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        五圖- 雙系數(shù)三級判別法在紫金煤礦底板突水評價中的應用

        2021-08-31 12:30:06穆金霞
        煤炭與化工 2021年7期
        關鍵詞:突水保護層灰?guī)r

        穆金霞

        (中國煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊,河北 邯鄲 056004)

        1 基本原理

        為防止煤層底板突水事故發(fā)生,需對煤礦進行底板突水危險性評價,目前評價底板突水的方法很多,如突水系數(shù)法、多源信息復合法、GIS與ANN 耦合技術法、脆弱性指數(shù)法等,由于以上方法需通過專門的勘探手段獲得,存在局限性,故選用“五圖—雙系數(shù)三級判別法”對煤層底板突水進行評價。

        五圖—雙系數(shù)三級判別法是一種帶壓開采工作面評價技術。帶壓開采技術用于采煤工作面評價時涉及許多細致的工作內(nèi)容,其中最重要的是圍繞“五圖”、“雙系數(shù)”和“三級判別”來進行,如圖1 所示。

        圖1“五圖雙系數(shù)三級判別法”流程Fig.1 Flowchart of"five-figure double-coefficient three-level discrimination"

        “五圖”包括底板保護層破壞深度等值線圖(第一圖)、底板保護層厚度等值線圖(第二圖)、煤層底板上的水頭等值線圖(第三圖)、有效保護層厚度等值線圖(第四圖)、帶水壓開采評價圖(第五圖)。

        “雙系數(shù)”為帶壓系數(shù)和突水系數(shù),帶壓系數(shù)為《煤礦防治水細則》中T=P/M公式確定,評價臨界值取T=0.06 MPa/m,突水系數(shù)依據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》 中Tt=P/(M-Cp)公式計算,評價臨界值也取0.06 MPa/m。

        “三級判別”的概念和意義是與雙系數(shù)配合用來判別突水與否,以及突水形式和突水量變化的3個指標,Ⅰ級是判別工作面必然發(fā)生直通式突水的指標;Ⅱ級是判別工作面發(fā)生非直通式突水可能性及其突水形式的指標;Ⅲ級是判別已被Ⅱ級判別定為突水的工作面其突水量變化狀況的指標。

        2 應用實例

        現(xiàn)利用“五圖—雙系數(shù)三級判別法”對紫金煤礦15 號煤層進行突水危險性評價。

        2.1 礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

        研究區(qū)西部二疊系上石盒子組、下石盒子組和山西組地層出露,東部大面積被第四系覆蓋。區(qū)內(nèi)賦存地層由老到新依次為奧陶系上馬家溝組、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,新近系,第四系。主要可采煤層為山西組6 號煤層和太原組15 號煤層。

        研究區(qū)總體為單斜構(gòu)造,地層走向東、傾向南,傾角5°~14°,共發(fā)現(xiàn)28 條正斷層,其中落差大于5 m 的斷層5 條,陷落柱13 個,區(qū)內(nèi)無巖漿巖侵入,地質(zhì)構(gòu)造簡單。

        研究區(qū)位于山西娘子關泉域巖溶地下水系統(tǒng)西北部徑流區(qū),含水層由上至下劃分為第四系松散孔隙含水層,二疊系砂巖裂隙含水層,石炭系砂巖夾灰?guī)r裂隙含水層,奧陶系巖溶裂隙含水層。其中主要含水層為山西組砂巖裂隙含水層,石炭系太原組砂巖夾灰?guī)r裂隙含水層,奧陶系巖溶裂隙含水層。

        (1) 山西組砂巖裂隙含水層。山西組是主要的含煤地層,含水層以中- 粗粒砂巖為主,厚度0.5~48.14 m,平均厚度18.57 m。據(jù)BK2、ZK202號鉆孔抽水資料,單位涌水量0.0013~0.0096 L/s·m,據(jù)簡易水文資料,多數(shù)鉆孔山西組地層泥漿消耗量較小,一般小于0.50 m3/h。表明該組地層裂隙一般不發(fā)育,個別地段雖然節(jié)理裂隙較發(fā)育,但多為干裂隙或被充填,含水層富水性弱。

        (2) 石炭系太原組砂巖夾灰?guī)r裂隙含水層。含水層巖性為中砂巖、細砂巖及灰?guī)r,厚度4.75~48.14 m,平均厚度26.03 m。該含水層包括K2、K3、K4 三層灰?guī)r,灰?guī)r總厚度平均為7.52 m,裂隙、溶隙較發(fā)育多被充填。據(jù)BK2、ZK202 號鉆孔抽水資料,單位涌水量0.0012~0.0027 L/s·m,含水層富水性弱。

