古交礦區(qū)下組煤奧灰突水涌水量預(yù)測(cè)與分析

張旭慶

(西山煤電集團(tuán)公司 機(jī)關(guān)黨委，山西　太原　030053)

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·問題探討·

古交礦區(qū)下組煤奧灰突水涌水量預(yù)測(cè)與分析

張旭慶

(西山煤電集團(tuán)公司 機(jī)關(guān)黨委，山西太原030053)

通過對(duì)西山煤田古交礦區(qū)下組煤奧灰O2f與O2s富水性分析，結(jié)合礦區(qū)不同含水層充水通道與突水形式分析，認(rèn)為在古交礦區(qū)奧灰O2f2和O2s2+3含水層段富水強(qiáng)度不同，且與下組煤距離不同，對(duì)下組煤帶壓開采所起的充水作用也不同，其中O2f2可能形成下組煤底鼓突水，O2s2+3形成底鼓突水可能性小，主要是集中通道導(dǎo)水。古交礦區(qū)開采8號(hào)煤O2f預(yù)測(cè)最大突水量為234 m3/h，O2s含水層則需重視斷層、巖溶陷落柱導(dǎo)水性的探查，同時(shí)對(duì)可能導(dǎo)水的鉆孔加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

古交礦區(qū)；奧灰突水；涌水量；預(yù)測(cè)

1　下組煤底板充水條件

1.1奧灰富水性分析

在西山煤田古交礦區(qū)，奧灰是一個(gè)由多層含水層(段)或隔水層(段)組成的含水巖組。由于客觀上奧灰上部存在兩個(gè)含水層段(O2f2和O2s2+3)和一個(gè)隔水層段(O2f1)，各含水層段富水強(qiáng)度不同，且與下組煤距離不同，對(duì)下組煤帶壓開采所起的充水作用也不同。根據(jù)礦區(qū)勘探成果，O2f是距下組煤最近的含水層，其富水層位為上部的O2f2，該層段在本區(qū)各礦的平均厚度為43.91(東曲礦)～70 m(馬蘭礦)，與8號(hào)煤之間的隔水層厚39.93～112.87 m，是該礦區(qū)唯一可形成下組煤底板底鼓突水的奧灰含水層。

含水層的富水性強(qiáng)弱通常是用S=10 m、r=0.045 5 m的抽水鉆孔單位涌水量表示的。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》換算后，古交礦區(qū)O2f單位涌水量q為0.001～1.437 3 L/s·m，其中大多數(shù)勘探孔中O2f單位涌水量小于0.1 L/ s·m，甚至小于0.01 L/ s·m，其余大于1.0 L/s·m的孔均不在下組煤開采范圍內(nèi)。O2s與8號(hào)煤間距平均約187 m，由于其含水層為上部的O2s2+3，與下組之間除太原組下段和本溪組外，同時(shí)存在O2f2和O2f1.所以，正常情況下，O2s要在下組形成突水，必須突破煤層底板O2f1、O2f2、C2b和C3t下段等近200 m巖層，從理論上計(jì)算是不可能的，只能通過O2f1補(bǔ)給O2f2而對(duì)下組煤充水。本區(qū)O2s的鉆孔單位涌水量q介于0.000 5～1.807 2 L/s·m，多數(shù)鉆孔的q為0.1～1.0 L/s·m，其中有4個(gè)鉆孔q=1.0～2.0 L/s·m，這些鉆孔在下組煤開采范圍以內(nèi)，所以，從O2s的富水性來看，其含水層雖不能直接形成下組煤底鼓突水，但其一旦補(bǔ)給O2f2而發(fā)生突水，其危害性遠(yuǎn)高于O2f含水層。

