張雙樓礦區(qū)9＃煤層底板突水危險(xiǎn)性分析及防治

陳 超 宋正宇 石小蒙

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司張雙樓煤礦，江蘇省徐州市，221616）

煤層底板突水是我國(guó)石炭二疊系煤田和晚二疊系煤田的主要水害問(wèn)題，也是我國(guó)礦井水文地質(zhì)學(xué)研究的重大理論課題。隨著開(kāi)采深度的增加，煤田水文地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，開(kāi)采工作面底板突水的的危險(xiǎn)性也越大。煤層底板突水主要受充水含水層、底板隔水層防突性能、地質(zhì)構(gòu)造、礦壓破壞發(fā)育帶等因素的共同作用。其中礦壓破壞發(fā)育帶是煤層底板突水的誘發(fā)因素，是工作面回采后底板圍巖體受采動(dòng)影響形成的的產(chǎn)物，礦壓破壞帶發(fā)育深度越大，越易誘發(fā)底板突水。張雙樓礦主采煤層9＃煤層主要受底板四灰水威脅，本文在考慮采動(dòng)礦壓的條件下對(duì)－350m水平9＃煤層底板隔水層的突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

1 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造與水文地質(zhì)條件

張雙樓礦位于豐沛復(fù)背斜的北翼，基本上為一單斜構(gòu)造。井田地層走向近EW，傾向NW，傾角18～34°。井田東為張雙樓—徐莊斷層（F1），西為鴛樓斷層（F24），北為三河尖—姚橋斷層的南下降盤(pán)，南為基巖地層隱伏露頭，見(jiàn)圖1。

本區(qū)地層屬典型的華北型地層，煤系地層為石炭、二疊系，均為第四系所覆蓋。區(qū)內(nèi)揭露的地層有奧陶系下統(tǒng)肖縣組（未揭穿）、馬家溝組，奧陶系中統(tǒng)閣莊組、八陡組，石炭系中統(tǒng)本溪組，石炭系上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組和下石盒子組，二疊系上統(tǒng)上石盒子組，侏羅—白堊系，第四系。其中下二疊統(tǒng)山西組為本區(qū)主要含煤地層，厚79.88～143.45m，平均104.45m。7＃、9＃、17＃和21＃煤層為區(qū)內(nèi)4個(gè)可采煤層，目前礦區(qū)主要開(kāi)采7＃和9＃煤層。

圖1 井田邊界與構(gòu)造綱要圖

根據(jù)井田各含水層的水文地質(zhì)條件及其對(duì)采礦活動(dòng)的不同影響，可把各含水層劃分為3組：第一組為第四系沖積層松散巖類(lèi)孔隙含水層、二迭系石盒子組砂巖和山西組9＃煤層頂板砂巖裂隙含水層組，位于二疊系煤系地層上部，富水性較弱。第二組為石炭系上統(tǒng)太原組薄層灰?guī)r裂隙—巖溶含水巖組，位于煤系地層下部，本地層為一套海陸交替相沉積，含薄層灰?guī)r14層，其中四灰厚度較大，巖溶裂隙發(fā)育，見(jiàn)表1。局部見(jiàn)溶洞，補(bǔ)給水源充沛，富水性較強(qiáng)，距離9＃煤層平均41.1m，是9＃煤層開(kāi)采的直接充水含水層，其他富水性普遍較弱。第三組為奧陶系石灰?guī)r巖溶含水層組，上距9＃煤層100m以上，對(duì)9＃煤層開(kāi)采影響較小，但并不能排除奧灰?guī)r溶水通過(guò)構(gòu)造、風(fēng)化裂隙帶從側(cè)向補(bǔ)給四灰水。

表1 四灰?guī)r溶發(fā)育情況統(tǒng)計(jì)表

水平方向上，井田東邊界為張雙樓—徐莊（F1）1000m落差的大斷層，斷層西升東降，對(duì)礦區(qū)補(bǔ)給很弱，可視為隔水邊界。北部為三河尖—姚橋近東西向斷層，靠近井田的南盤(pán)為下降盤(pán)，隔絕了由北向南的基巖水力聯(lián)系。西界為鴛樓斷層（F24），走向近NS向，西降東升，與東盤(pán)礦區(qū)煤系地層對(duì)接，為隔水邊界。只有南部邊界為基巖隱伏露頭區(qū)，奧灰水通過(guò)基巖風(fēng)氧化帶對(duì)井田內(nèi)的含水層有側(cè)向補(bǔ)給作用，因此，南邊界為透水邊界?？傮w上看，張雙樓井田是屬于東、北、西三面隔水，南面進(jìn)水、頂部弱透水的半封閉式的水文地質(zhì)單元。該井田的補(bǔ)給水源主要以大氣降水的垂直補(bǔ)給為主，補(bǔ)給方式是以大氣降水通過(guò)第四系地層的垂直越流補(bǔ)給。

