魏甜

（中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京 100040）

1.概況

1.1 井田地質(zhì)

本區(qū)屬半掩蓋區(qū)，基巖僅沿溝谷出露。根據(jù)地質(zhì)填圖及鉆孔揭露資料，地質(zhì)層從最底層到最頂層分別是奧陶系下馬家溝組、上馬家溝組、峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組，三疊系劉家溝組、和尚溝組，第四系。

這個(gè)井田內(nèi)地層走向是北東向，向北西向偏斜，單斜構(gòu)造，傾角為5°～15°。在單斜構(gòu)造的基礎(chǔ)上發(fā)育短軸褶曲，與走向大致平行。井田內(nèi)的斷層并不發(fā)育，區(qū)內(nèi)也沒有發(fā)現(xiàn)陷落柱和巖漿巖，由此斷定井田內(nèi)的構(gòu)造比較簡單。井田內(nèi)部只有一個(gè)發(fā)育落差大于30m的斷層，兩個(gè)小于30m的斷層[1]。

井田中開采的含煤礦層，主要出現(xiàn)于太原組和山西組，自上而下分別為2上、2號(hào)、3號(hào)、9號(hào)煤層。

1.2 井田水文地質(zhì)

該井田位于鄉(xiāng)寧礦區(qū)的中部，禹門口泉域深部的逕流區(qū)，水文地質(zhì)單元上屬于禹門口泉域巖溶水系統(tǒng)的一部分。

井田主要含水層為 ：第四系松散層孔隙含水巖組，受季節(jié)影響較大，富水性差，局部區(qū)段富水性較好；三疊系劉家溝組及二疊系上統(tǒng)石盒子組、石千峰組砂巖裂縫含水層（段），富水性弱～中等；山西組及下石盒子組底部砂巖裂縫含水層，富水性弱；太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂縫含水巖組，富水性極弱；奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂縫含水層巖溶裂縫不發(fā)育，埋藏較深，徑流條件差，缺乏有效的補(bǔ)給，富水性弱。

2.礦井充水影響因素

雨水是礦井的間接補(bǔ)充水源，但本區(qū)降水量小，對(duì)地下水的補(bǔ)給路徑長，從而使得礦井涌水量隨降水量變化有一滯后的過程；井田內(nèi)部兩條主要河流，由于煤層埋藏深，上部有巨厚的巖層阻隔，對(duì)煤礦開采無大的影響；山西組及下石盒子底部砂巖裂縫含水層和太原組石灰?guī)r、砂巖巖溶裂縫含水層富水性弱，補(bǔ)給、徑流條件差，水量一般不大，以靜儲(chǔ)量為主，對(duì)礦井安全生產(chǎn)威脅不大[2]。

奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂縫含水層是本區(qū)可采煤層下伏的主要含水層，屬于深埋藏型。鉆探揭露峰峰組巖芯完整，裂縫多被方解石充填，其灰?guī)r頂部發(fā)生漏水現(xiàn)象，漏失量為全漏，簡易水文觀測水位為773m；揭露上馬家溝組含水段以中部中厚層灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r及上部薄～中厚層狀石灰?guī)r為主，巖芯大部分為長柱狀，巖芯較完整；揭露下馬家溝組巖芯堅(jiān)硬完整夾泥巖薄層。

本區(qū)5個(gè)孔做抽水試驗(yàn)，水2孔單位涌水量q=0.00181 L/(s·m)，k=0.000767m/d，其余鉆孔無水或斷流。

根據(jù)水文地質(zhì)資料分析，禹門口巖溶水系東部邊界為地表分水嶺。區(qū)內(nèi)部地層整體向北西傾斜，巖溶水受這種地層構(gòu)造的限制和影響，向西流動(dòng)。地下流域可能與地表流域一致。分水嶺的東面屬龍子祠泉域，分水嶺的西面屬于禹門口泉域。該井田處于禹門口泉域的東部邊界旁邊，與龍子祠泉域的西邊界相鄰，因地層西傾，奧灰埋藏漸深，奧灰?guī)r溶裂縫發(fā)育程度較弱。受區(qū)域巖溶水系統(tǒng)徑流場的控制和影響，井田內(nèi)部奧灰水位東高西低，整體由東向西徑流。由于區(qū)內(nèi)部奧陶系灰?guī)r含水層埋藏深，徑流條件差，缺乏有效的補(bǔ)給，含水層富水性弱。再結(jié)合井田內(nèi)部及周邊礦井鉆探及抽水試驗(yàn)資料，確定井田內(nèi)部奧灰含水層水位標(biāo)高630m～700m。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，9號(hào)煤層底板標(biāo)高205.19m～778.19m，井田全范圍基本處于帶壓狀態(tài)。