        (3) 奧陶系巖溶裂隙含水層。峰峰組含水層巖性主要為石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r,上馬家溝組含水層主要為石灰?guī)r、花斑灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。據(jù)以往抽水資料知峰峰組與上馬家溝組富水性差異較大,峰峰組含水層單位涌水量0.000 1~0.002 2 L/s·m,富水性弱,上馬家溝組含水層單位涌水量0.001~0.201 6 L/s·m,富水性弱- 中等。研究區(qū)內(nèi)奧灰水位標高為+748—+752 m,6 煤底板標高為-20—+680 m;15 煤底板標高為-120—+580 m。6、15號煤層均位于奧灰水位以下,屬帶壓開采。

        2.2 參數(shù)選取

        采用研究區(qū)內(nèi)以往施工的7 個鉆孔資料(表1),通過計算得出15 號煤層水頭壓力值3.73~6.36 MPa,由西北向東南逐漸增大(圖2);15 號煤層底板保護層厚度值71.13~104.81 m,由東中部向兩側(cè)逐漸增大(圖3);15 煤底板導水破壞帶深度為20.93~23.85 m,由西北向東南逐漸增大(圖4);15 號煤層底板有效保護層厚度一般為49.61~83.88 m,由中部向兩側(cè)逐漸增大(圖5)。

        表1 15 號煤層底板突水相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Relevant data statistics of water inrush from No.15 coal seam floor

        依據(jù)帶壓系數(shù)T=P/M計算得出15 煤底板奧灰水帶壓系數(shù)0.036~0.072 MPa/m,依據(jù)“突水系數(shù)”Tt=P/(M-Cp)計算得出15 煤底板奧灰水突水系數(shù)0.044~0.098 MPa/m,研究區(qū)內(nèi)帶壓系數(shù)和突水系數(shù)總體由西北向東南逐漸增大,如圖6、圖7 所示。

        圖6 2 號煤層構(gòu)造對比Fig.6 Structural comparison of No.2 coal seam

        2.3 評價結(jié)果

        通過對破壞深度圖、保護層厚度圖、水頭分布圖、有效保護層圖綜合分析研究,結(jié)合帶壓系數(shù)圖及突水系數(shù)圖,再配合“三級判別”進行帶壓分區(qū),如圖8 所示。

        圖8 15 號煤層底板奧灰水突水危險性評價分區(qū)Fig.8 Ordovician limestone water inrush risk evaluation zone of No.15 coal seam floor

        (1) 15 號煤層全井田帶壓。井田北部“雙系數(shù)”均小于0.06 MPa/m 的地段,屬于Ⅲ級評價的范疇,底板“有效保護層”阻抗水頭壓力的能力較強,正常情況下工作面發(fā)生非直通式突水的可能性極小。

        (2) 在井田中北部,帶壓系數(shù)小于0.06 MPa/m,突水系數(shù)大于0.06 MPa/m 的地段,屬于Ⅱ級評價的范疇,發(fā)生突水的可能性小,但“有效保護層”阻抗水頭壓力的能力較低,增加了發(fā)生突水的可能性,同時遇斷裂構(gòu)造時有發(fā)生突水的可能。

        (3) 井田南部“雙系數(shù)”均大于0.06 MPa/m的地段,屬于Ⅰ級評價的范疇,“有效保護層”阻抗水頭壓力的能力低,在構(gòu)造地段工作面必然發(fā)生直通式突水。在帶壓區(qū)的斷層周圍屬Ⅰ級評價的范疇。

        Ⅰ級評價的區(qū)域,15 號煤層帶壓開采安全性較差。Ⅱ、Ⅲ級評價的區(qū)域,總體上15 號煤層帶壓開采安全性較高,但是在Ⅱ、Ⅲ級評價的區(qū)域內(nèi),應加強對各類斷裂構(gòu)造的探查并采取必要的防治措施,以滿足帶壓開采的要求。

        3 結(jié) 語

        在紫金煤礦15 號煤層的突水預測分區(qū)中,全面考慮了導致15 號煤層底板突水的主要因素,用五圖- 雙系數(shù)三級判別法進行了評價結(jié)果等級劃分。五圖采用煤礦開采中的基本地質(zhì)圖件surfer 生成,直觀方便實用,預測分區(qū)結(jié)果也更符合煤礦實際水文地質(zhì)條件。結(jié)果顯示,突水危險性較大的區(qū)域(Ⅰ級區(qū)) 分布在井田的南部,面積較大;井田中北部屬于突水危險性較小的區(qū)域(Ⅱ級區(qū));井田北部屬于基本安全區(qū)(Ⅲ級區(qū))。

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