深水平巖溶承壓水上下組煤開采危險性評價

馬　杰（1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院；2.安徽省煤礦勘探工程技術(shù)中心，安徽宿州234000）

深水平巖溶承壓水上下組煤開采危險性評價

馬杰1，2
（1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院；2.安徽省煤礦勘探工程技術(shù)中心，安徽宿州234000）

摘要：為評價蘆嶺礦Ⅱ1018工作面開采危險性，結(jié)合大量鉆孔資料、抽水試驗成果、底板隔水層裂隙統(tǒng)計和水源識別判別，分析了太灰中1灰～4灰薄層灰?guī)r的賦存特征，評價了工作面底板隔水層阻水能力，識別了Ⅱ1018工作面上位工作面（Ⅱ1016）的出水水源。研究結(jié)果表明：1）經(jīng)Fisher判別分析，Ⅱ1016工作面出水水源為灰?guī)r水；2）1灰到4灰各單層灰?guī)r逐漸增厚，富水性增加，但灰?guī)r作為一整體含水層時，其富水性有隨深度弱化趨勢；3）10煤底到1灰隔水層厚度穩(wěn)定，裂隙發(fā)育較弱，富水性差，具備有效隔水巖層的基本條件。

關(guān)鍵詞：深水平；巖溶裂隙水；隔水層；突水水源

D01：10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.04.015

0引言

隨著華北煤田生產(chǎn)礦井向深部延拓及開采規(guī)模不斷加大，礦井突水水源逐漸由淺部松散層水轉(zhuǎn)變?yōu)槊合祷讕r溶水，突水通道則由頂板采動破壞或斷層導(dǎo)通“底含”轉(zhuǎn)變?yōu)榈装宀蓜悠茐幕驍鄬訉?dǎo)通巖溶裂隙突水，尤其是隱伏巖溶陷落柱突水機率有增加趨勢［1］。因此，掌握灰?guī)r賦存特征、定量評價（高）承壓巖溶裂隙水富水性、明確底板突水通道、進行開采前危險性評價是保證能源結(jié)構(gòu)調(diào)整下煤礦可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

近年來，我國學(xué)者對巖溶承壓水突水進行了大量的研究工作，提出了一列系的突水理論、判據(jù)及防治技術(shù)措施。突水理論及判據(jù)如“下三帶”、“下四帶”、“關(guān)鍵層”、“突水系數(shù)-單位涌水量法”等［2］，突水防治技術(shù)如帶壓開采、注漿加固、疏水降壓等［3、4］。這些突水研究成果中，大部分并沒有考慮深部開采環(huán)境中的灰?guī)r發(fā)育及隔水層賦存變化特征。

蘆嶺礦深部開采水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，Ⅱ1016工作面曾于2010年9月28日出現(xiàn)底板滲、涌水現(xiàn)象，近一年時間內(nèi)其工作面涌水量穩(wěn)定在30～35m3/h左右，經(jīng)水源識別研判為太灰水。Ⅱ1018工作面為上位Ⅱ1016工作面的接替工作面，該面存在潛在突水隱患。因此，筆者從Ⅱ1016工作面水源識別、太灰發(fā)育規(guī)律、隔水層阻水能力等影響承壓水上開采的主控因素入手，為保證Ⅱ1018工作面安全開采及深部地質(zhì)環(huán)境下巖溶裂隙水水害防治提供了地質(zhì)依據(jù)。

1地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

蘆嶺煤礦隸屬于淮北礦業(yè)集團有限責任公司，含煤區(qū)域位于淮北煤田宿縣礦區(qū)的東部，礦區(qū)走向長約8.2km，傾斜寬3.6km，總面積約19km2?，F(xiàn)主采煤層分別為石炭-二疊系的下石盒子組8、9煤和山西組10煤。其中，8煤層厚度2.72～17.75m，平均為9.6m，9煤層厚度0～7.88m，平均為2.93m，10煤層厚度0～4.97m。經(jīng)各類鉆孔揭露的地層有奧陶系、石炭系（中統(tǒng)+上統(tǒng)）、二疊系、古近系、新近紀和第四系。

蘆嶺井田位于不對稱的宿東向斜西南翼的東南段，總體上為傾向NE的單斜構(gòu)造。根據(jù)巖性及富水性等賦存條件，松散層的含、隔水層自上而下依次可分為4個含水層和3個隔水層。煤系地層的上石盒子組、下石盒子組、山西組各有一含水層段，各含水層段以砂巖裂隙靜水儲量為主，補給條件差，富水性不均。煤系地層下伏有石炭系太原組薄層灰?guī)r巖溶含水層和奧陶系厚層灰?guī)r巖溶含水層。其中，太灰中的第3、4灰單層厚度較大，富水性強，而奧陶系厚度大，沉積環(huán)境為海相，故其富水性強。

