王 偉

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)盤城嶺礦 地測防治水中心，山西 晉中 032600)

盤城嶺礦位于沁水煤田東北緣，陽泉礦區(qū)南端與武夏礦區(qū)相鄰。井田面積8.034 1 km2，批準(zhǔn)開采4、15號煤層，開采標(biāo)高1 200～440 m，生產(chǎn)規(guī)模為90萬t/a.目前礦井開采石炭系上統(tǒng)太原組15號煤層，現(xiàn)采掘工作面已全部進(jìn)入奧灰水帶壓區(qū)域，礦井隔水層厚度較薄，構(gòu)造發(fā)育，承壓水對礦井安全生產(chǎn)影響日益嚴(yán)重。

井田能否實(shí)現(xiàn)帶壓安全開采，決定于礦區(qū)的水文地質(zhì)條件、構(gòu)造條件、隔水巖柱厚度及其隔水、抗水性能。在底板隔水巖柱薄弱的地帶或斷裂、陷落柱等構(gòu)造破碎帶，存在著巖溶水突破相對隔水層潰入礦井的可能性。分析煤層底板巖性及巖層組合，評價(jià)其保護(hù)性能；計(jì)算突水系數(shù)并確定臨界突水系數(shù)；評價(jià)開采15號煤層的安全性，進(jìn)行安全分區(qū)。

根據(jù)煤層隔水巖柱厚度、空間分布規(guī)律、巖性組合特征及隔水巖柱的力學(xué)性質(zhì)，對井田內(nèi)15號煤層承受奧灰?guī)r溶水的隔水巖柱進(jìn)行分析并研究制定相應(yīng)防治措施。

1 礦井地質(zhì)

井田位于沁水盆地東部邊緣，屬基巖半裸露區(qū)，僅局部被第四系覆蓋，分布于井田各處。出露地層有：二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組。井田地層總體走向?yàn)楸北睎|、傾向北西的單斜構(gòu)造，地層傾角一般8～10°，局部地段可達(dá)15°以上。地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，根據(jù)三維地震勘探及井下巷道揭露斷層總計(jì)63條，大于5 m落差的17條，最大落差15 m，陷落柱14個(gè)，井田地質(zhì)構(gòu)造屬中等。

2 水文地質(zhì)

2.1 地表水系

井田屬低中山侵蝕區(qū)，基巖大面積裸露，切割較強(qiáng)烈，地勢總體趨勢中北部高南部低，無常年性河流，但溝谷縱橫，溝中平時(shí)干涸，雨季有短暫洪流。

2.2 主要含水地層

2.2.1 中奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層

井田內(nèi)上馬家溝組+峰峰組，單位涌水量0.001 3 L/(s·m)，涌水量0.032 L/s，滲透系數(shù)為0.013 7 m/d，為弱富水性含水層。水化學(xué)類型為HCO3·SO4- Ca·Na型水，總硬度(CaCO3)280.22 mg/L.奧灰地下水水位總體由南向北逐漸降低，奧灰水水位標(biāo)高+839～+845 m.

2.2.2 石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r裂隙巖溶含水層

本組主要含水層由K2、K3、K4共3層海相石灰?guī)r組成，厚度約15.00 m，灰?guī)r巖溶裂隙不甚發(fā)育，滲透系數(shù)0.004 6 m/d，單位涌水量為0.001 5 L/(s·m)，總硬度(CaCO3)45.04 mg/L，水化學(xué)類型為HCO3·Cl- Na型，為弱富水性含水層。

2.2.3 二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層

山西組含水層滲透系數(shù)為0.000 25 m/d，單位涌水量為0.000 032 5 L/(s·m)，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型，總硬度(CaCO3)125.10 mg/L，為弱富水性含水層。

2.3 主要隔水地層

2.3.1 石炭二疊系各含水層之間的相對隔水層

該段隔水層主要是由泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖互層組成，其中砂質(zhì)泥巖、泥巖平均占60.29%；其次砂巖、石灰?guī)r平均占39.71%；軟巖與硬巖比值系數(shù)約為1.52∶1.

2.3.2 15號煤至奧陶系頂面隔水層

由中厚層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖，薄層砂巖、鋁土質(zhì)泥巖組成，厚度21.85～39.15 m，平均29.45 m，構(gòu)成15號煤層與峰峰組含水層間的隔水層[1],見圖1.

