長平煤礦底板奧灰水突水危險性量化評價

何寶林,高盛翔，李 帥

（徐州中國礦大巖土工程新技術(shù)發(fā)展有限公司，江蘇徐州221008）

長平煤礦底板奧灰水突水危險性量化評價

何寶林*,高盛翔，李 帥

（徐州中國礦大巖土工程新技術(shù)發(fā)展有限公司，江蘇徐州221008）

煤礦底板突水是礦井生產(chǎn)中的不安全因素之一，在突水危險評價中，關(guān)鍵是如何合理地選擇底板突水影響因素，合理地采集評價數(shù)據(jù)，合理地采取量化分析方法，通過對長平礦井已有的勘探資料整理分析，分析了8號煤層底板奧灰水突水的5個影響因素，選取了2個主要的影響因素，在綜合分析的基礎(chǔ)上，將量化后的結(jié)果以圖形的形式顯示，建立各主要影響因素專題圖，合理地提出了帶壓開采的防治水思路。

灰?guī)r承壓水；帶壓開采；突水影響因素；突水系數(shù)

煤礦帶壓開采存在一定的安全隱患，當(dāng)承壓含水層與開采煤層能夠承受的水頭值大于實(shí)際水頭值時，開采后，隔水層不容易被破壞，煤層底板水突然涌出的可能性小，可以進(jìn)行帶壓開采[2]。長平礦開采8號煤層時，底板奧灰水作為突水水源，為主要的突水的威脅對象，具有富水性的橫向和縱向上的不均一性，水壓局部高達(dá)4.0MPa，顯然，礦井采掘生產(chǎn)中將受到奧灰水的威脅。因此對突水水源分析、突水通道的判別、突水量的動態(tài)預(yù)測是做好帶壓開采防治水方案的關(guān)鍵點(diǎn)，本文從奧灰水突水影響因素的數(shù)據(jù)采集、分析量化幾個方面來分析研究帶壓開采的危險性大小綜合分區(qū)，為避免防治水工作的盲目性，減少不必要的浪費(fèi)。

1 突水影響因素

1.1 奧灰水水壓、富水性及巖溶發(fā)育程度

位于底板下部的承壓含水層，其水壓力大小及巖溶發(fā)育程度取決于底板是否發(fā)生突水，而其富水性決定突水后水害的規(guī)模及對礦井的威脅程度大小[1]，目前礦區(qū)范圍內(nèi)及周邊的奧灰水水位長觀孔共有12個，其中長平1、2號水源井、釜山1、2號水源井、海則2、泮溝3、安家1共7個長觀孔位于礦區(qū)范圍以內(nèi)，W2、W4、W5、W6、W7共5個長觀孔位于礦區(qū)范圍外北側(cè)區(qū)域，通過近期對水位的監(jiān)測，對比礦方提供的原有水位和奧灰水等水位線圖可知，奧灰水水位變化較大，水流方向發(fā)生了一定的偏轉(zhuǎn)，現(xiàn)奧灰水水位標(biāo)高在620.0～661.27m。

礦區(qū)內(nèi)奧灰水富水性在縱向和橫向是表現(xiàn)為不均一性，富水性強(qiáng)度為弱—中等，局部為強(qiáng)富水性。資料分析認(rèn)為，其底板奧陶系灰?guī)r為厚層狀的石灰?guī)r、白云質(zhì)石灰?guī)r、角礫狀石灰?guī)r及泥質(zhì)白云巖組成，隱晶至細(xì)晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，摩氏硬度在3～4。由于斷裂構(gòu)造欠發(fā)育，埋藏深度較大，地表水體與大氣降水影響微弱，對巖溶裂隙的形成與擴(kuò)展起到了一定的抑制用用，因此，礦區(qū)總體巖溶發(fā)育程度為弱發(fā)育。

1.2 煤層底板隔水層厚度及巖層巖性組合特征

隔水層厚度、巖性及其組合對底板突水有制約作用。根據(jù)長平礦已有的勘探資料，插值生成3號煤保護(hù)層與底板各含水層間隔水層厚度等值線，如圖1所示。

圖1 煤層底板—奧灰隔水層厚度等值線圖

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造尤其是斷層是造成煤層底板突水的主要原因之一，礦區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)斷層53條，落差10m以上斷層11條，斷層不發(fā)育。相鄰礦井曾發(fā)生過陷落柱突水的水害，礦區(qū)范圍共發(fā)育巖溶陷落柱119個，多為地震揭露陷落柱。礦區(qū)陷落柱密度為2.4個/km2。陷落柱范圍最大者長軸達(dá)400m，短軸近140m，最小者直徑僅20m左右。礦區(qū)范圍陷落柱比較發(fā)育。大量資料表明，80%的突水均是發(fā)生在斷裂構(gòu)造地帶。

