～100m，根據(jù)L1～4灰?guī)r長(zhǎng)觀孔1120孔2014年7月13日觀測(cè)資料，含水層水位標(biāo)高為～48. 41m，開(kāi)采二1煤層為帶壓開(kāi)采，本文采用突水系數(shù)法對(duì)太原組下段和奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓水突水性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。采用《煤礦防治水規(guī)定》〔國(guó)家安全生產(chǎn)總局監(jiān)督管理總局（第28號(hào)）〕附錄四中的公式，其公式為：

式中T—突水系數(shù)，MPa/m；

p—隔水層承受的水壓，MPa/m；

M—底板隔水層厚度（取區(qū)內(nèi)二1煤層底板至含水層頂板的平均厚度）。

根據(jù)煤礦防治水規(guī)定，煤層底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)臨界值取0.06MPa/m，正常塊段突水系數(shù)臨界值取0.1MPa/m。本文確定以下帶壓開(kāi)采分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)：

T＜0.06相對(duì)安全區(qū)

0.06≤T＜0.1臨界區(qū)

T≥0.1危險(xiǎn)區(qū)

當(dāng)突水系數(shù)取0.06 MPa/m，反算得出隔水層承受的水壓（P）為3.3468MPa，煤層底板標(biāo)高為～334.14m；當(dāng)突水系數(shù)取0.1MPa/m，反算得出隔水層承受的水壓（P）為5.578MPa，煤層底板標(biāo)高為～561. 81m。見(jiàn)表1。

表1　二1煤層安全開(kāi)采標(biāo)高計(jì)算表

從表1及圖1中可以看出，當(dāng)本礦二1煤層開(kāi)采標(biāo)高在～334. 14m以淺時(shí)，太原組下段和奧陶系灰?guī)r水突水系數(shù)小于0.06MPa/m，屬相對(duì)安全區(qū)；二1煤層開(kāi)采標(biāo)高在～561.81m～～334. 14m之間時(shí)，太原組下段和奧陶系灰?guī)r水突水系數(shù)大于0.06MPa/m，而小于0.1MPa/m，屬臨界區(qū)，構(gòu)造破壞塊段發(fā)生突水可能性較大，構(gòu)造不發(fā)育塊段仍是相對(duì)安全的；二1煤層開(kāi)采標(biāo)高在～561.81m以深時(shí)，突水系數(shù)大于0.1MPa/m，屬危險(xiǎn)區(qū)，太原組下段和奧陶系灰?guī)r水突水可能性極大（見(jiàn)表2）。

圖1　太原組下段和奧陶系灰?guī)r水突水系數(shù)與二1煤層底板標(biāo)高關(guān)系圖

表2　二1煤層突水性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)表

3　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)計(jì)算底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶深度，預(yù)測(cè)了太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙承壓水可通過(guò)底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶進(jìn)入本礦井。采用突水系數(shù)法，預(yù)測(cè)了本礦二1煤層開(kāi)采標(biāo)高在～334.14m以淺時(shí)，屬相對(duì)安全區(qū)；二1煤層開(kāi)采標(biāo)高在～561.81m～～334.14m之間時(shí)，屬臨界區(qū)，構(gòu)造破壞塊段發(fā)生突水可能性較大，構(gòu)造不發(fā)育塊段仍是相對(duì)安全的；二1煤層開(kāi)采標(biāo)高在～561.81m以深時(shí)，屬危險(xiǎn)區(qū)，太原組下段和奧陶系灰?guī)r水突水可能性極大。此次預(yù)測(cè)公式選用合理，預(yù)測(cè)結(jié)果可作為礦井底板水害防治的參考依據(jù)，但是本次預(yù)測(cè)所用突水系數(shù)臨界值只是全國(guó)實(shí)際資料的綜合數(shù)據(jù)，是否適合本礦井，還有待礦井開(kāi)采中實(shí)際驗(yàn)證。

[1]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定【M】.北京：煤炭工業(yè)出版社.2009.

[2]國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程【M】.北京：煤炭工業(yè)出版社.2000.

TD324[文獻(xiàn)碼]B

1000～405X（2016）～4～147～2

孟瑋（1985～），女，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），地質(zhì)學(xué)碩士，工程師，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)勘查。