圖1 地層綜合柱狀圖

2.4 奧灰水補(bǔ)徑排條件

盤城嶺礦井田總體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，由東向西奧灰埋深逐漸加深，西部深埋區(qū)為滯流區(qū)。奧灰?guī)r溶水的補(bǔ)給來源主要是井田外裸露區(qū)接受大氣降水入滲補(bǔ)給為主，以及河水入滲補(bǔ)給。徑流方向大致是由南、南西方向向北東徑流出井田，最后至娘子關(guān)一帶排泄。

3 礦井充水情況

15號煤層開采石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r裂隙巖溶含水層為直接充水水源，由于頂板含水層補(bǔ)水條件差，一般不會影響礦井正常生產(chǎn)。煤層底板標(biāo)高在845 m，標(biāo)高以下地段受奧陶系含水層威脅。井田內(nèi)帶壓區(qū)域奧灰水壓總體上西部高，東部低，西部最大奧灰水壓為2.85 MPa.礦井地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，底板隔水巖柱薄，存在奧灰突水危險(xiǎn)。

礦井現(xiàn)采15號煤層，井下涌水以頂板太原組灰?guī)r裂隙巖溶含水層淋水為主，全礦井正常涌水1 600 m3/d,雨季期間略有增加。

4 煤層奧灰水帶壓開采安全性評價(jià)

4.1 地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)水分析

井田斷層、陷落柱構(gòu)造較發(fā)育，揭露斷層最大落差15 m，陷落柱直徑60 m，目前未發(fā)現(xiàn)構(gòu)造導(dǎo)水現(xiàn)象。全礦隔水層最薄處隔水層厚度21.85 m，位于2號鉆孔附近，如有斷層發(fā)育會進(jìn)一步減弱煤層底板隔水巖柱的厚度和力學(xué)強(qiáng)度。礦井開采，陷落柱受采動影響和水壓作用有活化和滯后突水的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 煤層底板隔水巖柱分析

根據(jù)井田內(nèi)施工至奧灰頂界以下鉆孔的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，帶壓區(qū)內(nèi)15號煤層底板至奧灰頂面隔水層厚度為15號煤層21.85～39.15 m，平均29.77 m.井田帶壓區(qū)南部奧灰隔水層厚度較厚，北部相對較薄，見圖2.

圖2 15煤層底板隔水層厚度等值線

井田內(nèi)15號煤層底板至奧灰頂面巖性組合以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，平均占82.56%；其次為砂巖，平均占17.44%.軟巖與硬巖比值系數(shù)約為4∶1.隔水底板抗壓強(qiáng)度及隔水能力與地層組合有很大關(guān)系，這種隔水底板軟巖與硬巖組合結(jié)構(gòu)，對提高底板的抗壓強(qiáng)度及隔水能力比較有利。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)巖石的等效隔水系數(shù)和等效抗壓強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行換算，其等效泥巖隔水層厚度為20.65～24.81 m，平均為22.73 m.總體抗壓強(qiáng)度為1.29～1.78 MPa，相對于井田15號煤底板奧灰水壓0.40～3.01 MPa，15號煤層有發(fā)生底板突水的可能性。

根據(jù)對底板巖石隔水性能與力學(xué)性質(zhì)分析，可知底板巖層具有較好的阻水、抗水壓能力。在煤層開采中，采取合理的防治水措施以實(shí)現(xiàn)安全開采。

4.3 礦山壓力破壞影響分析

采礦擾動底板破壞深度的大小主要與工作面的斜長、底板巖性及其結(jié)合狀況、采深和煤層傾角等因素有關(guān)。選用考慮采深、傾角和巷道底板寬度的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算底板采動破壞深度。井田內(nèi)煤層傾角一般為8～10°，局部地段可達(dá)15°以上。根據(jù)15號煤層開采設(shè)計(jì)，工作面寬度為170 m.

底板采動破壞深度[2]：

h1=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9

(1)

式中：h1為采礦擾動底板破壞深度，m；H為采深，m；L為巷道底板寬度，170 m；α為煤層傾角，取10°.

