基于奧灰突水系數(shù)演變的水庫(kù)下帶壓開采研究

郭好杰，郭振橋，樂 勇，齊文宇

（1．義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司宜陽(yáng)煤礦籌建處，河南 洛陽(yáng) 471000；2．河南大有能源股份有限公司新安煤礦，河南 新安 471842；3．義馬豫西地質(zhì)工程有限公司，河南 義馬 472300）

·試驗(yàn)研究·

基于奧灰突水系數(shù)演變的水庫(kù)下帶壓開采研究

郭好杰1，郭振橋2，樂 勇3，齊文宇2

（1．義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司宜陽(yáng)煤礦籌建處，河南 洛陽(yáng) 471000；2．河南大有能源股份有限公司新安煤礦，河南 新安 471842；3．義馬豫西地質(zhì)工程有限公司，河南 義馬 472300）

小浪底庫(kù)區(qū)蓄水對(duì)煤層底板的奧灰承壓水形成補(bǔ)給，進(jìn)而引起新安井田底板突水系數(shù)發(fā)生變化，礦井水文地質(zhì)條件日趨復(fù)雜。本文介紹了煤層底板巖層條件，闡述了奧陶系灰?guī)r的富水特征，統(tǒng)計(jì)繪制了庫(kù)區(qū)水位與水文孔測(cè)壓值的相關(guān)曲線，分析了曲線峰谷值反映的井田水文地質(zhì)跡象及與安全生產(chǎn)的內(nèi)在聯(lián)系，提出了擴(kuò)大監(jiān)測(cè)、重點(diǎn)巡查、物探查異、打鉆注漿、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)及應(yīng)急設(shè)防等帶壓開采的有效對(duì)策，以確保礦井安全生產(chǎn)和中長(zhǎng)期穩(wěn)定接續(xù)。

高位蓄水；帶壓開采；突水系數(shù)演變

國(guó)內(nèi)水體下采煤防治水工作，主要著眼于煤層的上覆巖層采動(dòng)裂隙發(fā)育高度及其對(duì)地表水體的導(dǎo)通危險(xiǎn)性研究，而庫(kù)區(qū)蓄水對(duì)煤層底板承壓含水層的補(bǔ)給，進(jìn)而引起底板水突水系數(shù)演變方面，尚缺專題研究。

新安井田位于河南洛陽(yáng)新安傾伏向斜北翼，為一平緩的單斜構(gòu)造，向斜軸向近東西，向東傾伏，北翼傾角平緩，一般為7°～11°。新安煤礦主采二疊系山西組二1煤層，煤層底板主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖隔水層，太原組灰?guī)r弱含水層、本溪組鋁土質(zhì)泥巖隔水層和奧陶系灰?guī)r強(qiáng)含水層。煤層呈藕節(jié)狀賦存，底板起伏較大，小型褶曲較發(fā)育，煤層不穩(wěn)定。1995年11月，12161掘進(jìn)工作面曾因揭露底板小斷層而導(dǎo)通奧灰水造成淹井事故，2010年礦井水文地質(zhì)類型劃分為極復(fù)雜。

新安礦開采范圍50．3 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150萬t/年，其40%井田面積位于小浪底水庫(kù)+275 m設(shè)計(jì)水位線之下，水體下煤炭?jī)?chǔ)量達(dá)1．2億t。小浪底水利樞紐工程于1997年10月截流，2001年底大壩主體工程全面完工，庫(kù)區(qū)蓄水通過巖層露頭、大斷層、封閉不良鉆孔等途徑與奧灰含水層形成連通關(guān)系。小浪底蓄水運(yùn)營(yíng)10年間，每年6—8月進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)，9月仍舊持續(xù)攔蓄洪峰，冬季高位蓄水應(yīng)對(duì)流域春旱，已經(jīng)形成季節(jié)性的蓄水活動(dòng)。

1 煤層底板

太原組地層主要巖性由薄層灰?guī)r、硅質(zhì)泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖及薄煤層組成。其中，灰?guī)r一般為3～4層，單層厚度0．2～7．50 m，灰?guī)r總厚7．04～16．35 m，一般為10 m左右，為煤層底板弱含水層，局部揭露少量滴淋水。二1煤底板至L7灰?guī)r頂部之間的砂質(zhì)泥巖和泥巖隔水層，在礦區(qū)范圍內(nèi)普遍發(fā)育，厚度較穩(wěn)定，厚度10 m左右，節(jié)理、裂隙多為閉合性或被充填物充填，透水性差，加之太原組灰?guī)r富水性弱，正常地段可阻止該層以下含水層地下水進(jìn)入礦井，但當(dāng)遇斷裂切穿隔水層而溝通含水層與煤層的水力聯(lián)系時(shí)，則灰?guī)r地下水就能直接進(jìn)入礦井。