1.2充水通道分析

對(duì)于底鼓裂隙突水，主要考慮O2f.但對(duì)于O2f來說，古交礦區(qū)存在這樣的情況：當(dāng)開采水平較高時(shí)，O2f的富水性較強(qiáng)，而底板承受的水壓相對(duì)較??；而當(dāng)開采水平較深時(shí)，O2f的富水性相對(duì)較弱，但這時(shí)底板突水的水壓則相對(duì)較高。在分析含水層底板突水時(shí)要同時(shí)考慮其水壓和富水性兩個(gè)因素及含水層距開采煤層的遠(yuǎn)近。對(duì)于O2s含水層，突水通道的形成與底板含水層作用在底板的水壓大小和含水層與煤層的間距之間的平衡關(guān)系沒有太多的直接關(guān)系，即與底鼓裂隙通道無關(guān)，主要是集中導(dǎo)水通道引發(fā)的奧灰突水。其突水點(diǎn)與奧灰的距離或大或小，沒有規(guī)律。由于集中導(dǎo)水通道突(導(dǎo))水，不論開采煤層距奧灰多遠(yuǎn)，奧灰水都會(huì)順通道進(jìn)入工作面。奧灰引發(fā)重大水害多數(shù)是沿集中導(dǎo)水通道(導(dǎo)水陷落柱、導(dǎo)水?dāng)鄬雍蛯?dǎo)水鉆孔)突入礦井的。因此，對(duì)于O2s含水層突水的評(píng)價(jià)和預(yù)報(bào)不能采用含水層底鼓突水的評(píng)價(jià)方法。由于古交礦區(qū)O2s的富水性比O2f強(qiáng)，而富水性強(qiáng)弱又是決定礦井充水程度及礦井涌水量(或突水量)的主要因素，O2s雖距下組煤較遠(yuǎn)，但其一旦補(bǔ)給O2f突入礦井，其對(duì)生產(chǎn)的影響和對(duì)安全的威脅又是甚于O2f的。

2　下組煤奧灰突水涌水量預(yù)測(cè)

2.1O2f含水層底板突水涌水量預(yù)測(cè)

古交礦區(qū)開采8號(hào)煤受O2f影響大部分屬于基本安全區(qū)(T≤0.06 MPa/m)和輕度危險(xiǎn)區(qū)(T=0.06～1.0 MPa/m)，極少數(shù)地段屬T>0.1 MPa/m的危險(xiǎn)區(qū)。這是由古交礦區(qū)下組煤的水文地質(zhì)條件決定的。O2f水壓在小于5 MPa的情況下突破54.11～101.9 m是很難的，并且，本區(qū)下組煤帶壓開采中淺部O2f富水性相對(duì)較強(qiáng)的地區(qū)，8號(hào)煤承受的水壓??；深部(如馬蘭礦向斜軸部和礦區(qū)南部)8號(hào)煤承受O2f水壓大，而O2f的富水性又相對(duì)較弱。可以說，突水與否取決于承壓含水層的水壓大小和隔水層厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而突水量的大小則主要取決于含水層的富水性強(qiáng)弱。通常直接充水含水層底鼓突水的機(jī)率在水壓大處比水壓小處要大，即深部比淺部容易發(fā)生底鼓突水。由于古交礦區(qū)8號(hào)煤與奧灰(即O2f)間的巖層以砂、泥巖為主，特別是本溪組中的鐵鋁質(zhì)泥巖具有較好的隔水性能。所以，O2f水通過C2b+C3t底部發(fā)生滲流型的越流可能性也不大，最大的可能是通過底鼓裂隙發(fā)生突然性涌水。

由于底板突水都是底板下承壓含水層通過突水口瞬時(shí)彈性釋放的，無法判斷突水口大小和含水層彈性能量的積聚方式，所以有效地實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)最大突水量難度極大，以往突水事故中，只能根據(jù)淹井過程中淹沒巷道的體積和淹沒時(shí)間來進(jìn)行推算。

在已有的突水案例中，突水口面積最大為1 m2.因此，可假定古交礦區(qū)奧灰突水口最大面積也是1 m2，穩(wěn)定突水量計(jì)算可以借鑒現(xiàn)有的地下水動(dòng)力學(xué)公式。設(shè)想8號(hào)煤發(fā)生底鼓突水猶如剛揭穿煤層底板的一口井，該井為底板進(jìn)水的不完整井，可應(yīng)用相應(yīng)的公式進(jìn)行預(yù)測(cè)：

Q=2πrKs

式中：

Q—穩(wěn)定突水量，m3/d；

r—突水口半徑，假設(shè)突水口最大面積為1 m2，則

K—含水層滲透系數(shù)，m/d；

s—按計(jì)算區(qū)(點(diǎn))O2f由靜止水位下降至開采水平計(jì)，m.

