付聰杰

(太原東山煤電集團有限公司，山西 太原 030043)

礦井水害屬于煤礦開采五大自然災(zāi)害之一，其中奧灰水突水事故又是諸多水害中突發(fā)性、破壞性最為嚴重的一種[1-2]。我國許多礦井都存在著奧灰水突水威脅，隨著煤層開采不斷向深處延伸，采掘工作面底板承受的地壓、水壓越來越大，煤層開采過程中底板水害威脅也越來越嚴重，因此為了避免礦井出現(xiàn)奧灰水突水事故[3-4]，國內(nèi)外學(xué)者提出了“深降強排”和“帶壓開采”技術(shù)來應(yīng)對底板水害，其中“帶壓開采”技術(shù)以其低成本、易實施、影響小等特點被各大礦區(qū)廣泛應(yīng)用。

1982年10月19日，與五龍煤業(yè)相鄰的東山煤礦六斜坡南端下山探巷接近F12斷層前透水，整個采區(qū)巷道被淹沒。透水點(15號煤層位)標高為699 m，日平均排水量12 500 m3，其動水位保持在760 m左右。突水后據(jù)水質(zhì)分析資料，充水水源為由斷層導(dǎo)入的奧灰?guī)r溶水，因此15號煤層帶壓開采過程中受到奧灰水突水威脅。本文對太原東山五龍煤業(yè)15號煤層奧灰水帶壓技術(shù)進行了研究，為礦井水害防治提供了技術(shù)指導(dǎo)，保證了礦井安全高效開采。

1 工程概況

太原東山五龍煤業(yè)有限公司位于太原市，生產(chǎn)能力90萬t/a，主采12號、15號煤層，煤層底板標高+780 m以下均處于奧灰?guī)簠^(qū)。井田地層總體走向為北西，為向南西傾伏的單斜構(gòu)造，地層傾角12°左右且變化不大。斷裂構(gòu)造、巖溶陷落柱較發(fā)育。落差大于5 m的斷層井田內(nèi)共有5條。目前15號煤層底板標高+680 m以上區(qū)域已采完，正在開采15號煤層底板標高+680 m以下區(qū)域，該煤層受到奧陶系灰?guī)r巖溶水的威脅，奧灰水水頭高、富水性強，區(qū)內(nèi)斷層陷落柱為奧灰水進入礦坑的潛在通道，隨著開采深度的加大，帶壓開采的危險性增大。

2 奧灰水帶壓開采條件分析

2.1 奧灰水情況

井田范圍內(nèi)奧灰含水層地下水大致流向自東向西，水力坡度約1%.綜合考慮各水井受開采水量的影響，其水位較天然地下水位略有下降，以現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，推測本礦奧灰水位標高在780.2～783.3 m之間，奧灰水等水位線及流向如圖1所示。

圖1 奧灰含水層水位等值線圖

2.2 15號煤層底板隔水層分析

2.2.1 隔水巖柱厚度分析

井田及周邊揭露奧灰的鉆孔有7個，根據(jù)鉆孔探測對15號煤底板隔水巖柱厚度進行了統(tǒng)計，如表1所示。從表1中可以看出，井田范圍內(nèi)15號煤層隔水巖柱空間分布整體上井田中南部D6孔附近最厚為85.37 m，向四周逐漸變薄，井田西北角最薄76.19 m(M9)，井田東南角最薄約78 m(內(nèi)插)，井田內(nèi)鉆孔隔水巖柱平均厚度約82 m。

表1 15號煤底板隔水巖柱厚度

2.2.2 隔水巖柱的巖性組合特征

15號煤層至奧灰頂面為一套C2b及C3t海陸交互相的含煤建造，以砂巖、泥巖、石灰?guī)r相間出現(xiàn)為特征，中間夾薄煤層。整個巖柱巖層軟硬相間，為柔性、硬脆性、可溶硬脆性三類巖石的組合。根據(jù)鉆孔資料顯示，隔水巖柱中抗變形性好的巖石分別占63%、53.32%、54.50%，隔水性好的巖層占37%、46.68%、45.50%.抗變形性好的巖石和隔水性好的巖層均占有較大比例，充分說明該區(qū)底板隔水層有較好的帶壓開采條件。

