太原西山煤田楊莊井田煤層突水危險(xiǎn)性分析

周 瑞 耿 杰 李俊杰

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024；2.山西省煤炭地質(zhì)148勘查院，山西省太原市，030053；3.西山煤電集團(tuán)地質(zhì)處，山西省太原市，030053)

近年來，太原組下組煤底板突水正在成為華北地區(qū)礦井水害防治的研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外不少學(xué)者與專家對煤礦奧灰頂部相對隔水性及水文地質(zhì)特征進(jìn)行研究，提出了利用奧陶系頂部隔水層釋放煤層底板受奧灰水壓威脅的問題。太原西山煤田為華北煤田中規(guī)模相對較小的向斜構(gòu)造盆地，由石炭系、二疊系、三疊系組成。很多學(xué)者對區(qū)內(nèi)奧陶系峰峰組巖溶發(fā)育深度和賦存規(guī)律及對下組煤的安全開采的隔水作用等做了很多研究。劉建成、郝柏園等提出太原西山煤田古交礦區(qū)奧陶系峰峰組頂部近30 m 厚的古風(fēng)化裂隙充填帶和峰峰組下段約70 m 厚的第一泥灰?guī)r石膏層可分別作為隔水關(guān)鍵層；郭盛彬等利用鉆孔實(shí)際揭露奧陶系頂部巖溶發(fā)育，采用礦井瞬變電磁方法探測巖溶分布狀況，推斷西山屯蘭礦奧陶系地層自峰峰組頂部向下35 m 范圍內(nèi)近乎無水；吳慧芳等研究并劃分了太原西山西峪煤礦內(nèi)9#煤層帶壓開采的安全區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)。本文以太原西山煤田南部未開采的楊莊井田為研究對象，探討其煤系地層充水水源及上下組煤層突水危險(xiǎn)性，以期為將來煤礦開采提供參考資料。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

研究區(qū)位于古交市南部草莊頭鄉(xiāng)，晉祠泉域西南部弱徑流帶，處于太原西山煤田中南部的馬蘭向斜南段，地層走向近南北，向斜西翼地層較陡，東翼地層較緩，太原西山構(gòu)造簡圖如圖1所示。

圖1 太原西山構(gòu)造簡圖

區(qū)內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，太原組的平均厚度為95 m，山西組的平均厚度為53 m，可采煤層為山西組的02#、2#、4#煤層和太原組的6#、7#、8#、9#煤層。主要含水層組有奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組及峰峰組灰?guī)r含水層組、石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r含水層組、山西組砂巖含水層組、石盒子及石千峰組砂巖含水組、全新統(tǒng)礫石含水層。

2 充水水源

礦井充水水源主要有大氣降水、地表水、地下水。井田內(nèi)河流均屬季節(jié)性溪流，受大氣降水影響，除了雨季洪水期水量大外，一般水量很小，甚至斷流。大川河為區(qū)內(nèi)最大的地表水流，流經(jīng)井田東部。井田內(nèi)降水量小，地表水排泄暢通。上組煤頂板直接充水水源主要來自P1s地層砂巖裂隙水及P1x地層K4砂巖裂隙水，間接充水水源主要來自P1x地層K6砂巖裂隙水和P2s地層K7砂巖裂隙水，含水層裂隙不發(fā)育，富水性弱。上組煤底板直接充水水源主要來自P1s地層K3砂巖水，裂隙不發(fā)育，弱含水層；上組煤底板間接充水水源主要來自C3t灰?guī)r(L1、K2、L4)含水層地下水。進(jìn)水方式以滲入和淋水為主，屬裂隙充水礦床。該含水層砂巖富水性弱，含水層補(bǔ)給條件差，水力聯(lián)系弱。

下組煤6#煤層位于太原組上部，其直接充水含水層以K3砂巖及東大窯灰?guī)r(L5)為主，山西組地層砂巖及太原組中下部灰?guī)r含水層為其間接充水層，屬巖溶裂隙充水礦床。8#、9#煤層位于太原組的下部，頂板直接充水水源主要來自C3t灰?guī)r(L1、K2、L4)含水層地下水，在部分地段L1灰?guī)r為8#煤層直接頂板，富水性弱；下組煤底板間接充水水源主要來自中奧陶統(tǒng)O2f和O2s巖溶含水層地下水，構(gòu)成了井田內(nèi)富水性最強(qiáng)的含水結(jié)構(gòu)體，且承壓水頭較高。但奧灰含水層由于含水層埋藏較深，地表水體少且小，裂隙巖溶不太發(fā)育，透水性較弱，本區(qū)水文孔抽水試驗(yàn)資料表明，單位涌水量均小于0.1 L/(m·s)，屬弱富水性含水層。

3 頂板突水危險(xiǎn)性分析

煤層頂板突水危險(xiǎn)性是根據(jù)2009 年9 月21 日國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國家煤礦安全監(jiān)察局頒布的《煤礦防治水》中引用的《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》中煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式計(jì)算各煤層導(dǎo)水裂隙帶結(jié)果。計(jì)算公式為：