根據(jù)我國部分突水案例的統(tǒng)計(jì)，瞬時(shí)最大突水量約為穩(wěn)定突水量的8～15倍，求出穩(wěn)定突水量后，乘以15即為瞬時(shí)最大涌水量。以馬蘭礦奧灰突水系數(shù)最大的GS-8-1孔和GS-8-2孔為準(zhǔn)，因?yàn)?，該兩孔?jì)算的突水系數(shù)分別為0.076 MPa/m和0.089 MPa/m，假設(shè)該兩處在8號(hào)煤開采時(shí)發(fā)生突水面積為1 m2的突水，根據(jù)有關(guān)參數(shù)估算穩(wěn)定突水量和最大突水量如下：

已知GS-8-1，O2f滲透系數(shù)K=0.001 03 m/d；GS-8-2，O2f滲透系數(shù)K=0.002 03 m/d；GS-8-1孔處突水時(shí)S=1 066.03-570.17=512.08 m，GS-8-2處 S=1 149.47-430.47=719 m.代入Q=2πrKs計(jì)算得：

GS-8-1孔處穩(wěn)定突水量Q=1.809 m3/d

最大突水量Qmax=1.809×15=27.135m3/d

GS-8-2孔處穩(wěn)定突水量Q=0.076 m3/d

該水量不足以引起礦井水害，按區(qū)內(nèi)在450 m以下的O2f層段，如GS-4孔O2f埋深665～745.12 m，K=0.085 m/d；413孔O2f埋深491.51～509.00 m，K=0.024 m/d；GS-6孔O2f埋深452.8～591.00 m，K=0.213 m/d仍按Gs-8孔的條件估算，則GS-4孔附近：

Q=2π×0.564×0.085×495.06=

149.29m3/d=6.22m3/h

Qmax=149.29×15=2 239.35m3/d=93.31m3/h

413孔附近：

Q=2π×0.564×0.024×495.86=

42.15m3/d=1.76m3/h

Qmax=42.15×15=632.25m3/d=26.34m3/h

GS-6孔附近：

Q=2π×0.564×0.213×495.86=

374.09m3/d=15.59m3/h

Qmax=374.09×15=5 611.35m3/d=233.81m3/h

最大突水量為234 m3/h，不至引發(fā)重大水害。

2.2O2s含水層底板突水分析

如前所述，O2s水壓不是作用在C2b的底板而是作用在O2f1的底板，而峰峰組、本溪組、太原組底部的厚度達(dá)200 m，突水系數(shù)T遠(yuǎn)小于0.06 MPa/m，在沒有集中導(dǎo)水通道的情況下，不會(huì)發(fā)生底鼓突水。在古交礦區(qū)，O2s含水層要形成突水，必須通過O2f2，或與O2f2產(chǎn)生水力聯(lián)系，或穿越O2f1+O2f2+C2b+C2t而直接達(dá)到煤層。這種水力聯(lián)系通道(或集中導(dǎo)水通道)主要有導(dǎo)水?dāng)鄬?、?dǎo)水巖溶陷落柱和導(dǎo)水鉆孔。

底板突水的第一個(gè)集中導(dǎo)水通道是斷層。從古交礦區(qū)勘查成果看，區(qū)內(nèi)斷層多屬壓扭性正斷層，勘查和礦井生產(chǎn)過程中均未揭露過充水或?qū)臄鄬?。盡管如此，由于不同斷層的落差不同，地層對(duì)接關(guān)系不同和承受的水壓不同，不同斷層或同一斷層的不同部位導(dǎo)水性可能不同，在今后的勘查和礦井生產(chǎn)過程中，仍需重視斷層導(dǎo)水性的探查。特別是那些落差大，煤層與對(duì)盤奧灰接近的斷層。底板突水的第二個(gè)集中導(dǎo)水通道是巖溶陷落柱。古交礦區(qū)巖溶陷落柱較發(fā)育，馬蘭礦2009年在南一下組煤18306工作面揭露一巖溶陷落柱時(shí)發(fā)生了奧灰突水，突水量10 m3/h，后通過注漿進(jìn)行了封堵。根據(jù)相關(guān)資料，18306陷落柱突水水源為O2f水，不是O2s水。巖溶陷落柱導(dǎo)水問題仍然是要重點(diǎn)探查和預(yù)防的一項(xiàng)工作。底板突水的第3個(gè)集中導(dǎo)水通道是導(dǎo)水鉆孔，當(dāng)采掘過程中揭露和接近導(dǎo)水鉆孔時(shí)，高壓水同樣會(huì)沿導(dǎo)水鉆孔突入礦井，造成水害。根據(jù)古交礦區(qū)2009年統(tǒng)測(cè)水位的分析，在古交礦區(qū)可能存在這樣的導(dǎo)水鉆孔。古交礦區(qū)采掘工作面可能導(dǎo)通O2s水的導(dǎo)水鉆孔主要存在于下述情況：1) 揭露O2s，對(duì)O2s和O2f未進(jìn)行止水隔離，現(xiàn)在仍在利用其觀測(cè)水位和供水的鉆孔，如J11孔、TL-3孔、GS-5、GS-16孔、白一井、李一井和ZS-1、ZS-2、ZS-3孔等。2) 井下長(zhǎng)觀孔，目前在漏水的孔口，特別是O2f和O2S進(jìn)行分層放水時(shí)，兩個(gè)試驗(yàn)層段間未留隔水巖柱的鉆孔，如GS-15，以及GS-10，和GS-11等。3) 其它封堵孔不良的鉆孔，特別是打穿O2f1，揭露了O2s并且封孔不良的鉆孔(包括水文地質(zhì)孔與地質(zhì)孔)。這些鉆孔都可能成為人為的導(dǎo)水通道，對(duì)溝通O2s與O2f的水力聯(lián)系起重要作用，從統(tǒng)測(cè)水位的成果看，部分鉆孔O2s水位的上升，并且升幅較大，可能就是O2s、O2f已發(fā)生水力聯(lián)系的征兆。