3.奧灰突水影響因素分析

3.1 礦井底板突水機(jī)理

自然情況之下，含煤的巖體是保持平衡的，煤層之下的地下水體被地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造及溶蝕條件的控制，它處于自然流動(dòng)和調(diào)節(jié)狀態(tài)。開挖后，巖體應(yīng)力平衡被損壞。為達(dá)到新的平衡，會(huì)發(fā)生底鼓、煤堤塌陷等一系列工程地質(zhì)現(xiàn)象。底鼓會(huì)改變含水層的自然流場，在有足夠水量或?qū)ǖ那闆r下，地下水會(huì)沿導(dǎo)水裂縫涌入坑內(nèi)部，造成突水這種危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

3.2 突水因素

影響奧陶系灰?guī)r巖溶含水層發(fā)生突水的主要因素有：奧陶系地下水壓分布、地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育程度、奧陶系含水層的富水強(qiáng)弱和其內(nèi)部巖溶發(fā)育程度、煤層隔水底板中軟硬巖的結(jié)合和抗水性。

4.奧灰突水影響因素分析

4.1 突水系數(shù)計(jì)算

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》附錄五，計(jì)算公式為：

T=P/M

式中，T—突水系數(shù)，MPa/m；P—隔水層承受的水壓，即奧灰頂界面至其承壓含水層水位的水柱壓力，MPa；M—底板隔水層厚度，m。

井田內(nèi)部9號(hào)煤層底板低于奧灰水水位標(biāo)高，屬奧灰水帶壓開采。在帶壓范圍內(nèi)部，奧灰水有可能沿構(gòu)造薄弱帶、底鼓裂縫進(jìn)入礦井，可能對(duì)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。

計(jì)算結(jié)果顯示，該井田9號(hào)煤層帶壓開采范圍內(nèi)部的底板突水系數(shù)為0.0128MPa/m～0.0806MPa/m。

4.2 帶壓開采分區(qū)

通過系統(tǒng)分析礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育規(guī)律，以及各個(gè)煤層底板隔水巖柱的巖性組合和隔水性能，奧陶系中統(tǒng)巖溶裂縫富水層水文地質(zhì)特點(diǎn)，本論文發(fā)現(xiàn)礦井突水現(xiàn)象的發(fā)生也與隔水層的厚度，水頭的壓力，地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育階段等一系列原因有關(guān)。

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度，本次采用兩個(gè)分區(qū)系列：即在綜合考慮井田地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的基礎(chǔ)上，選取突水系數(shù)0.06MPa/m和0.10MPa/m做為劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)突水系數(shù)小于0.06MPa/m時(shí)，這是一個(gè)相對(duì)安全的帶壓開采區(qū)（I）。一般情況下，突水情況發(fā)生的概率很小就算是發(fā)生突水，造成的損壞也很小，但在導(dǎo)水?dāng)鄬佑蜌?、地礦、電力設(shè)備管理與技術(shù)結(jié)構(gòu)旁邊發(fā)生突水的可能性；當(dāng)突水系數(shù)大于0.06MPa/m且小于0.10MPa/m時(shí)，是過渡帶（Ⅱ）。在該段中，當(dāng)裂縫結(jié)構(gòu)發(fā)育不完善時(shí)，很大概率不會(huì)發(fā)生底板突水事故，但在構(gòu)造破碎的區(qū)域有突水的危險(xiǎn)。遇有可能造成較大破壞和損失的突水事故，要在確定井場構(gòu)造發(fā)育程度的前提下，認(rèn)真做好阻水工作，根據(jù)情況進(jìn)行處置和應(yīng)對(duì)；當(dāng)突水系數(shù)大于0.10MPa/m時(shí)，為危險(xiǎn)區(qū)（Ⅲ）。該段水壓高，容易發(fā)生地面突水。一旦發(fā)生突水，可能造成更大的損害。只有通過排水減壓將突水系數(shù)降低到0.10MPa/m下面時(shí)，才能實(shí)施帶壓開采，但在構(gòu)造破碎帶還應(yīng)采取其他策略。

根據(jù)突水系數(shù)的計(jì)算結(jié)果顯示，9號(hào)煤層中東大部分地區(qū)為帶壓開采相對(duì)安全區(qū)（Ⅰ），西部地區(qū)為帶壓開采過渡區(qū)（Ⅱ），即過渡區(qū)（見圖1）；區(qū)內(nèi)部三條斷層都處于9號(hào)煤層開采相對(duì)安全區(qū)，同樣根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將斷層旁邊30m的范圍評(píng)為過渡區(qū)，開采過程須留設(shè)30m防水煤柱。

圖1 9號(hào)煤層帶壓開采安全性評(píng)價(jià)圖