2 9＃煤層開(kāi)采底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

在煤層帶壓開(kāi)采過(guò)程中，一旦發(fā)生底板突水，其結(jié)果是災(zāi)難性的，因此，在煤層底板承受高承壓水的條件下，對(duì)煤層底板突水危險(xiǎn)性分析預(yù)測(cè)極其重要。如2010年3月1日內(nèi)蒙古神華集團(tuán)駱駝山煤礦在16＃煤層回風(fēng)巷掘進(jìn)中，遇煤層下方隱伏陷落柱，在水壓和采動(dòng)應(yīng)力作用下，誘發(fā)了該掘進(jìn)工作面的底板底臌，承壓水突破有限隔水層形成集中過(guò)水通道，導(dǎo)致奧灰水從煤層底板大量涌出，造成淹井。

開(kāi)采9＃煤層主要受底板四灰水的威脅，煤層底板隔水層是阻抗突水的唯一因素，所以利用突水系數(shù)法對(duì)底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)是比較科學(xué)和常用的方法。

（1）《煤礦防治水規(guī)定》指出突水系數(shù)就是單位隔水層所能承受的極限水壓值，即：

式中：Ts——突水系數(shù)；

P——含水層水壓，MPa；

M——隔水層厚度，m。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06MPa／m，正常塊段不大于0.1MPa／m，以此作為評(píng)價(jià)界限。

（2）考慮礦壓對(duì)底板的破壞作用，公式修正為：

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料，經(jīng)回歸分析，已經(jīng)獲得方便可靠的預(yù)測(cè)底板導(dǎo)水破壞帶深度的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算結(jié)果如下：

Cp＝0.0085 H＋0.1664a＋0.1079L＋4.3579（3）式中：Cp——礦壓破壞深度，m；

H——開(kāi)采深度，m；

L——開(kāi)采工作面斜長(zhǎng)，m；

a——開(kāi)采煤層傾角，rad。

根據(jù)礦井生產(chǎn)的實(shí)際情況，粗略計(jì)算出底板導(dǎo)水破壞深度Cp為16m。

（3）考慮到礦壓對(duì)底板的破壞后，再考慮不同巖石巖性阻隔水的作用不同，修正公式為：

式中：ai——各分層的質(zhì)量比值系數(shù)，巖石隔水－阻水作用以泥巖為標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量比值系數(shù)見(jiàn)表2。

四灰水上距9＃煤層底板41.1m，根據(jù)礦區(qū)探井資料取得底板隔水層各分層巖性及厚度見(jiàn)表3。將隔水層中不同巖性巖層厚度折算成相應(yīng)的等效厚度累加為等值隔水層厚度，得出9＃煤層到四灰之間等值隔水層厚度為：

有效隔水層為35.14－16＝19.14m。

表2 不同巖石的質(zhì)量比值系數(shù)

表3 隔水層各層巖性及其厚度

根據(jù)以上羅列的3種方法對(duì)9＃煤層受底板水威脅作出評(píng)價(jià)見(jiàn)表4。

由計(jì)算結(jié)果結(jié)合礦區(qū)以往實(shí)測(cè)資料得出，四灰含水層水位為－65m，－350m水平的9＃煤層底板承受四灰水壓為2.35MPa。由于少量的探井資料具有局限性，為安全起見(jiàn)，全部選取底板受構(gòu)造破壞的安全水頭值作為研究對(duì)象。式（1）中M取值為隔水層厚度，即煤層底板至承壓含水層頂面之間的實(shí)測(cè)厚度，計(jì)算出的安全水頭值為2.466 MPa，高于實(shí)測(cè)值2.35MPa，說(shuō)明現(xiàn)行條件可以安全開(kāi)采，但根據(jù)礦區(qū)生產(chǎn)的實(shí)際，如此高的水壓下產(chǎn)生過(guò)突水事故，而且我國(guó)華北型煤田開(kāi)采時(shí)都會(huì)對(duì)煤層底板產(chǎn)生破壞作用，隔水層厚度選取值得商榷；考慮礦壓破壞作用計(jì)算出的安全水頭值為1.506MPa，低于實(shí)測(cè)值，說(shuō)明現(xiàn)行條件下開(kāi)采9＃煤層是不安全的，需要對(duì)四灰水進(jìn)行疏放降壓；以上2種計(jì)算方法考慮的都是實(shí)測(cè)隔水層厚度，而沒(méi)有考慮我國(guó)華北型煤田二疊系下統(tǒng)山西組下組煤與石炭系上統(tǒng)太原組薄層灰?guī)r裂隙——巖溶含水巖組間的巖層，它不是單一巖性、隔水性良好的泥頁(yè)巖，而是不同巖性的巖石組合層，依據(jù)巖石隔水－阻水作用以泥巖為標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量比值系數(shù)表計(jì)算出有效隔水層厚度，進(jìn)而計(jì)算出的安全水壓為1.148 MPa，遠(yuǎn)低于實(shí)測(cè)值，需要對(duì)四灰水進(jìn)行大力度的疏放降壓。礦區(qū)資料表明，最高成功帶壓開(kāi)采的壓力為1.65MPa，其他情況都低于此壓力（注：由于9＃煤層底板接近四灰水處為砂質(zhì)泥巖，所以“下三帶”理論中的底板承壓水導(dǎo)高帶此礦區(qū)幾乎不存在），故根據(jù)修正公式（4）計(jì)算出的安全水壓值雖然很保守但與實(shí)際情況更為接近，用以指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)其安全度更高，相應(yīng)的防治水措施也更具有針對(duì)性。