本溪組鋁土質(zhì)泥巖隔水層厚3～25 m，一般9．08 m左右。該層礦區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育，層位穩(wěn)定，巖性致密，裂隙不發(fā)育，不透水，隔水條件良好，在正常條件下，可阻止奧陶系灰?guī)r水與太原組灰?guī)r水之間的水

力聯(lián)系。

煤層底板巖層概況見表1。

表1 煤層底板巖層概況表

奧灰距二1煤層底界43．77～74．50 m，一般為53．76 m，其中有2層主要隔水層阻止地下水進(jìn)入礦井，屬具有突水威脅的間接充水含水層。奧陶系灰?guī)r巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、硅質(zhì)白云巖及白云巖，地層總厚度500 m，地質(zhì)補(bǔ)勘14個(gè)孔揭露該含水層厚度64．84～119 m。巖溶發(fā)育程度由淺往深逐漸減弱，富水性不均一，單位涌水量q=0．000 61～4．03 L/S·m，滲透系數(shù)K=0．000 45～9．02 m/d。巖溶發(fā)育規(guī)律受巖性、構(gòu)造、埋深、水循環(huán)條件等因素的影響和控制，發(fā)育程度不同，含水層的富水性極不均一，總體評(píng)價(jià)該含水層富水性屬含水性較豐富的含水層，水化學(xué)類型呈HCO3-Ca-Mg型。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》突水系數(shù)計(jì)算公式：

式中：

P—底板隔水層承受的水壓，MPa；

M—底板隔水層厚度，m，取43．77～74．50，考慮采動(dòng)和構(gòu)造破壞因素，視為不完整塊段；

T—突水系數(shù)，MPa/m，小于0．06時(shí)，屬安全塊段。

2 水文監(jiān)測(cè)

在2012年開展的水文監(jiān)測(cè)過程中，對(duì)庫(kù)區(qū)水位每天記錄1次，利用KJ117礦井水情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水平運(yùn)輸平巷水文孔（孔口標(biāo)高+36．1 m）奧灰水壓每小時(shí)記錄1次，經(jīng)過臺(tái)賬合并整理、分析，制作了庫(kù)區(qū)蓄水與奧灰水文相關(guān)曲線圖，見圖1。

從圖1可以看出，2012年6—8月隨著小浪底水利樞紐工程調(diào)水調(diào)沙，新安礦奧灰水壓進(jìn)入低谷時(shí)段，底板突水系數(shù)相對(duì)降低，假定礦井最深-60 m標(biāo)高巷道隔水層最薄，其突水系數(shù)可降至0．068 MPa/m，采取注漿改造等有效防治措施后仍可帶壓開采。而本年度其他時(shí)段庫(kù)區(qū)高水位運(yùn)行，礦區(qū)奧灰水壓也相應(yīng)抬高，突水系數(shù)有所增大，對(duì)于運(yùn)輸平巷附近隔水層厚44 m的塊段，突水系數(shù)可增至0．05 MPa/m。規(guī)定中的臨界值并非絕對(duì)安全值，當(dāng)新增硐室、聯(lián)巷等工程時(shí)，亦可擾動(dòng)圍巖造成應(yīng)力失穩(wěn)、產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙，同樣形成突水危險(xiǎn)性。

圖1 2012年水位-水壓監(jiān)測(cè)曲線圖

3 關(guān)系分析

井上下的水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不僅在突水系數(shù)演變上反映相關(guān)關(guān)系，而且在曲線特征上可以深入挖掘煤層底板突水機(jī)理和誘因，指導(dǎo)礦井采取相應(yīng)的帶壓開采措施。

假定庫(kù)區(qū)-奧灰徑流帶為一個(gè)恒定總流模型，根據(jù)水力學(xué)總流能量方程式：

式中：

z—總流過水?dāng)嗝嫔夏滁c(diǎn)的位置水頭（標(biāo)高表示）；

p/ρg—過水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)平均動(dòng)水壓強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的壓力水頭；

αv2/2g—過水?dāng)嗝嫔系牧魉偎^。因此，水壓分站監(jiān)測(cè)到的是奧灰水側(cè)壓水頭，奧灰含水層存在流動(dòng)的條帶。

hw—徑流帶的水頭損失。有水頭損失，就會(huì)產(chǎn)生水力梯度。

根據(jù)達(dá)西定律：

模型的水力梯度I發(fā)生變化時(shí)，必然引起徑流帶流速的變化。基于以上認(rèn)識(shí)，可深入展開如下幾點(diǎn)：

3．1 曲線對(duì)比，既相關(guān)又不完全一致

總體波動(dòng)趨勢(shì)一致。調(diào)水調(diào)沙期間，奧灰水壓降幅小于庫(kù)區(qū)水位降幅；秋冬蓄水期間，奧灰水壓增幅也小于水位漲幅。說明底板突水系數(shù)會(huì)因庫(kù)區(qū)調(diào)蓄發(fā)生一定的演變，但不會(huì)像庫(kù)區(qū)水情一樣短期大幅波動(dòng)，從而對(duì)煤層底板的應(yīng)力擾動(dòng)表現(xiàn)為慢性影響，這往往造成煤礦管理人員主觀上的麻痹大意。