1.4 工作面開采空間及開采方法

采礦活動對突水起到了觸發(fā)的作用，是底板突水的誘導(dǎo)因素，是造成突水的力源之一，它對底板的破壞主要有離層導(dǎo)致層間破壞，采空區(qū)周邊反向力導(dǎo)致剪切破壞，水平拉力導(dǎo)致垂向破壞等。工作面開采空間越大，造成的破壞越大，可能的突水性越大，開采方式影響突水的因素，房柱式開采或條帶式開采造成突水的可能性下降，其它方式如全部跨落法形成的礦壓相對較大，開采造成突水的可能性較大，綜合機(jī)械化采煤要比炮采工藝形成的礦壓相對穩(wěn)定。本礦區(qū)采用的開采方式為直接放頂式開采，工作面開采空間大，對突水防治不利。

1.5 地應(yīng)力

斷裂破碎帶容易突水的原因是巖體破碎且地應(yīng)力值降低以及帶中充填物易受承壓水的掏空和侵蝕造成的。巖石的組成成分及膠結(jié)物與其破裂壓力密切相關(guān)。壓力水對巖石不僅具有力學(xué)作用,而且具有軟化溶蝕作[1]。

2 煤層底板承壓水突水危險性量化評價

2.1 評價方法

對煤層底板承壓水突水危險性量化評價方法，目前主要有脆弱指數(shù)法、五圖—雙系數(shù)法、突水系數(shù)法等量化評價方法，或同時采用2種或以上進(jìn)行分析對比評價，最后進(jìn)行綜合分區(qū)評價，《煤礦防治水規(guī)定》中第七十七條中明確了突水系數(shù)法的計算方法，這是基本的量化評價方法，同時第七十九條明確，有條件的礦井可以采用脆弱指數(shù)法、五圖—雙系數(shù)法等方法，對底板突水危險性進(jìn)行綜合分區(qū)評價。本文采用突水系數(shù)法對底板奧灰水進(jìn)行量化評價。

2.2 煤層底板承壓水突水危險性量化評價

煤層底板突水危險性的研究需要先圈定煤層帶壓開采的范圍。若煤層不帶壓開采，即使是含水層富水性極強(qiáng)，理論上煤層在開采過程中也不會發(fā)生底板突水。但是對于突水系數(shù)小于臨界值的區(qū)域，若存在構(gòu)造，特別是對應(yīng)含水層富水性比較好的區(qū)域仍有突水的可能。

在帶壓條件下，利用突水系數(shù)法分析隔水層所承受的水壓和隔水層厚度2個主要影響因素，對長平煤礦8號煤底板奧灰突水危險性進(jìn)行了評價分析。

2.3 煤層帶壓開采區(qū)與非帶壓開采區(qū)的確定與分析

通過煤層底板標(biāo)高與奧灰水位標(biāo)高對比來確定。

通過比對奧灰水水壓等值線與8號煤層底板等高線可知，礦區(qū)范圍內(nèi)8煤底板標(biāo)高在260～650m之間，東部淺西部深；奧灰水水位標(biāo)高在625～655m之間，水位東部高西部淺，礦區(qū)范圍僅東北側(cè)部分區(qū)域8號煤底板等高線低于奧灰水水位線，即非帶壓區(qū)，其余區(qū)域均為奧灰水帶壓開采區(qū)。8號煤底板奧灰水帶壓開采分區(qū)如圖2所示。

圖2 8號煤層奧灰水帶壓開采分區(qū)

如圖2可知，礦區(qū)范圍西側(cè)大部分區(qū)域處于奧灰水帶壓開采區(qū)，對于帶壓開采區(qū)，8號煤層開采存在突水的可能性。

2.4 煤層底板突水的評價與分析

突水系數(shù)法其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：T——突水系數(shù)，MPa/m；

P——底板隔水層承受的水壓，MPa；

M——底板隔水層厚度，m。

根據(jù)經(jīng)往的研究成果，對突水系數(shù)進(jìn)行了修正，提出了以下突水系數(shù)公式：

式中：Ts——突水系數(shù)，MPa/m；

P——含水層承壓水作用在開采煤層底板隔水層上的水壓，MPa；

M——隔水層厚度，m；

Ci——采動破壞深度，m；

d——含水層承壓水原始導(dǎo)升高度，m。

根據(jù)公式（2）可知，采動破壞深度與含水層承壓水原始導(dǎo)升高度為隔水層內(nèi)的導(dǎo)水段，不應(yīng)計入隔水層厚度內(nèi)，因此將Ci與d從隔水層厚度內(nèi)減去。

對選定的各鉆孔點(diǎn)8號煤層層底板至奧灰頂界面直接隔水層厚度，以及隔水層底板承受的奧灰水壓進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出各鉆孔點(diǎn)突水系數(shù)值。本文統(tǒng)計了33個點(diǎn)，并對突水系數(shù)進(jìn)行了計算，繪制了突水系數(shù)分區(qū)圖。