表4 9＃煤層受底板水威脅評(píng)價(jià)表

綜合上述分析，認(rèn)為，從安全角度出發(fā)，在同等條件下，采用較保守的分析預(yù)測(cè)結(jié)論作為煤層底板突水的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)論，對(duì)礦井采掘安全是非常必要的。采用突水系數(shù)修正公式（4）對(duì)煤層底板突水性進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，更有利于礦井帶壓開(kāi)采安全。

3 9＃煤層底板四灰水疏放降壓可行性分析與預(yù)防措施

根據(jù)鉆孔資料與井巷揭露情況統(tǒng)計(jì)，四灰－500m以上同層異處水力聯(lián)通性較好。其中，－350m以上四灰?guī)r溶發(fā)育，為強(qiáng)巖溶發(fā)育帶，－350～－550m為中等巖溶發(fā)育帶，四灰水位隨放水孔增多而不斷下降，但放水量基本沒(méi)有變化。井下先后施工了7組放水孔。四灰放水量為223～263m3／h，平均242m3／h。隨著放水孔的不斷增多，四灰水位不斷下降，但總放水量基本穩(wěn)定。這表明了四灰灰?guī)r水具有可疏降的特點(diǎn)，故可對(duì)底板四灰水進(jìn)行疏放降壓。

依據(jù)以上3種計(jì)算結(jié)果分析疏放水量得出：采用《煤礦防治水規(guī)定》的計(jì)算方法求得的安全水壓高于實(shí)測(cè)值，屬于安全區(qū)，現(xiàn)行條件下可對(duì)9＃煤層進(jìn)行開(kāi)采，無(wú)需對(duì)四灰水進(jìn)行疏放，不符合礦區(qū)實(shí)際，值得商榷；考慮礦壓破壞作用計(jì)算出來(lái)的安全水壓為1.506MPa，低于實(shí)測(cè)值0.844MPa，需要將四灰水位降低84.4m；考慮礦壓與不同巖性阻隔水的差別，計(jì)算出的安全水壓為1.184MPa，低于實(shí)測(cè)值1.166MPa，需要將四灰水位降低116.6m。第三種方法相對(duì)于前兩種需要疏放大量水，加大了工程量，但在同一采區(qū)不同探井所取得地質(zhì)資料有差別的實(shí)際情況下，再結(jié)合以往礦區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，采取第三種相對(duì)保守方案進(jìn)行疏放降壓，可以保證礦區(qū)的生產(chǎn)安全。

考慮到四灰水可疏干性強(qiáng)，但水壓高、水量較為豐富的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多次研究論證和反復(fù)比較，最后決定在－350m水平采用“由淺到深，分水平、分采區(qū)，地面施工直通式四灰放水孔，井下配合施工四灰放水平孔，進(jìn)行大流量、大降深聯(lián)合放水降壓”的方案。具體做法為：先在地面施工一直通式四灰放水孔（放水1號(hào)孔），該放水孔施工至四灰含水層。在東一軌道上山－279m水平掘一條放水平巷，進(jìn)行第一階段較淺水平的四灰放水試驗(yàn)，當(dāng)四灰水位降至一定水平后，再在井下－500m運(yùn)輸大巷施工四灰放水平孔。由于進(jìn)行了第一階段的放水降壓，該水平孔施工安全有了保障。水平孔施工完畢后，進(jìn)行多孔聯(lián)合放水?？紤]到井下采區(qū)生產(chǎn)的需要，放水1號(hào)孔在東一采區(qū)較淺部位施工，平孔分別布置在東一、東二、西一和西二采區(qū)。

放水結(jié)果表明了東二至西二采區(qū)四灰水位下降明顯，影響范圍廣，疏降水量從開(kāi)始的826.976 m3／h，穩(wěn)定在233.716m3／h，空間上呈一不規(guī)則的“盆形”；水位成功降至安全值，解放了受水害威脅的煤層，保證了礦區(qū)的安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）運(yùn)用《煤礦防治水規(guī)定》中的式（1）進(jìn)行計(jì)算時(shí)，M值取實(shí)測(cè)隔水層厚度，但礦區(qū)不是單一巖性、隔水性良好的泥頁(yè)巖，而是不同巖性的巖石組合層，在這種情況下，計(jì)算出的安全水壓值是偏大的，對(duì)帶壓開(kāi)采突水危險(xiǎn)性分析預(yù)測(cè)是不利的。

（2）實(shí)際礦井資料表明，若采用式（4）進(jìn)行煤層底板突水危險(xiǎn)性分析，其結(jié)果與實(shí)際情況更接近，用以指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)安全度也更高。

（3）通過(guò)對(duì)－350m四灰水的成功疏放降壓，證明了本礦區(qū)是可以通過(guò)疏放降壓來(lái)實(shí)現(xiàn)煤層的安全開(kāi)采的，實(shí)施的效果也非常理想。

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