溫小偉

（大同煤礦集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司地測科，山西 大同037003）

0 引言

在我國現(xiàn)有煤田中，尤其在華北煤田中，石炭系、二疊系的煤儲量豐富。但在此類煤礦開采的過程中，隨著開采深度的加深，奧灰水含水層對煤層底板的壓力越來越大，從而引發(fā)了突水事故，嚴(yán)重威脅著煤礦的正常開采[1]。辛安煤礦于上世紀(jì)70年代投產(chǎn)，年產(chǎn)量達(dá)百萬噸，不受突水影響的主要開采層2#煤層已近枯竭。因此，為了其余受青灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r巖溶水的威脅的煤層的安全生產(chǎn)，以煤層的水文地質(zhì)為研究對象，分析煤層的突水具有重要的意義。

1 辛安煤礦水文地質(zhì)狀況

1.1 辛安煤礦自然地理環(huán)境

辛安煤礦位于河北省太行山東麓峰峰礦的南部，最高海拔+234.7m，東西寬2.8km，南北長約8km，距離邯鄲市50 km，且周邊有煤運專線和直達(dá)公路，交通便利。礦區(qū)氣候是半干旱暖溫帶大陸性季風(fēng)型，四季分明，夏炎雨冬冷燥，據(jù)氣象部分的統(tǒng)計資料，近年來的降雨量如圖1所示。礦區(qū)內(nèi)地形為剝蝕型低丘陵地區(qū)，沖溝較多且多起伏，被一條EW走向的分水嶺分成南、北兩種水系，北邊為滏陽湖水系，平時水流量小于120m3/h，暴雨期水流量30～50m3/s，南邊為漳河水系。

圖1 辛安煤礦近年降雨量

1.2 辛安煤礦地質(zhì)概況

1）地層，辛安煤礦為半掩蓋區(qū)，地層平均傾角20°，礦區(qū)大體走向為NE，但傾向于SEE，屬于單斜構(gòu)造。根據(jù)勘探資料顯示，已揭露的地層從上到下有新生界和古生界，新生界主要為第四系Q和第三系R，古生界主要為二疊系P、石炭系C、奧陶系O。

2）構(gòu)造，辛安煤礦位于鼓山地塹構(gòu)造塊段，內(nèi)部斷裂情況復(fù)雜，潛伏性的斷層較多，主要大體走向為NNE，次要走向為NE，傾向不一致，存在北黃沙向斜、南黃沙背斜、馬家荒小向斜等主要皺褶。

3）斷層，根據(jù)井下巷道和工作面勘探資料顯示，礦區(qū)斷層發(fā)育落差大于10m的數(shù)量為50條，如表1所示，落差小于10m的多達(dá)200條，其中大多數(shù)斷層是65°～80°高角度正斷層。

4）含水層，礦區(qū)內(nèi)，根據(jù)含水層水質(zhì)情況，自上而下，將含水層一次分為第四系-砂礫石孔隙含水層、第三系-孔隙裂隙含水層、二疊系-砂巖裂隙含水層、石炭系-薄層灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系-灰?guī)r巖溶含水層等。

表1 中、大型斷層分類表

5）涌水量，地下含水層水、老空水、奧灰水以及薄層灰?guī)r水等為礦井主要涌水量，同時，因辛安煤礦斷層較多，誘發(fā)裂隙發(fā)育，且斷層導(dǎo)水能力較差，使得斷層成為涌水量的一個重要部分，近年來煤礦最大涌水量為2346m3/h，平均涌水量1980m3/h，詳細(xì)情況如圖2所示。

圖2 礦井近年涌水量變化圖

6）充水，因辛安煤礦獨特的地理位置及環(huán)境，其水文地質(zhì)單元相對封閉，主要充水源有地表水、老空水、含水層水和奧灰水等。在辛安煤礦深層煤礦的開采過程中，主要需要防止奧灰水的突水，其充水通道主要有斷層、導(dǎo)水陷落柱、封閉不良鉆孔、裂隙、隱伏井筒等。

2 辛安煤礦突水系數(shù)的分析

2.1 突水影響因素

1）水壓，承壓含水層位于煤層底板的下部，其大小決定著底板是否會發(fā)生突水，故煤層離含水層越近，則受到的壓力越大，據(jù)地質(zhì)勘探資料可知，奧陶灰?guī)r含水層的水位在+120m-+155m左右，如圖3所示。

2）隔水底板巖層厚度，隔水底板通過重力作用和阻抗水壓能力來阻壓承壓水。底板若要發(fā)生突水，則必須突破隔水層或克服壓蓋阻力，故隔水層越厚，阻力越大，發(fā)生底板突水的可能性就越小。