煤層底板突水的安全區(qū)的條件為：底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)值不大于0.06MPa/m，正常塊段不大于0.1MPa/m。根據(jù)長平煤礦的勘探資料可知，長平礦區(qū)地層總體走向北北東至近東西向，傾向北西西，傾角5°～12°。小型褶皺較發(fā)育，斷裂構(gòu)造相對簡單，主體走向主要為北東至近東西向，從褶皺與斷裂構(gòu)造的組合關(guān)系分析，斷裂構(gòu)造結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)以壓性或壓扭性為主。依據(jù)物探測試，斷裂構(gòu)造與陷落柱，除柳村斷層西端有富水異?，F(xiàn)象外，其它斷層與陷落柱均未發(fā)現(xiàn)有富水現(xiàn)象存在，盡管在揭露陷落柱時有少量水涌出，但依據(jù)各因素綜合分析，斷層與陷落柱構(gòu)不成對礦井充水的主要通道。

將長平礦區(qū)8號煤層開采時奧灰臨界突水系數(shù)定為0.10MPa/m，即可以認(rèn)為煤層底板隔水層完整，奧灰突水系數(shù)在0.10MPa/m以下的區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)，正常情況下實(shí)施帶壓開采不會導(dǎo)致突水，突水系數(shù)大于0.10MPa/m的區(qū)域?yàn)槲ｋU區(qū)，帶壓開采有可能發(fā)生突水。8煤層開采時奧灰含水層突水系數(shù)分區(qū)如圖3所示。

圖3 8號煤層底板奧陶系灰?guī)r水突水系數(shù)分區(qū)圖

2.5 號煤保護(hù)層帶壓開采綜合評價

長平礦區(qū)奧灰水位僅在礦區(qū)東北側(cè)高于3號煤保護(hù)層底板標(biāo)高，使其處于非帶壓開采區(qū)，其余區(qū)域均為帶壓開采區(qū)。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）長平礦區(qū)奧灰水位僅在礦區(qū)東北側(cè)高于3號煤保護(hù)層底板標(biāo)高，使其處于非帶壓開采區(qū)，其余區(qū)域均為帶壓開采區(qū)。

（2）依據(jù)隔水層厚度、巖性組合特征和水壓值，計算了回采工作面底板突水系數(shù)，將8號煤層開采奧灰臨界突水系數(shù)定為0.10MPa/m，突水系數(shù)大于0.10MPa/m的區(qū)域?yàn)槲ｋU區(qū)，帶壓開采有可能發(fā)生突水危險性大；突水系數(shù)大于0.06MPa/m且小于0.10MPa/m的區(qū)域?yàn)槲ｋU性中等區(qū)，帶壓開采有可能發(fā)生突水危險性中等；突水系數(shù)小于0.06MPa/m的區(qū)域?yàn)槲ｋU性小區(qū)，帶壓開采有可能發(fā)生突水危險性小。

（3）8號煤層開采時的防治水思路是：實(shí)施帶壓開采，奧灰水防治采取疏降、注漿加固或保留防水煤柱相結(jié)合的方法。

3.2 建議

（1）峰峰組、馬家溝組地層含水性不均一，單位涌水量為0.0007～1.3917L/（s·m），滲透系數(shù)為0.0103～0.2816m/d，建議對該層作壓水試驗(yàn)的滲透率，按《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》中“一般將鉆孔單位涌水量小于0.001L/（s·m）巖層視為隔水層”的標(biāo)準(zhǔn)，對含水層的含水性做進(jìn)一步細(xì)化，特別對峰峰組地層劃分出弱富水層、相對隔水層和隔水層，這樣，在突水系數(shù)計算時能更進(jìn)一步的細(xì)化；

（2）灰?guī)r地下水富水性由于橫向上存在顯著的不均衡性，即便預(yù)測的非突水危險區(qū)，在帶壓采掘生產(chǎn)時，亦應(yīng)加強(qiáng)對煤層底板灰?guī)r巖溶裂隙承壓水的防治。

[1] 李家祥，李大普，等.原始地應(yīng)力與煤層底板突水的關(guān)系[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1999，18（4）：419-423.

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[3] 武強(qiáng)，張志龍，馬積福.煤層底板突水評價的新型實(shí)用方法1——主控體系的建設(shè)[J].煤炭學(xué)報，2007，32（1）：45-46.

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TD74

A

1004-5716（2015）09-0133-03

2014-09-05

2014-09-09

何寶林（1968-），男（漢族），陜西寶雞人，高級工程師，現(xiàn)從事水文地質(zhì)及地質(zhì)災(zāi)害防治等方面工作。