3．2 增減量對(duì)比

庫(kù)區(qū)調(diào)蓄過程中水位正常變化量約50 m，而奧灰壓力水頭變化量最大19 m，說明流速水頭有所增長(zhǎng)，庫(kù)區(qū)調(diào)蓄期間奧灰含水層徑流活動(dòng)較平時(shí)活躍?？卓跇?biāo)高+36．1 m，換算得出庫(kù)區(qū)開閘泄水期間，奧灰水頭高于庫(kù)區(qū)水位，說明此時(shí)期奧灰水從東部通道排泄入庫(kù)區(qū)。兩條曲線交叉波動(dòng)，說明徑流帶在夏秋時(shí)段存在拉鋸式的排泄、反補(bǔ)，來回沖刷侵蝕通道圍巖。經(jīng)水質(zhì)化驗(yàn)，奧灰水pH值6．5～8．5，可以推想，庫(kù)區(qū)蓄水十多年間，奧灰徑流帶較上世紀(jì)已更為發(fā)育，而隨著今后庫(kù)區(qū)幾十年的調(diào)蓄活動(dòng)，奧灰徑流通道極可能發(fā)展為大型溶洞或地下河。通道條件越發(fā)達(dá)，徑流速度越低，承壓含水層壓力水頭就會(huì)越大，因此，有必要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)奧灰水壓變化，分析預(yù)測(cè)徑流帶發(fā)育變化狀況。

3．3 滯后時(shí)段

由圖1可知，春季奧灰水壓峰值滯后于庫(kù)區(qū)水位約22天；夏季奧灰水壓谷值滯后于庫(kù)區(qū)水位約7天。雖然庫(kù)區(qū)1—5月奧灰水頭波幅僅7 m，或者7—8月奧灰水壓處于低谷。但是從圖1可以看出，此兩個(gè)時(shí)段適逢奧灰徑流活動(dòng)活躍期，前者庫(kù)區(qū)水反補(bǔ)奧灰含水層，后者為奧灰水排泄入庫(kù)區(qū)。因此，庫(kù)區(qū)高位蓄水期間出現(xiàn)峰值后3周內(nèi)，要統(tǒng)籌安排隱患排查治理、做好防范工作；水庫(kù)泄水至谷值后的7—8月份要重點(diǎn)巡查井下是否出現(xiàn)應(yīng)力失穩(wěn)、產(chǎn)生底鼓裂隙。

3．4 補(bǔ)給通道

庫(kù)水低谷期間仍舊保持一定的波動(dòng)相關(guān)性，說明補(bǔ)給通道遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于庫(kù)區(qū)死水位+210 m。比對(duì)礦井水文地質(zhì)平面圖，發(fā)現(xiàn)井田東部邊界F29斷層附近地表標(biāo)高+201 m，且該處存在3個(gè)封閉不良鉆孔，印證了以往礦井地質(zhì)資料關(guān)于導(dǎo)水通道的研究判斷。

4 帶壓開采對(duì)策延伸

1）擴(kuò)大監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。按照控制各采區(qū)、控制上下山的原則，在各采區(qū)上下山分別增設(shè)1處水壓監(jiān)測(cè)孔，實(shí)現(xiàn)水壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)落差控制在50 m。同時(shí)，為各水文孔安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)分站，通過礦井水情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集、儲(chǔ)存及處理數(shù)據(jù)，全時(shí)段分析奧灰含水層動(dòng)態(tài)變化。安排專職技術(shù)人員，長(zhǎng)期觀測(cè)記錄庫(kù)區(qū)每日水位，特殊時(shí)段加密測(cè)報(bào)。

2）高危期重點(diǎn)巡查。雨季汛期和庫(kù)區(qū)高位蓄水期，重點(diǎn)巡查井下巷道圍巖變化情況，觀測(cè)采掘工作面底鼓裂隙發(fā)育狀況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取探查治理措施。

3）加大物探力度。掘進(jìn)工作面超前探要嚴(yán)格按照不超過70 m有效探測(cè)距離進(jìn)行控制，回采前和回采過程中采用瞬變電磁、直流電法、坑道透視及震波透射等物探手段，探查底板是否存在富水異常區(qū)。