3）采動與礦壓，隨著煤礦工作面的開采，會引起工作面塑性變形和礦山壓力的變化，使得原有斷層裂隙不斷擴(kuò)展，形成增滲效應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)承壓水的滲流或突噴。隨著煤礦開采深度的加深，工作面的礦壓不斷增大，對突水系數(shù)的影響就越大。

圖3 大青、奧陶系灰?guī)r的位置

2.2 奧灰水對2#煤層的突水性分析

1）臨界突水系數(shù)TS，其定義為單位底板隔水層厚度上所承受的突水壓力，定量衡量了煤層底板突水的危險程度[2-3]，計算公式如下：

式中：P為突水壓力，MPa；M為隔水層的厚度，m；

查閱《煤礦防治水規(guī)定》可知，底板臨界突水系數(shù)TS一般小于0.06MPa/m，當(dāng)實際突水系數(shù)T大于臨界突水系數(shù)TS時，礦井就容易發(fā)生突水事故，本文取突水系數(shù)最大值0.06MPa/m。

2）隔水層厚度，依據(jù)58#鉆孔的勘探資料，經(jīng)過統(tǒng)計差值計算，得出奧灰含水層到2#煤底板隔水層厚度為79.7～165.64m，如表2所示。

表2 煤層底板隔水層厚度

3）實際突水系數(shù)，根據(jù)礦區(qū)58處不同鉆水孔的勘探資料，計算出58處鉆水孔的突水系數(shù)，使用GMS軟件生成如圖4所示的突水系數(shù)等值線圖[4-6]。由圖知，僅有3處紅線區(qū)域?qū)嶋H突水系數(shù)達(dá)到臨界突水系數(shù)0.06MPa/m，其余為安全區(qū)域，且礦井南邊突水系數(shù)整體偏大，高于北邊。

圖4 奧灰水突水系數(shù)等值線

3 辛安煤礦的三維地質(zhì)建模分析

3.1 辛安煤礦的地層建模

為了更直觀的分析井田的地層特征，本文使用GMS軟件，依據(jù)實際礦區(qū)地質(zhì)特點，將模型分為山西組P1s、煤層、太原組C3t、本溪組C2b、峰峰組O2f等5層，導(dǎo)入58處鉆水孔的實際勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬定位，使用GMS軟件中的Create Arc tool命令繪制礦區(qū)邊界，然后生成TINs，再應(yīng)用Borehole模塊中的Horizons->Solid命令，選用對應(yīng)的插值法，生成三維地質(zhì)模型，如圖5所示。

圖5 辛安煤礦GMS三維地質(zhì)模型

3.2 三維地質(zhì)模型的分析

1）東西方向剖面，為了了解東西向地層在垂直方向的分布情況，將模型沿著東西向緯度21500的位置做剖面，如圖6所示。由圖可知，在礦區(qū)東西向，各地層空間分布比較均勻，大體呈東低西高的趨勢。2#煤層主要在山西組P1s地層中，7#煤層主要在太原組C3t地層中，煤層平均均厚度約為90m。

圖6 東西向地質(zhì)剖視圖

2）南北方向剖面，為了了解南北向地層在垂直方向的分布情況，將模型沿著東西向經(jīng)度12500的位置做剖面，如圖7所示。由圖可知，在礦區(qū)南北方向上，各地層分布均勻，大體呈北低南高的趨，因此北邊埋深較大，但未發(fā)現(xiàn)地層缺失的現(xiàn)象。

3）組合剖面，為了了解礦區(qū)地層整體在垂直方向的分布情況，將不同緯度東西向、不同經(jīng)度南北向的地質(zhì)剖視圖進(jìn)行模擬組合，得到了礦區(qū)立體組合剖視圖，如圖8所示。由圖可知，在東西方向埋層逐漸變深，在南北方向埋層逐漸變淺，礦區(qū)中部的地層起伏較大。

圖7 南北向地質(zhì)剖視圖

圖8 組合地質(zhì)剖視圖

4 結(jié) 論

本文通過對辛安煤礦水文地質(zhì)的分析和研究，建立了GMS三維地質(zhì)模型，針對奧灰水的底板突水問題，提出以下幾點防護(hù)措施：

1）辛安煤礦2#煤層受斷層的影響，奧灰水直接煤礦的安全開采，且地層皺褶破碎，地層內(nèi)殘余地應(yīng)力和礦山壓力都較大，應(yīng)通過鉆孔對煤層底板注漿加固后再進(jìn)行開采。

2）依據(jù)現(xiàn)有58處鉆孔勘探資料，應(yīng)用定向鉆孔技術(shù)，對地層進(jìn)行全面勘探，繪制突水系數(shù)等值線線圖，預(yù)防突水事故的發(fā)生。

3）針對臨界突水系數(shù)區(qū)域預(yù)設(shè)定向分支鉆孔，封堵和加固導(dǎo)水?dāng)鄬雍椭饕扑閹А?/p>