針對(duì)上述3種類型的集中導(dǎo)水通道不能用預(yù)測(cè)底鼓突水的突水系數(shù)法來進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)，根據(jù)目前的技術(shù)水平還很難預(yù)測(cè)哪條斷層，哪個(gè)巖溶陷落柱或哪個(gè)鉆孔是導(dǎo)水的，實(shí)際工作中主要是依靠水文地質(zhì)信息(水位、水量、水溫、水質(zhì))的監(jiān)測(cè)分析和物探先行、鉆探驗(yàn)證方法進(jìn)行探查來加以確定。在這些方法中，最簡(jiǎn)單可行的是對(duì)礦區(qū)范圍內(nèi)已施工的奧灰水文孔與地質(zhì)孔，特別是已揭露了O2s的水文孔進(jìn)行逐一排查，尋找疑點(diǎn)，在發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)的基礎(chǔ)上，在鉆孔周圍留煤柱，或在工作面接近疑是導(dǎo)水鉆孔處進(jìn)行探放水或?qū)?dǎo)水鉆孔重新封堵。

3　結(jié)　論

1) 在古交礦區(qū)奧灰存在兩個(gè)含水層段(O2f2和O2s2+3)，各含水層段富水強(qiáng)度不同，且與下組煤距離不同，對(duì)下組煤帶壓開采所起的充水作用也不同，其中O2f2可能形成下組煤底鼓突水，O2s2+3由于距下組煤較遠(yuǎn)，隔水層厚度大，形成底鼓突水可能性小。

2) 古交礦區(qū)開采8號(hào)煤受O2f影響大部分屬于基本安全區(qū)，根據(jù)區(qū)域勘探鉆孔資料，結(jié)合我國不同礦區(qū)奧灰突水案例，預(yù)測(cè)O2f最大突水量為234 m3/h.

3) O2s在沒有集中導(dǎo)水通道的情況下，不會(huì)發(fā)生底鼓突水，而集中導(dǎo)水通道突水不能采用預(yù)測(cè)底鼓突水的突水系數(shù)法來進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)，需重視斷層、巖溶陷落柱導(dǎo)水性的探查，同時(shí)對(duì)可能導(dǎo)水的鉆孔加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

[1]占文峰，王強(qiáng)，牛學(xué)超.采空區(qū)礦井瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38(8)：115-117.

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Prediction and Analysis of Ordovician Limestone Water Inrush Water Inflow in Gujiao Diggings Lower Group Coal

ZHANG Xuqing

Analyzes the watery of Ordovician limestone O2f and O2s in Gujiao diggings lower group coal, combining with the analysis of different aquifer water channels and water inrush form, considers that water intensity of Ordovician limestone O2f2and O2s2+3aquifer sections in Gujiao diggings are different, and the distance from the lower coal group are different. So the water filling function of lower coal group with mining above confined aquifer is also different. Among them, O2f2may form lower coal group heaving floor water inrush, and the possibility of O2s2+3forming heaving floor water inrush is small. It is mainly centralized channel water. It predicts that the maximum water inrush of mining No.8 coal seam O2f in Gujiao diggings is 234 m3/h, O2s aquifer should be paid attention to search the fault, water conductivity of karst collapse column, at the same time to strengthen monitoring to drilling of might guide water.

Gujiao diggings; Ordovician limestone water inrush; Water inflow; Forecast

2016-01-19

張旭慶(1982—)，男，山西長(zhǎng)治人，2006年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，工程碩士研究生，工程師，主要從事礦井水文地質(zhì)勘探和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作(E-mail)61914798@qq.com

TD742

A

1672-0652(2016)03-0047-03