李海洋

(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048214)

奧灰水突水事故是礦井水害事故中破壞性、突發(fā)性最為嚴(yán)重的，往往會(huì)造成一系列的井下傷亡事故的發(fā)生，極易引發(fā)巨大的社會(huì)不良反響，嚴(yán)重制約著礦井安全高效生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。因此，必須先對(duì)礦井地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)礦井奧灰水帶壓開采的安全性進(jìn)行研究，可為今后礦井帶壓開采的合理規(guī)劃、隱患防治對(duì)策提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，從而保證礦井的安全高效生產(chǎn)[1-2]。

1 礦井概況

玉溪煤礦隸屬蘭花集團(tuán)，地處山西省晉城市沁水縣胡底鄉(xiāng)一帶，井田東西長(zhǎng)5.0～6.1 km，南北寬約5.1 km，礦區(qū)面積26.147 km2，產(chǎn)能240萬t/a。礦井采用斜井開拓，布置有主斜井、副斜井及進(jìn)風(fēng)立井、回風(fēng)立井。主要可采煤層為位于山西組的3號(hào)煤層，該煤層設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量13 526萬t，服務(wù)年限41.7 a。總體上，井田地層傾向?yàn)闁|部高、西部低，造就了軸向彎曲次級(jí)的寬緩褶曲構(gòu)造形態(tài)。通過地面調(diào)查及兩次地震勘探，在井田內(nèi)地面調(diào)查控制5條褶曲，一盤區(qū)地震勘探解釋13條褶曲，共18條；地面調(diào)查發(fā)現(xiàn)3個(gè)陷落柱，一盤區(qū)地震勘探解釋47個(gè)陷落柱；井田內(nèi)三維地震解釋37個(gè)斷層。礦區(qū)內(nèi)無巖漿巖侵入，屬簡(jiǎn)單類型的地質(zhì)構(gòu)造。礦井于2019年建成投產(chǎn)后，首先開采井田南部的一盤區(qū)3號(hào)煤層，煤厚5.1～7.2 m,平均5.5 m。

2 3號(hào)煤層奧灰水帶壓開采安全評(píng)價(jià)

3號(hào)煤層帶壓開采的安全性受到隔水層條件、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等因素影響，當(dāng)開采煤層的底板隔水層具有斷裂、陷落柱等薄弱情況時(shí)，具有奧灰水從底板突出進(jìn)入礦井的潛在隱患[3]。

2.1 3號(hào)煤層底板隔水層分析

井田內(nèi)，有6個(gè)鉆孔揭露奧灰頂界，井田周邊鉆孔2個(gè)(1201孔、1203孔)。井田內(nèi)，3號(hào)煤層底板隔水層巖柱平均厚度為100.2 m，總體為北部隔水巖柱厚度相對(duì)較厚，南部隔水巖柱相對(duì)較薄。3號(hào)煤層底板隔水巖柱厚度統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 3號(hào)煤層底板到奧灰水頂面隔水層厚度統(tǒng)計(jì)

隔水巖柱地層層位主要為山西組底部(3號(hào)煤層底板)、太原組及本溪組。其中，山西組底部(3號(hào)煤層底板)：巖性為泥巖或砂質(zhì)泥巖，灰黑色，厚層狀，為半堅(jiān)硬巖巖類；太原組及本溪組地層，巖性由鋁質(zhì)泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r及煤層等組成，屬軟弱-堅(jiān)硬巖石。

2.2 3號(hào)煤層底板突水條件分析

1) 水壓(P)。在井田范圍內(nèi)，奧灰水水位標(biāo)高范圍580～605 m，3號(hào)煤層底板標(biāo)高范圍220～450 m，屬帶壓開采。根據(jù)井田內(nèi)施工的鉆孔對(duì)奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)、上馬家溝組(O2s)(上部)進(jìn)行混合抽水試驗(yàn)結(jié)果表明，其單位涌水量為0.002 2～0.005 6 L/s·m，富水性弱。3號(hào)煤層底板隔水層承受的奧灰水水壓2.835～3.625 MPa。

2) 底板擾動(dòng)破壞帶深度的確定(Cp)。底板突水受采動(dòng)壓力與底板承壓水共同影響而發(fā)生的。由于掘進(jìn)和工作面采動(dòng)，原地應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到打破，使地應(yīng)力再次分布，當(dāng)?shù)貞?yīng)力達(dá)到新平衡時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變能，使巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中的底板破壞深度預(yù)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式[4]：

Cp=0.008 5H采+0.166 5α+0.107 9L工-4.357 9

(1)

式中：H采表示設(shè)計(jì)最大采深，m；α表示煤層傾角，按8°計(jì)算；L工表示工作面斜長(zhǎng)，據(jù)采掘工程平面圖，取200 m。

將相關(guān)參數(shù)代入公式(1)得出，3號(hào)煤層底板破壞深度22.08～24.74 m，平均為23.78 m。

3) 底板采動(dòng)地下水導(dǎo)升裂隙帶(Hd)。考慮到井田內(nèi)奧灰含水層頂板存在隔水性較好的鋁質(zhì)泥巖，其平均厚度11.27 m，標(biāo)高范圍551～575 m，而3號(hào)煤層底板標(biāo)高范圍220～450 m，根據(jù)上述計(jì)算，3號(hào)煤層開采期間的底板破壞深度22.08～24.74 m，平均為23.78 m，因此不會(huì)導(dǎo)通裂隙帶，計(jì)算突水系數(shù)時(shí)，未考慮底板采動(dòng)地下水導(dǎo)升裂隙帶(Hd)。

