汾源礦5#煤底板奧灰原始導(dǎo)高測試與研究

武俊峰 ，申見紅 ，劉彥俊

(1.霍州煤電集團(tuán) 技術(shù)研究院, 山西 霍州 031400; 2.霍州煤電集團(tuán) 地質(zhì)測量部, 山西 霍州 031400)

隨著大中型礦井產(chǎn)量不斷提升，目前多數(shù)煤礦即將或已經(jīng)進(jìn)入下組煤開采階段。煤層底板至奧灰頂面的隔水性能已經(jīng)成為制約煤礦安全生產(chǎn)的主要因素。汾源礦基建階段施工的水文孔顯示煤層存在底板破碎現(xiàn)象。距汾源礦5 km的冀中能源集團(tuán)大遠(yuǎn)礦開采上組2#煤時(shí)，曾發(fā)生過2次突水量大于300 m3/h的奧灰突水事故。類比鄰近礦井結(jié)合自身水文地質(zhì)條件，汾源礦開采下組5#煤層有一定的突水危險(xiǎn)。5-101首采工作面掘進(jìn)完成后，在臨近切巷回采側(cè)200 m范圍內(nèi)進(jìn)行了底板隔水層注漿加固與含水層改造，通過施工注漿鉆孔進(jìn)一步查明了底板破碎情況，為5#煤底板奧灰原始導(dǎo)高研究提供了基礎(chǔ)資料。

1 礦井概況

汾源礦位于寧武煤田中南部，礦井主采5#煤層，目前處于基建階段。5#煤底板奧灰含水層缺失峰峰組，本溪組與上馬家溝組不整合接觸。5#煤5-101首采工作面已經(jīng)形成，正在對工作面底板進(jìn)行隔水層注漿加固與含水層改造。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料顯示，5#煤層底板至奧灰頂面隔水層厚度變化范圍為18～83.06 m，平均54.45 m，奧灰水位+1 476 m(井下SW3孔測試)，首采面回采范圍底板標(biāo)高為+1 220～+1 299 m，推算底板隔水層承受的最大水壓為2.45～3.23 MPa，突水系數(shù)為0.034～0.044 MPa/m。

5-101工作面的主要隔水層組為5#煤層至上馬家溝組頂面間的巖層，巖性以泥質(zhì)巖類為主，其中下部的鋁土泥巖及泥巖普遍賦存，連續(xù)性好，巖性簡易柱狀圖見圖1。據(jù)2012年施工的3個(gè)水文孔顯示，5#煤底板存在破碎現(xiàn)象，底板破碎層位示意圖見圖2。

2 奧灰上馬家溝組承壓水導(dǎo)升帶探查

鑒于汾源礦底板存在破碎帶，開采5#煤層有一定的突水危險(xiǎn)。5-101首采工作面前期3個(gè)鉆場共計(jì)施工注漿孔49個(gè)。統(tǒng)計(jì)鉆孔資料發(fā)現(xiàn)，部分鉆孔在進(jìn)入奧灰前出現(xiàn)涌水，且隨著鉆進(jìn)水壓逐漸增大，最后穩(wěn)定為奧灰水壓。統(tǒng)計(jì)鉆孔數(shù)據(jù)見表1。

表1中數(shù)據(jù)反映出汾源礦奧灰上馬家溝組存在承壓水導(dǎo)升帶。承壓水導(dǎo)升帶定義為承壓水可沿含水層頂面以上隔水巖層中的裂隙導(dǎo)升，導(dǎo)升承壓水的充水裂隙分布范圍稱為承壓水導(dǎo)升帶。其上部邊界至含水層頂面的最大法線距離稱為含水層的原始導(dǎo)升高度。承壓水導(dǎo)升帶在垂向上可再劃分為阻水能力相差懸殊的導(dǎo)水帶和顯水帶。承壓水導(dǎo)升帶空間分布示意圖見圖3。

圖1 巖性簡易柱狀圖

圖2 底板破碎層位示意圖

表1部分注漿鉆孔出水情況統(tǒng)計(jì)表

備注：負(fù)數(shù)為進(jìn)入奧灰后法線深度距離

從表1可以看出, 鉆孔在距奧灰頂面法線深度6.47～27.4 m，出現(xiàn)了涌水，且隨鉆孔不斷深入，水壓逐漸增大，最后終孔奧灰水壓達(dá)到2.5～3 MPa，說明首采面底板存在承壓水導(dǎo)升帶。

1鉆場17#孔，3鉆場3#、12#孔分別在進(jìn)奧灰前法線深度2 m、6 m、4 m時(shí)，水壓穩(wěn)定為奧灰水壓，此段為原始導(dǎo)高的正向?qū)畮В趯?dǎo)水性上可構(gòu)成上馬家溝組含水層的一部分，見圖3中所示的正導(dǎo)高。