3 15號煤層突水條件分析

礦井只有同時具備礦井水源和突水通道兩個必要條件時，才可能發(fā)生突水事故。其中突水通道的確定是15號煤層帶壓開采研究的重點之一。通過對礦井進行地質(zhì)勘探可知，奧灰水突水通道主要為斷層和陷落柱。

1) 斷層。五龍井田北界外為F17斷層，井田東北角附近落差15 m左右，西部308號鉆孔附近落差70 m左右。F17斷層在五龍井田15號煤層北部具體位置無鉆孔控制，據(jù)東山煤礦15號煤層礦井充水性圖中F17斷層位置，F(xiàn)17斷層距本礦三采區(qū)最近距離約45 m，最遠距離約185 m，推測三采區(qū)15號煤層底板隔水層厚度為77～79 m，本井田位于斷層下降盤，若F17斷層導(dǎo)水，會對五龍煤業(yè)的生產(chǎn)形成較大威脅。

2) 陷落柱。地表發(fā)現(xiàn)及井下揭露的陷落柱共7個，XJ1、XJ2、XJ3、XJ4為井下揭露，其形態(tài)基本控制，陷落柱內(nèi)地層雜亂無章，柱壁傾角較大。據(jù)礦方調(diào)查，在開采過程中揭露的絕大多數(shù)陷落柱柱體邊緣裂隙不發(fā)育、無滲水現(xiàn)象，富水性和導(dǎo)水性較差，在局部裂隙發(fā)育處有淋水、滴水現(xiàn)象，對礦井的充水影響程度較小。但是隨著煤層傾斜方向埋深的增加，間接底板巖溶水壓力增加，仍有可能發(fā)生突水，即在礦壓作用下滯后突水的可能性不可忽視。特別當陷落柱與斷裂構(gòu)造或裂隙帶聯(lián)合作用時，有可能成為間接底板巖溶水的通道。

4 15號煤層奧灰水帶壓開采安全性分析

4.1 突水系數(shù)計算

1) 底板隔水層承受的壓力(P)。根據(jù)奧灰?guī)r溶水等水位線圖內(nèi)插而得各鉆孔奧灰?guī)r溶含水層的水位標高。水位標高減去相應(yīng)的奧陶系頂面標高值作為底板隔水層承受的水壓力[5]。

P=(H-h)×0.009 8

式中：H為奧灰?guī)r溶水位標高，m；h為奧陶系頂面標高，m。

2) 底板隔水層厚度(M)。取15號煤層底板至奧陶系峰峰組含水層頂面之間的隔水完整巖層厚度。

3) 根據(jù)《煤礦防治水細則》中突水系數(shù)計算公式，將15號煤層4個鉆孔數(shù)據(jù)代入公式(1)中，計算結(jié)果如表2所示。

T=P/M

(1)

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；P為底板隔水層承受的壓力，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

表2 15號煤突水系數(shù)計算

從表中可知，15號煤層最大突水系數(shù)為0.066 MPa/m，位于井田西南角；最小為0.006 MPa/m，位于井田北部。

4.2 15號煤層奧灰水帶壓開采分區(qū)

考慮到礦井實際情況，15號煤層帶壓開采分區(qū)采用突水系數(shù)和斷層發(fā)育規(guī)模兩項指標進行綜合分區(qū)，劃分指標如表3所示。

表3 帶壓開采分區(qū)劃分

依據(jù)表3，將15號煤層奧灰水帶壓開采劃分為3個區(qū)域，如圖2所示。

圖2 15號煤層奧灰水帶壓開采分區(qū)

1)Ⅰ區(qū)(帶壓開采相對安全區(qū)，T<0.06 MPa/m)。在構(gòu)造發(fā)育簡單區(qū)，突水系數(shù)小于0.06 MPa/m。為15號煤層底板標高360～781 m區(qū)域，一、二、三采區(qū)均位于該區(qū)。該區(qū)段內(nèi)15號煤層隔水層整體上井田中南部D6孔附近最厚，為85.37 m，向四周逐漸變薄，井田西北角最薄約76.19 m(M9)，井田東南角最薄約78 m(內(nèi)插)，鉆孔隔水巖柱平均厚度約82 m，可以承受一定的奧灰?guī)r溶水的水頭壓力，在無導(dǎo)水斷層、陷落柱等構(gòu)造的正常地段，帶壓開采是安全的。