4）底板注漿與動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。重點(diǎn)對(duì)物探異常區(qū)進(jìn)行鉆探，查明富水區(qū)段的位置，匯總涌水量水壓等數(shù)據(jù)，初步評(píng)價(jià)突水危險(xiǎn)性；注漿加固或改造底板后再次復(fù)查。從工作面開掘到回采結(jié)束，要先后組織進(jìn)行底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、防治水方案評(píng)價(jià)、排水能力評(píng)價(jià)、水災(zāi)應(yīng)急管理評(píng)價(jià)、鉆探評(píng)價(jià)、注漿加固或改造效果評(píng)價(jià)、采中復(fù)查評(píng)價(jià)及采后水情評(píng)價(jià)工作，針對(duì)評(píng)價(jià)內(nèi)容進(jìn)行措施改進(jìn)、隱患整改和理論創(chuàng)新，最終形成水害治理閉環(huán)管理模式。

5）疏水降壓。在底板巖巷物探低阻區(qū)，有選擇性地施工疏水降壓孔，以不低于100 m3/h的流量持續(xù)疏水加以利用，從而形成奧灰承壓水的區(qū)域漏斗，降低局部工作面底板突水系數(shù)。

6）應(yīng)急控水。對(duì)于周邊不存在采空區(qū)的工作面，可以在巷道停采線附近的相對(duì)薄煤區(qū)段，施工應(yīng)急控水墻輪廓基礎(chǔ)，并預(yù)存砌料、泄水管、閘閥等，一旦工作面發(fā)生透水，可在短時(shí)間內(nèi)快速構(gòu)筑“工事”，在墻體和圍巖安全承壓的條件下，將泄水量控制在排

水能力之內(nèi)，有效防止災(zāi)情擴(kuò)散。

7）推行四級(jí)排水系統(tǒng)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。在不考慮探放老空水因素前提下，針對(duì)潛在的底板突水危險(xiǎn)性，推行四個(gè)層面的有效排水能力設(shè)防，即開掘頭面（非上坡）不低于200 m3/h、采煤工作面不低于300 m3/h、下山采區(qū)不低于1 000 m3/h、礦井主排水泵站不低于5 000 m3/h。在此設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)指引下，由礦機(jī)電部門研究制定四級(jí)排水系統(tǒng)的水泵、管路和供電設(shè)備等的詳細(xì)配置管理方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

在當(dāng)前煤礦防治水的緊迫形勢(shì)下，新安煤礦地質(zhì)勘探程度仍舊相對(duì)較低，為確保礦井中長(zhǎng)期穩(wěn)定的生產(chǎn)接續(xù)，需要通過大量的補(bǔ)勘工程、技術(shù)革新、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、人才培養(yǎng)等工作，掌握奧灰水徑流條帶的發(fā)育分布詳情，進(jìn)而全面分析庫(kù)區(qū)蓄水對(duì)底板突水危險(xiǎn)性的影響，及時(shí)采取有效的防范措施。

［1］李義昌，鄭倫素．水文地質(zhì)及工程地質(zhì)學(xué)［M］．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1988：54-66．

［2］吳持恭．水力學(xué)（上）［M］．北京：高等教育出版社，2003：71-82．

［3］賀治強(qiáng)，李書文，郭好杰，等．季節(jié)性降水和蓄水對(duì)礦井涌水量的影響［J］．中州煤炭，2011（3）：18-35．

Study on Mining with Pressure under Reservoir Based on Ordovician Limestone Water Inrush Coefficient Evolution

Guo Hao-jie，Guo Zhen-qiao，Le Yong，Qi Wen-yu

The coalmine hydrogeology conditions becomes complicated because the ordovician limestone confined aquifer below the coalseam floor gets recharged by Xiaolangdi reservoir area after its sluice，which leads to water burst coefficient of coalseam floor changing．The article introduces the stratum conditions of the coal seam floor，elaborates the water rich feature of the Ordovician limestone，counts and draws the relative curve between the reservoir water level and the pressure of the hydrological hole，analyses inner relations between the hydrogeology factors reflected by the peak and valley of the curve and the safety production，proposes effective countermeasures such as expanding monitor，key point inspect，exploration detecting，drilling grouting，dynamic evaluating and emergency prevention which aiming at mining with pressure，ensures the safety and middle-long term steady succeed for the coal mine．

Water storage in high level；Mining under safe waterpressure of aquifer；Water burst coefficient evolution

［TD741］

B

1672-0652（2013）05-0053-04

2013-02-19

郭好杰（1973—），男，河南洛陽(yáng)人，1995年畢業(yè)于鄭州煤田地質(zhì)學(xué)院，工程師，主要從事煤田地質(zhì)工作（E-mail）271138268＠qq．com