Ⅱ1018工作面位于二水平（-400～-590m），開采煤層為山西組10煤，其工作面標高為-510～-560m，走向長342～392m，平均367m，斜長平均120m，平面面積約44040m2，儲量為12.3萬噸。工作面發(fā)育構(gòu)造2條，落差分別為5～7m和15～25m。充水水源頂板的砂巖含水層，水量以靜儲量為主，底板灰?guī)r水有補給，水量以動儲量為主。

2Ⅱ1016工作面充水水源識別

Ⅱ1016工作面出水后，為判定其出水水源，根據(jù)水化學(xué)成分的差異性，選取了7種水化學(xué)成分指標作為突水水源的樣本變量，分別為Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-離子濃度，收集了166個水源樣本，采用Fisher判別分析法建立了水源判別模型［5～7］。隨后，對該工作面涌水點進行定期采集樣品12次，并開展動態(tài)檢測。將166各樣本和后期樣本化驗成果繪制成判別函數(shù)F1-F2散點圖（圖1）。有圖分析可知，水樣檢測出的水化學(xué)特征由煤系水逐漸向灰?guī)r水遷移，說明該工作面是10煤底板灰?guī)r水在砂巖裂隙內(nèi)滲流路徑長、速度慢，經(jīng)過一些列水文地球化學(xué)作用，特別是陽離子交替吸附作用所致。其突水機理為導(dǎo)水斷層等導(dǎo)水通道與煤系砂巖裂隙層組溝通，工作面采動后，其底板導(dǎo)水裂隙帶溝通煤系砂巖裂隙含水層組，以致灰?guī)r水在工作面底板涌出。

圖1　主要含水層水樣F1-F2散點圖

3太灰發(fā)育及富水性特征

本次通過對揭露太灰1灰～4灰的19個鉆孔進行統(tǒng)計，可得到下述初步認識：

1）揭露1灰鉆孔有19個，兩極厚度為0.56～4.81m，平均為2.66m。其中，厚度在2～5m的鉆孔個數(shù)有15個，占鉆孔總數(shù)的78%；厚度＜2m的鉆孔個數(shù)有4個，占鉆孔總數(shù)的22%。

2）揭露2灰鉆孔有11個，兩極厚度為0.75～15.89m，平均為5.58m，厚度變化較1灰明顯。其中厚度＞5m的鉆孔個數(shù)有4個，占鉆孔總數(shù)的36%；厚度在2～5m的鉆孔個數(shù)有5個，占鉆孔總數(shù)的45%；厚度＜2m的鉆孔個數(shù)有2個，占鉆孔總數(shù)的19%。

3）揭露3灰鉆孔有9個，兩極厚度為2.34～11.59m，平均為6.58m。其中厚度＞5m的鉆孔個數(shù)有6個，占鉆孔總數(shù)的67%；厚度在2～5m的鉆孔個數(shù)有3個，占鉆孔總數(shù)的33%。

4）揭露4灰鉆孔有4個，兩極厚度為0.48～26.49m，平均為13.08m。其中厚度＞20m的有2個，2～5m的鉆孔個數(shù)有1個，厚度＜2m的鉆孔個數(shù)有2個，占鉆孔總數(shù)的45%。

為進一步評價太灰含水層的富水性，本次統(tǒng)計分析了10次抽水試驗結(jié)果，結(jié)果中的單位涌水量按《煤礦防治水規(guī)定》91mm標準孔徑要求進行統(tǒng)一換算，計算結(jié)果見表1。

表1　灰?guī)r含水層標準孔徑下的水文地質(zhì)參數(shù)一覽表

數(shù)據(jù)表明，q值隨深度變化較為明顯：當埋深在200～350m之間時，太灰富水性較好，當深度在350m以下時，q值隨著深部增加，其量值呈減小的趨勢較為明顯，表明太灰富水性弱化趨勢較為明顯。

結(jié)合太灰賦存及灰?guī)r富水性特征綜合分析，1灰到4灰的各單層灰?guī)r厚度顯示逐漸增大趨勢，結(jié)合井下鉆孔揭露及現(xiàn)場觀察，1灰～4灰各單層灰?guī)r的富水性依次呈逐漸增大趨勢。但太灰作為同一含水層時，其富水性有隨深度逐漸弱化的趨勢。

4 10煤-1灰隔水層阻水性能力評價

由29個揭露10煤底-1灰頂之間隔水層的鉆孔資料統(tǒng)計，10煤底板至1灰隔水層厚度兩極范圍為24.77～84.04m，平均厚度為62.31m，Ⅱ1018工作面附近10煤底-1灰頂之間隔水層厚度變化范圍為64～72m。結(jié)合鉆孔89-1與89-3的2個鉆孔數(shù)據(jù)，10煤底-1灰頂隔水層厚度分別為75.95m和65.35m。