4) 有效隔水層厚度。取井田內(nèi)3號(hào)煤層底板至峰峰組頂面之間的隔水完整巖層厚度,除去3號(hào)煤層底板擾動(dòng)破壞帶厚度(Cp)和底板采動(dòng)地下水導(dǎo)升裂隙帶(Hd)后的隔水層厚度，根據(jù)玉溪煤礦地質(zhì)情況計(jì)算得出，其有效隔水層平均厚度為67.51 m。太原組及本溪組的鋁土質(zhì)泥巖隔水層，可以有效地阻斷3號(hào)煤層與奧灰水之間的水力聯(lián)系。

5) 突水通道。由于斷層和陷落柱抗水壓強(qiáng)度很難預(yù)先查明，大斷層明顯減小隔水層厚度，其臨界突水系數(shù)也減小。或巖石破碎，抗壓強(qiáng)度低，隔水層等效厚度變小，隔水性能降低。當(dāng)完全導(dǎo)水時(shí)，等效厚度為零，因此對(duì)于井田范圍內(nèi)施工的奧陶系鉆孔，必須在開采時(shí)對(duì)其留設(shè)防水煤柱。

2.3 突水系數(shù)計(jì)算及突水危險(xiǎn)性區(qū)帶劃分

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》附錄公式，對(duì)3號(hào)煤層突水系數(shù)進(jìn)行計(jì)算[5]。

(2)

式中：P表示底板隔水層承受的水頭壓力，MPa，P=(H-h)×0.009 8；H表示奧灰?guī)r溶水壓標(biāo)高，m；h表示奧灰頂面標(biāo)高，m；M表示底板隔水層的厚度，m。

將井田內(nèi)鉆孔資料代入公式(2)，3號(hào)煤層的突水系數(shù)在0.028～0.050 MPa/m的范圍之內(nèi)。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，井田內(nèi)3號(hào)煤層開采屬于相對(duì)安全區(qū)，一般不會(huì)造成底板奧灰突水，可對(duì)其進(jìn)行帶壓開采。然而在井田范圍具有隱伏導(dǎo)水的斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的可能性，為排除奧灰水突水隱患、實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)，必須加強(qiáng)對(duì)構(gòu)造導(dǎo)水性的探測(cè)工作，對(duì)構(gòu)造破壞地段應(yīng)留設(shè)防隔水煤柱。

3 3號(hào)煤層奧灰水突水量預(yù)測(cè)

根據(jù)上述結(jié)論分析，3號(hào)煤層帶壓開采相對(duì)安全，但是不排除隱伏導(dǎo)水構(gòu)造引起突水的因素。因此，3號(hào)煤層奧灰水突水量按照工作面回采中遇導(dǎo)水?dāng)鄬訒r(shí)單點(diǎn)突水情況進(jìn)行計(jì)算，將水平掘進(jìn)的坑道穿過垂直或近于垂直的充水?dāng)嗔岩暈榇怪焙畬又械乃骄靡赃_(dá)西定律為基礎(chǔ)的承壓水穩(wěn)定流解析法計(jì)算公式，對(duì)其涌水量進(jìn)行計(jì)算[6]：

(3)

式中：S表示水平井降深,m；M表示含水層厚度,m；K表示滲透系數(shù),m/d；r0表示水平井半徑,m;亦即開拓巷道的半徑,m；L表示水平井距底部補(bǔ)給邊界的距離,即巷道底板距奧灰頂板的距離,m。

將井田內(nèi)鉆孔資料代入公式(3)，預(yù)測(cè)3號(hào)煤層奧灰水突水量為13.19 m3/h。在井田東部范圍內(nèi)，通過三維地震顯示存在陷落柱，說明該地段具有巖溶發(fā)育構(gòu)造，局部存在富水情況。由于奧灰?guī)r溶水分布不均勻，若遇富水地段，其突水量應(yīng)遠(yuǎn)大于預(yù)測(cè)水量，生產(chǎn)中應(yīng)引起注意。

4 結(jié) 語

在對(duì)玉溪煤礦地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，從隔水巖柱、突水條件等方面，對(duì)3號(hào)煤層奧灰水帶壓開采安全評(píng)價(jià)，并計(jì)算分析3號(hào)煤層的突水系數(shù)并預(yù)測(cè)突水量。井田內(nèi)3號(hào)煤層開采屬于相對(duì)安全區(qū)，一般不會(huì)造成底板奧灰突水，可對(duì)其進(jìn)行帶壓開采。然而在井田范圍具有隱伏導(dǎo)水的斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的可能性，為排除奧灰水突水隱患、實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)，必須加強(qiáng)對(duì)構(gòu)造導(dǎo)水性的探測(cè)工作，對(duì)構(gòu)造破壞地段應(yīng)留設(shè)防隔水煤柱。