表1 15號煤層采礦擾動底板破壞深度計(jì)算

經(jīng)計(jì)算,煤層采礦擾動底板破壞深度在18.53～21.05 m之間。井田內(nèi)帶壓區(qū)域15號煤層底板至奧灰頂板間距較小，雖然擾動深度不大于15號煤層與奧灰間的隔水巖柱厚度，但開采造成的擾動給15號煤層的安全開采帶來了一定的影響。

4.4 煤層底板突水系數(shù)及分區(qū)

1) 根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》有關(guān)要求，突水系數(shù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)見表2[3]，采用公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

表2 15號煤層奧灰?guī)洪_采相關(guān)參數(shù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)

(2)

式中：T為突水系數(shù)，MPa·m；P為底板隔水層承受的實(shí)際水頭值，MPa；M為底板隔水層厚度，m.

2) 有關(guān)計(jì)算參數(shù)的選取。

底板隔水層厚度(M):

M=(H煤-h)

(3)

式中：H煤為煤層底板標(biāo)高，m；h為奧灰頂面標(biāo)高，m.

底板隔水層承受的水頭壓力(P)：

P=(H-h)×9.8×10-3

(4)

式中：H為奧灰?guī)r溶水位標(biāo)高，m；h為奧灰頂面標(biāo)高，m.

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》“底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段不大于0.1 MPa/m”的規(guī)定，結(jié)合礦井?dāng)嗔褬?gòu)造發(fā)育程度，斷層及可能影響范圍區(qū)劃分為帶壓開采危險(xiǎn)區(qū)(III區(qū))，其余選取突水系數(shù)0.06 MPa/m、0.10 MPa/m做為劃分標(biāo)準(zhǔn)[4],帶壓開采分區(qū)見表3.

表3 帶壓開采分區(qū)

井田內(nèi)15號煤層?xùn)|北部為不帶壓開采區(qū)，面積為1.744 2 km2，煤層開采不受奧灰水影響。15號煤層帶壓區(qū)突水系數(shù)計(jì)算值在0.018 3～0.104 9 MPa/m之間， 15號煤層帶壓區(qū)整體劃分為3個(gè)區(qū)，分別為：帶壓開采相對安全區(qū)(Ⅰ區(qū))，即T<0.06 MPa/m的區(qū)域，面積為2.946 4 km2；帶壓開采過渡區(qū)(Ⅱ區(qū))，即0.1 MPa/m>Ts≥0.06 MPa/m的區(qū)域，面積為2.179 4 km2；帶壓開采危險(xiǎn)區(qū)(Ⅲ區(qū))，即T>0.1 MPa/m的區(qū)域，面積為0.506 9 km2.不帶壓區(qū)和帶壓相對安全區(qū)為可采區(qū)，可采區(qū)面積為5.125 8 km2.通過以上分析，井田內(nèi)15號煤層 P-1、3號孔以西地段開采受奧灰?guī)r溶水影響大，不宜在此地段進(jìn)行開采；1、3-2、1-2 號孔以西至P-1號孔地段開采受奧灰?guī)r溶水影響應(yīng)制定專門帶壓開采設(shè)計(jì)，加強(qiáng)動態(tài)監(jiān)測，制定現(xiàn)場應(yīng)急預(yù)案，采取防治水措施，見圖3.

圖3 15號煤層奧灰水帶壓開采突水危險(xiǎn)性評價(jià)圖[4]

4.5 煤層掘進(jìn)巷道和工作面安全隔水層厚度的計(jì)算

1) 掘進(jìn)巷道底板隔水層：

(5)

式中:P為底板隔水層能夠承受的安全水頭值，MPa；t為隔水層厚度，m；L為巷道寬度，m；γ為底板隔水層的平均重度，MN/m3；Kp為底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度，MPa.

2) 采煤工作面：

ps=TsM

(6)

式中：ps為底板隔水層安全水頭值，MPa；M為底板隔水層厚度，m；Ts為臨界突水系數(shù)，MPa/m.

15號煤層掘進(jìn)巷道承受的水壓小于巷道所能承受的安全水壓，可以開拓巷道。P-1號孔以西地段承受的奧灰?guī)r溶水壓超過了隔水層完整地段所能承受的安全水壓，不宜在此地段進(jìn)行開采。1、1-2號孔以西至P-1號孔地段，奧灰?guī)r溶水壓小于隔水層完整地段所能承受的安全水壓但大于有構(gòu)造時(shí)工作面所承受的安全水壓[5],見表4.