蘆嶺井田10煤底板裂隙經(jīng)統(tǒng)計，底板附近裂隙的平均密度為0.125～0.43條/m2。且底板隔水層巖性以泥巖、砂巖互層為主，泥巖中裂隙不發(fā)育。隔水層中裂隙發(fā)育相對較弱。

據(jù)鉆孔抽水結(jié)果，10煤底板隔水層抽水量q= 0.000 l22L/（s.m），K=0.00023m/d（包括10煤頂板砂巖在內(nèi)）。根據(jù)煤礦防治水規(guī)定，q≤0.1L/（s.m），為弱富水性。

總之，研究區(qū)內(nèi)10煤底板至1灰隔水層裂隙發(fā)育較弱，富水性差，隔水層厚度較大，即Ⅱ1018工作面底板地層具備構(gòu)成有效阻水巖層的基本條件［8］。

5結(jié)論

1）Ⅱ1016工作面經(jīng)Fisher判別分析法判定，水樣檢測結(jié)果表明該工作面充水水源為灰?guī)r水。

2）鉆孔揭露表明，1灰到4灰的各單層灰?guī)r厚度顯示出逐漸增大趨勢，且1灰-4灰的富水性從上向下有逐漸增大趨勢。

3）埋深在200～350m之間時，太灰富水性較好，當深度在350m以下時，q值隨著深部增加，其量值呈減小的趨勢。

4）經(jīng)突水系數(shù)法計算，Ⅱ1018工作面開采時突水系數(shù)（T）值較大，但若將太灰中的1灰、2灰隔水改造，T值將低于突水臨界值，可進行安全開采。

參考文獻：

［1］葛家德，王經(jīng)明.任樓煤礦導(dǎo)水陷落柱的化學(xué)預(yù)警研究［J］.煤炭工程，2007（9）：85-88.

［2］喬偉，李文平，趙成喜.煤礦底板突水評價突水系數(shù)-單位涌水量法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（12）：2466-2474.

［3］虎維岳，田干.我國煤礦水害類型及其防治對策［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38（9）：92-96.

［4］吳玉華，張文泉，趙開全，等.礦井水害綜合防治技術(shù)研究［M］.北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009：161-167.

［5］魯金濤，李夕兵，宮鳳強，等.基于主成分分析與Fisher判別分析法的礦井突水水源識別方法［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2017，22（7）：109-115.

［6］王敏，張占松，胡松，等.基于主成分分析的Fisher判別法L地區(qū)水淹層識別中的應(yīng)用［J］.長江大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，7（4）：79-82.

［7］劉鑫，陳陸望，林曼利，等.采動影響下礦井突水水源Fisher判別與地下水補給關(guān)系反演［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2013，40（4）：36-43.

［8］李波.峰峰組隔水關(guān)鍵層對下組煤帶壓開采的影響研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43（10）：67-71.

（責任編輯：郝安林）

中圖分類號：TD745

文獻標志碼：A

文章編號：1673-2928（2016）04-0049-03

收稿日期：2015-10-22

基金項目：安徽省教育廳重點（Kj2013A249）；宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心全國開放課題資助項目（2014SZXTQP06）。

作者簡介：馬杰（1984-），男，宿遷學(xué)院教師，碩士，主要從事工程地質(zhì)、水文地質(zhì)的教學(xué)與科研工作。

Safety Evaluation of Mining Under-group Coal Seams above High Confined Karstwater in Deep Level

MA Jie1，2
（1.School of Resources and Civil Engineering，Suzhou University；2.Coal Mine Exploration Engineering Center of Anhui Province，Suzhou 234000，China）

Abstract:Combining with drilling data，pumping test results，fracture statistic of floor aquifuge and water bursting source recognition，this paper analyzed occurrence characteristics of taiyuan group's 1stand 2ndthin-bedded limestone，evaluated water-resisting ability of floor aquifuge，identified the source of inrush-water inⅡ1016 coal face.The results shows：1）By using fisher discrimination analysis method，the source of water irruption is limestone water.2）From 1stlimestone to 2ndlimestone of taiyuan group，the thickness of every single layer is thickening，the water abundance is increased，however，seen as one aquifer of taiyuan group，its water yield property shows a weakening tendency.3）The thickness of aquifuge between the bottom of 10thcoal and the top of 1stlimestone is stable，and its crack development and water abundance are weak.

Key words:deep level；karstic fissure water；aquifuge；source of inrush-water