高水壓灰?guī)r含水體上煤層安全開采充水條件分析*

許繼影， 夏青森

(宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

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高水壓灰?guī)r含水體上煤層安全開采充水條件分析*

許繼影， 夏青森

(宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

近年來，礦井突水事故頻發(fā)，高水壓灰?guī)r含水體對煤層的安全開采帶來極大的威脅.本文以袁店煤礦10煤層底板太原組灰?guī)r上段含水層為例，在收集鉆孔和抽水試驗(yàn)等相關(guān)資料基礎(chǔ)上，從充水水源、充水通道及涌(突)水量預(yù)計(jì)三個(gè)方面，進(jìn)行充水條件分析.研究結(jié)果表明該含水層段存在突水的可能，對進(jìn)一步防治水設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).

充水通道;突水;隔水性能

前言

礦井突水災(zāi)害是在采礦活動影響下，承壓水沿隔水層中的通道涌入礦井的一種動力現(xiàn)象[1].目前，在華北煤田開采過程中，下組煤底板的石炭系太原組灰?guī)r含水巖組或奧陶系灰?guī)r含水巖組，通常具有水壓大、突水系數(shù)高、涌(突)水量大等特點(diǎn)，為礦井安全開采帶來極大的危險(xiǎn)[2,3].本文以淮北煤田袁店煤礦開采10煤層為例，對10煤層底板的太原組灰?guī)r水體，從充水水源、充水通道及涌(突)水量預(yù)計(jì)三個(gè)方面，進(jìn)行充水條件分析，分析的結(jié)果對于礦井防治灰?guī)r水設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義.

1 礦井地質(zhì)條件

袁店井田位于安徽省濉溪縣與渦陽縣的交界處，井田范圍內(nèi)未見基巖裸露.鉆孔揭露含煤地層為二疊系的山西組、下石盒子組和上石盒子組，可采煤層有32、51、63、72、81、82、10等7層.其中下組煤最低層10煤位于山西組的中部，下距太原組一灰頂界面約43 m左右.煤層厚0～6.19 m，平均厚3.84 m，屬中厚-厚煤層，以厚煤層為主.

井田共有62個(gè)鉆孔揭露太原組地層，太原組地層由石灰?guī)r、泥巖、粉砂巖及薄煤層組成，以石灰?guī)r為主，有10～12層石灰?guī)r.巖溶裂隙發(fā)育的程度是影響富水性的主要因素，石灰?guī)r巖溶裂隙在淺部較發(fā)育，向深部逐漸減弱.當(dāng)巖溶裂隙發(fā)育時(shí)富水性較強(qiáng)，反之就弱.對于淺部的一～四灰來說，一～二灰厚度不大，難以構(gòu)成大的地下水儲導(dǎo)體系，有利于分層疏降；三～四灰為中厚層灰?guī)r，具體厚度值見表1.巖溶裂隙發(fā)育，儲導(dǎo)水能力強(qiáng)，構(gòu)成太灰主要的地下水儲導(dǎo)體系.

表1 太原組上段一～四灰厚度值統(tǒng)計(jì)表

一～四灰?guī)r溶裂隙發(fā)育，水動力條件好，含水豐富，且各段之間距離僅數(shù)米，故將其視為一個(gè)含水層.因此在開采10煤時(shí)一～四灰水是其主要的補(bǔ)給水源.以下針對太灰水上段即一～四灰進(jìn)行充水條件分析.

2 充水條件分析

2.1 充水水源

袁店礦太原組灰?guī)r抽水成果見表2，從表中可以看出，一～四灰含水層單位涌水量在0.009 792～0.147 5 L/s.m，按煤礦防治水規(guī)定，為弱富水～中等富水含水層.滲透系數(shù)在0.037 67～0.591 3 m/d，屬弱透水含水層.

但是,灰?guī)r長觀孔均位于遠(yuǎn)離開采區(qū)域的灰?guī)r隱伏露頭部位，是古巖溶發(fā)育地段，含水層富水性相對較強(qiáng).而位于煤系之下的灰?guī)r埋藏區(qū)的勘探鉆孔和井下鉆孔均反映灰?guī)r富水性弱.隨著灰?guī)r含水層埋藏條件的改變，富水性指標(biāo)存在較大差異.

表2 袁店煤礦太原組灰?guī)r抽水試驗(yàn)成果表

2.2 充水通道

2.2.1 底板隔水特征

1)隔水層厚度

隔水層厚度及組合情況與底板阻水性聯(lián)系密切，一般來說,隔水層厚度大，底板阻水能力好突水的可能性就??；反之,隔水層厚度薄，底板阻水能力弱突水的可能性就大.據(jù)統(tǒng)計(jì)礦井內(nèi)揭露一灰鉆孔，10煤底板到一灰頂其正常間距(真厚)為28.95～61.30 m，平均值為44.18 m.研究區(qū)大部分范圍內(nèi)隔水層厚度較大，僅在部分采區(qū)發(fā)育較薄.在正常情況下開采10煤，此層段隔水性能較好，但在局部地段，由于受斷層影響，導(dǎo)致間距縮短，其隔水性能較差，有可能造成底鼓或斷層突水.

2)隔水底板巖性組成

根據(jù)鉆孔揭露情況，得出10煤至一灰間巖性柱狀對比圖(圖1).多數(shù)鉆孔揭露一灰直接頂是砂巖，僅有3個(gè)鉆孔揭露一灰直接頂是泥巖，其中10煤層底板至一灰頂正常間距(真厚)為28.95～56.50 m，泥巖段厚度為0～54.50 m，砂巖段厚度為2.00～44.23 m，砂泥比為0.04～147.43.從透過和給出水能力大小分析，砂巖段的滲透性要大于泥巖段，傳輸?shù)男阅芎肹4].