表4 15號煤層帶壓區(qū)巷道及工作面所能承受的奧灰水安全水壓

5 礦井奧灰突水量預(yù)測

采用井田抽水試驗(yàn)資料，分析奧灰峰峰組巖溶含水層對煤層的突(涌)水量進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)井田水文地質(zhì)條件，視含水層為均質(zhì)無界，采用地下水動力學(xué)中的“大井”法，選用承壓轉(zhuǎn)無壓完整井的穩(wěn)定流計(jì)算涌水量公式：

(7)

經(jīng)計(jì)算，15號煤層回采工作面奧陶系峰峰組巖溶裂隙含水層突水量值約為100.33 m3/h，最大突水量以2倍計(jì)算約為200.66 m3/h.

6 15號煤層奧灰水帶壓開采防治措施

1) 嚴(yán)格執(zhí)行“預(yù)測預(yù)報(bào)、探掘分離、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則，加強(qiáng)探放水工作。

2) 在采區(qū)最低處安裝強(qiáng)排系統(tǒng)，水泵一用一備單臺排水能力大于預(yù)計(jì)最大突水量，配套管路滿足強(qiáng)排最大排水能力。建立地面注漿站滿足礦井注漿需求。

3) 建立地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對礦井排水、涌水及水文長觀孔的數(shù)據(jù)進(jìn)行水文動態(tài)自動監(jiān)測，及時(shí)掌握奧灰水文有關(guān)數(shù)據(jù)的變化。采用微震監(jiān)測技術(shù)建立突水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，監(jiān)測導(dǎo)水通道受采動影響變化情況。

4) 盤城嶺礦15號煤層的帶壓開采相對安全區(qū)，正常地段底板突水的危險(xiǎn)性小。探測方法的選擇應(yīng)該以“物探先行，鉆探驗(yàn)證”為原則。首先采用兩種物探方法超前探測，對采掘工作面物探異常區(qū)、構(gòu)造區(qū)、裂隙發(fā)育地段等進(jìn)行鉆探探查，采用局部注漿改造的方式進(jìn)行治理。過渡區(qū)采用地面鉆孔或井下定向鉆孔注漿技術(shù)對底板進(jìn)行區(qū)域改造。

5) 鉆探探測及注漿加固深度至15煤層底板破壞(擾動)深度與有效隔水層厚度之和以下。所有鉆孔必須進(jìn)行軌跡測量,偏斜不得超過漿液擴(kuò)散范圍，鉆孔出現(xiàn)偏斜經(jīng)分析論證無法達(dá)到探查目的時(shí)，必須重新補(bǔ)探。

6) 注漿治理工程完成后要對治理效果進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，驗(yàn)證合格后再采用物探手段再次開展探查驗(yàn)證，對異常區(qū)再次鉆探驗(yàn)證，確?；?guī)r承壓水隱患徹底消除。

7 結(jié) 語

區(qū)域峰峰組和上馬家溝組含水層富水性差異較大，峰峰組含水層富水性弱，而凡是底板突水的地方必定是奧灰水富集地帶，因此，從防治水角度來說，首先要區(qū)分出奧灰水的富水與非富水地段，主要表象為是否存在上馬家溝組水與峰峰組含水層導(dǎo)通的可能；其次，隔水層的厚度與巖性結(jié)構(gòu)，是影響底板突水的另一個(gè)因素。15號煤層有效隔水層較小按照奧灰突水系數(shù)帶壓開采區(qū)分為3個(gè)區(qū)域，即相對安全區(qū)、過渡區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)。相對安全區(qū)應(yīng)注意在構(gòu)造薄弱部位和有效隔水層受開采擾動破壞區(qū)可能存在奧灰突水的可能，通過局部底板加固，合理留設(shè)防隔水煤柱，在加強(qiáng)防治水工作的前提下可以進(jìn)行帶壓開采；過渡區(qū)選擇對底板破壞擾動小的采煤方法，采取底板區(qū)域注漿改造，加大底板突水監(jiān)測預(yù)警等合理的防治水措施后可實(shí)現(xiàn)安全開采。危險(xiǎn)區(qū)為禁采區(qū)，暫不考慮危險(xiǎn)區(qū)的開采，等以后技術(shù)成熟，安全性提高了再考慮。