圖3 承壓水導(dǎo)升帶空間分布示意圖

1鉆場13#孔、2鉆場1#孔、3鉆場5#孔分別在進(jìn)入奧灰后法線深度2 m、23.5 m、18.5 m時(shí)，水壓穩(wěn)定為奧灰水壓，此段為原始導(dǎo)高的負(fù)向?qū)畮?，可與本溪組泥-灰?guī)r共同構(gòu)成隔水層的一部分，對底板帶壓開采具有積極的作用見圖3。

在距奧灰頂板法線深度6.47～27.4 m已經(jīng)進(jìn)入顯水帶范圍。依據(jù)顯水帶帶壓系數(shù)計(jì)算公式，可大致推出顯水帶上界，計(jì)算公式如下：

式中：

Pwi—第i次測定的水壓值, MPa；

Pw(i+1)—第i+1次測得的水壓值,MPa；

hi—第i次測定的垂直奧灰法線鉆孔深度,m；

h(i+1)—第i+1次測定的垂直奧灰法線鉆孔深度,m。

當(dāng)水壓值為零時(shí)的垂直奧灰法線深度即為顯水帶的上界高度。據(jù)此分別計(jì)算顯水帶上界距奧灰頂面和5#煤底板至顯水帶上界的法線深度見表2。

從表2可以看出，顯水帶上界距奧灰法線深度為9.1～49.25 m，奧灰含水層原始導(dǎo)高可達(dá)9.1～49.25 m。由于原始導(dǎo)高的存在，使有效隔水層厚度減小，5#煤帶壓開采有一定的突水危險(xiǎn)。

表2 顯水帶上界計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

備注：負(fù)數(shù)為進(jìn)入奧灰后法線深度距離

3 奧灰原始導(dǎo)高對5#煤層開采的影響

從表2數(shù)據(jù)可知, 5#煤首采工作面承壓水導(dǎo)升帶為9.1～49.25 m，5#煤底板至顯水帶上界法線深度為25.4～56.13 m。顯水帶往上為保護(hù)帶及底板破壞帶。

底板破壞帶計(jì)算參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》。按照統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算有如下兩種：

1) 考慮底板破壞深度與關(guān)系最密切的工作面斜長、開采深度、開采厚度、傾角4個(gè)因素的數(shù)據(jù)，計(jì)算公式如下：

h1=0.008 5H+0.166 5a+0.107 9L-4.357 9

(1)

式中：

h1—底板導(dǎo)水破壞深度, m；

L—開采工作面斜長,m，取首采面斜長110；

H—開采深度,m,取首采面埋深310；

a—開采煤層傾角,(°)，取35;

計(jì)算得:h1=15.97 m。

2) 只考慮工作面斜長計(jì)算公式:

h1=0.700 7+0.107 9L

(2)

或h1=0.303L0.8

(3)

計(jì)算得:h1=12.57 m或h1=13.02 m。

公式(1)選取的參數(shù)較全面且考慮足夠的安全系數(shù)，底板破壞帶深度按16 m計(jì)算。5#煤底板至奧灰頂面距離為18～83.06 m，平均54.45 m，減去底板破壞帶深度16 m，得平均厚度為38.45 m，而奧灰原始導(dǎo)高為9.1～49.25 m。由此可知，部分區(qū)域奧灰原始導(dǎo)高可發(fā)育至底板破壞帶以上。如果回采時(shí)奧灰原始導(dǎo)高發(fā)育至底板破壞帶以上，則會發(fā)生奧灰突水。

首采面在巷道掘進(jìn)階段亦揭露部分?jǐn)鄬?，受斷層的影響承壓水?dǎo)升帶可能進(jìn)一步向上延伸，也進(jìn)一步增加了底板突水的危險(xiǎn)性。

4 結(jié) 論

1) 汾源礦奧灰上馬家溝組含水層存在2～6 m的正導(dǎo)高和2～23.5 m的負(fù)導(dǎo)高，負(fù)導(dǎo)高的存在對帶壓開采有積極的作用。

2) 汾源礦奧灰上馬家溝組含水層頂面存在9.1～49.25 m的原始導(dǎo)高。

3) 5-101首采面部分區(qū)域奧灰原始導(dǎo)高可發(fā)育至底板破壞帶以上，存在一定的奧灰突水危險(xiǎn)，對首采面進(jìn)行底板隔水層注漿加固及含水層改造可起到防治水的作用。

4) 對發(fā)育有奧灰原始導(dǎo)高的礦井防治水工作有一定的指導(dǎo)意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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