圖1 10煤層底板隔水層巖層柱狀對比圖(砂巖段、泥巖段)

2.2.2 斷層導(dǎo)、含水性分析

開采10煤層的采區(qū)內(nèi)存在較大斷距的五溝～楊柳斷層和F4斷層，針對04-82孔和06-9孔分別對兩斷層進(jìn)行抽水試驗(yàn)，具體分析為：

1)五溝～楊柳斷層：據(jù)04-82孔對五溝～楊柳斷層破碎帶抽水試驗(yàn)，q=0.003 013L/s.m，k=0.011 39 m/d，水化學(xué)類型為HCO3.SO4～Na+Mg型水，對抽水結(jié)果進(jìn)行了長時(shí)間的水位恢復(fù)，水位恢復(fù)十分緩慢，最終沒有恢復(fù)到抽水前的靜止水位高度，而太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層(段)水質(zhì)類型為HCO3～Na或Cl·HCO3～Na型，進(jìn)一步證明斷層是不導(dǎo)水的.

2)F4斷層：據(jù)06-9孔對F4斷層破碎帶抽水試驗(yàn)q=0.007 904 L/s.m，k=0.014 793 m/d，水化學(xué)類型為HCO3～Na型.對抽水結(jié)果進(jìn)行了長時(shí)間的水位恢復(fù)，水位恢復(fù)十分緩慢，而且最終也沒有恢復(fù)到抽水前的靜止水位高度，F(xiàn)4斷層富水性弱、導(dǎo)水性差.

根據(jù)簡易水文觀測資料和抽水試驗(yàn)資料分析，斷層破碎帶一般含水性弱，導(dǎo)水性亦差.正常情況下對礦井開拓?zé)o較大突水的可能，但在井巷穿過上述主要斷層時(shí)，仍需超前探明其含、導(dǎo)水情況.

2.3 涌(突)水量預(yù)計(jì)

當(dāng)工作面開拓因斷層影響使主采煤層與太灰間距縮短或“對口”，可能引起太灰水突入礦井.現(xiàn)把一～四灰當(dāng)做一個(gè)含水層組，考慮研究區(qū)內(nèi)最大可能灰?guī)r水涌水量.

利用地下水動力學(xué)公式法計(jì)算涌水量，采用井底進(jìn)水的非完整井公式[5]

(1)

“大井”引用半徑計(jì)算公式(不規(guī)則圓形，a/b<2～3)

(2)

“大井”引用影響半徑計(jì)算公式

R0=R+r0

(3)

水位降低S值采用本礦井兩次太灰抽水水位標(biāo)高平均值即：(15.41+22.33)/2=18.87(m)與礦井一水平平均標(biāo)高-499 m的差值，即S=517.87 m.

采用上述各參數(shù)、利用公式(1)、(2)、(3)估算太灰的可能突水量，估算結(jié)果見表3.估算結(jié)果，太灰的可能突水量為155.10 m3/h.

表3 太灰?guī)r溶裂隙含水層的可能突水量估算結(jié)果表

3 結(jié)論

通過對袁店煤礦太原組一～四灰含水層的充水水源、充水通道及涌(突)水量預(yù)計(jì)的分析，得出：該含水巖組富水性為弱～中等；10煤層底板多數(shù)為透水性較好的砂巖段，存在受斷層切割使10煤層與太灰對接的可能，發(fā)生突水；太原組含水層可能突水量預(yù)計(jì)為155.10 m3/h，因此,在實(shí)際施工過程中應(yīng)采取預(yù)防措施，加強(qiáng)維護(hù)，以防突水事故的發(fā)生.

[1]楊永國, 黃福臣. 非線性方法在礦井突水水源判別中的應(yīng)用研究[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 36(3):283-286.

[2]朱國維, 丁雯, 武彩霞. 華北煤田底板礦井水分布及突水機(jī)理淺析[J]. 中國煤炭, 2008, 34(2):9-11.

[3]李永軍, 彭蘇萍. 華北煤田巖溶陷落柱分類及其特征[J]. 煤田地質(zhì)與勘探, 2006, 34(4):53-57.

[4]馮梅梅, 茅獻(xiàn)彪, 朱慶華. 底板隔水層巖性組合特征對隔水性能的影響[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2010, 27(3):404-409.

[5]李偉, 左偉, 徐建伏. 改進(jìn)大井法在富含水層下采煤涌水量預(yù)測的應(yīng)用[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2010(4):74-77.

[6]尹尚先, 張祥維, 徐慧,等. “大井法”中滲透系數(shù)及含水層厚度的優(yōu)化[J]. 煤田地質(zhì)與勘探, 2015, 43(5):53-56.

Analysis of Water Filling Conditions for Safe Mining of Coal Seam in High Water Pressure Limestone Aquifer

XU Ji-ying, XIA Qing-sen

(School of Resources and Civil Engineering, Suzhou University, Suzhou Anhui 234000, China)

In recent years, the mine water inrush accidents occur frequently. Limestone aquifer with high pressure has a great threat to safe mining of coal seam. Taken upper limestone aquifer under No.10 coal seam of YuanDian coal mine as an example and based on the collection of drilling and pump test data, water-filled conditions was analyzed from water filled source, channel and estimation of water discharge. The research results show that the water inrush in the aquifer is likely to provide a reference for the further prevention and control of water design.

water filled channel; water inrush; water-resisting function

1673-2103(2016)05-0083-04

2016-08-03

宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心開放課題(2015SZXTZXKF03)；宿州學(xué)院校級科研項(xiàng)目(2014YKF03)；國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(20151039019)

許繼影(1986-)，女，安徽淮北人，碩士，助教，研究方向：水文地質(zhì)與工程地質(zhì).

TD163

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