2) Ⅱ區(qū)(帶壓開采相對危險區(qū)，0.06 MPa/m≤T<0.1 MPa/m)。在構(gòu)造發(fā)育簡單區(qū)，突水系數(shù)大于0.06 MPa/m，不大于0.1 MPa/m，為15號煤層底板標高小于360 m以下地段，面積約為0.045 km2。該區(qū)段內(nèi)15號煤層隔水巖層厚79～81 m。五龍資料顯示，此區(qū)域奧灰富水性中等，若開采此區(qū)15號煤層，必須加強隱伏導(dǎo)水構(gòu)造探測，對于斷層破碎帶、陷落柱，要通過注漿等措施，增加破碎帶強度，同時注漿加固底板隔水層，方可保證安全開采。

3) Ⅲ區(qū)(帶壓開采危險區(qū)，構(gòu)造復(fù)雜區(qū))。在落差不小于5 m斷層所形成的斷層破碎帶一線，為斷層發(fā)育復(fù)雜區(qū)。斷層落差較大，破壞了煤層底板隔水層完整性，降低了隔水層厚度，增加了奧灰突水的可能性。地面揭露的X4、X6陷落柱貫穿15號煤層直至地面，導(dǎo)通奧灰水的可能性較大，周圍30 m劃為可能導(dǎo)水危險區(qū)。

5 帶壓開采防治水措施

五龍煤業(yè)15號煤層底板標高781 m以下區(qū)域位于奧陶系巖溶水水位以下，為帶壓開采礦床。根據(jù)井田及區(qū)域水文地質(zhì)資料，奧灰含水層的水壓大，富水性強，只能采取防、堵措施。煤層下伏隔水層發(fā)育穩(wěn)定，15號煤層底板隔水層平均厚約82 m，在完整的情況下，基本可以阻止奧灰?guī)r溶水的突出。因此，是否存在導(dǎo)水通道是各煤層帶壓開采是否安全的關(guān)鍵因素。

5.1 建立健全水文地質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

本礦井范圍內(nèi)有一供水井，沒對O2f進行抽水試驗，僅對O2s、O2x進行了混合抽水試驗，相應(yīng)的水文地質(zhì)資料還不能完全滿足帶壓開采的需求。還需要對奧灰含水層進行進一步的探查，查明本井田內(nèi)奧灰含水層分層段的富水性和厚度情況。逐步建立健全水文地質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。

5.2 加強導(dǎo)水通道探測

井田內(nèi)地表填圖發(fā)現(xiàn)的斷層F29、F30、F31、F32、F43位于帶壓區(qū)，除F32、F43在井田東部井下部分揭露外，均無鉆孔控制。帶壓區(qū)地表填圖發(fā)現(xiàn)X4、X6陷落柱，東部井下揭露XJ1、XJ2、XJ3、XJ4陷落柱。為保證安全，在未來開采15號煤層時，要加強對斷層、陷落柱及其導(dǎo)水性的探測，防止奧灰突水，同時防止充分采動后激活斷層活性，使不導(dǎo)水斷層變?yōu)閷?dǎo)水斷層，造成奧灰突水。

5.3 制定專項防治水措施

深入研究15號煤層的底板阻水性能，陷落柱、斷層的發(fā)育規(guī)律和探查方法，隨時針對工作面的具體水文地質(zhì)條件制定防治水的具體措施。

6 結(jié) 語

1) 通過對五龍煤業(yè)15號煤層底板隔水層分析，15號煤隔水層厚度為78.4～85.37 m，隔水層抗變形性好的巖石和隔水性好的巖層均占有較大比例，充分說明15號煤層底板隔水層具備較好的帶壓開采條件。

2) 通過對15號煤層突水條件分析，F(xiàn)17斷層是否導(dǎo)水會對五龍煤業(yè)的生產(chǎn)造成較大威脅。煤層最大突水系數(shù)為0.066 MPa/m，位于井田西南角，大于底板受構(gòu)造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，存在突水的可能性。

3) 根據(jù)突水系數(shù)和斷層發(fā)育規(guī)模，將15號煤層帶壓開采危險程度劃分為3個區(qū)域：帶壓開采相對安全區(qū)、帶壓開采相對危險區(qū)和帶壓開采危險區(qū)，并結(jié)合15號煤層帶壓開采實際條件，制定了相應(yīng)的防治水措施。