(1)

式中：Hli——導(dǎo)水裂縫帶高度，m；

M——煤層平均采厚，m。

經(jīng)計(jì)算山西組02#煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度為29.80 m，上距K4砂巖平均5.90 m，溝通了山西組頂部及下石盒子組中下部的砂巖裂隙含水層。2#煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度為34.41 m，上距02#煤層平均僅12.92 m，裂隙帶能夠?qū)ㄉ喜坎煽諈^(qū)積水，4#煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度為41.43 m，上距2#煤層平均12.43 m，裂隙帶能夠?qū)ㄉ喜坎煽諈^(qū)積水，開采2#、4#煤層時(shí)必須對上部采空積水進(jìn)行超前探放，防止發(fā)生淹工作面甚至淹采區(qū)的嚴(yán)重后果。未來開采上組煤層時(shí)，涌水形式主要表現(xiàn)為上組煤層的頂板淋滴水，礦井正常生產(chǎn)時(shí)，涌水初始量較大，而后逐漸趨于穩(wěn)定，經(jīng)采掘出水可逐年疏干。正常情況下，02#煤層距離地表較遠(yuǎn)，不會(huì)溝通地表，但在斷層及陷落柱附近及井田西部邊界煤層露頭、淺埋區(qū)，導(dǎo)水裂隙帶存在導(dǎo)通淺層地表水的可能。將來礦井開采時(shí)，在雨季應(yīng)做好地面塌陷及地裂縫的填充工程，防止雨水潰入礦井，引起灌井事件。

太原組上部6#煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度為31.26 m，大于6#煤層與4#煤層的間距17.12 m，導(dǎo)水裂縫帶可能達(dá)到上部采空區(qū)積水，對煤層開采帶來嚴(yán)重影響。太原組下部8#煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度為42.68 m，大于6#煤層與8#煤層的間距36.05 m，但8#煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度小于其與4#煤層間距53.17 m，且小于其與2#煤層間距65.60 m，開采8#煤層時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶一般不會(huì)到達(dá)2#、4#煤層采空區(qū)積水處，僅可能溝通4#、6#、8#煤層間的含水層。另外，開采8#煤層，沿頂板掘進(jìn)將貼近L1灰?guī)r，或因褶曲小斷層而破壞L1灰?guī)r，頂板灰?guī)r水泄入巷道。9#煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度為38.21 m，大于8#煤層和9#煤層的間距11.90 m，導(dǎo)水裂縫帶會(huì)到達(dá)上部采空區(qū)積水處，因此開采下組煤層時(shí)必須對上部采空積水進(jìn)行超前探放。下組煤層頂板充水因素主要為本組灰?guī)r巖溶裂隙水，其次為砂巖裂隙水。石灰?guī)r由于埋藏深，補(bǔ)給有限，富水性弱，隨開采時(shí)間延長，礦井涌水量將趨于減弱。

4 底板突水危險(xiǎn)性分析

4.1 底板隔水層厚度

9#煤層底板至奧灰頂面之間的巖層為阻擋奧灰?guī)r溶承壓水向上部含水層和煤層充水的主要隔水層，厚度為51.86～81.10 m，平均厚度為66.65 m，裂隙不發(fā)育且呈閉合狀。9#煤層底板至奧灰界面厚度等值線圖如圖2所示。其中本溪組地層厚度為20.70～52.78 m，平均厚度為34.52 m，巖性由深灰、淺灰及灰色細(xì)—中粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁質(zhì)泥巖、石灰?guī)r組成，平行不整合于峰峰組之上。底部主要為山西式鐵礦，厚度不穩(wěn)定，以黃鐵礦為主；下部鋁質(zhì)泥巖較穩(wěn)定；中、上部為1～3層泥巖及淺海相薄層石灰?guī)r，具較好的隔水作用。尤其本溪組下段鋁土質(zhì)泥巖其厚度穩(wěn)定，可以作為很好的疏水降壓層。這種泥質(zhì)巖類與砂巖、石灰?guī)r硬脆性巖類的良好組合，既具有隔水性能又具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，對抵抗巖溶水壓是有利的。這一相對隔水巖層的存在導(dǎo)致巖溶承壓水與石炭系煤系圍巖水位有很大的水位差。

圖2 9#煤層底板至奧灰界面厚度等值線圖

此外，區(qū)內(nèi)奧灰峰峰組上段巖性以含石膏泥質(zhì)灰?guī)r及泥灰?guī)r為主，中夾白云質(zhì)灰?guī)r，粘土含量顯著增大，石膏一般以薄層狀、脈狀與泥灰?guī)r交織在一起，通常稱第一泥灰?guī)r石膏帶。據(jù)水文孔資料顯示本段地層巖芯較完整，裂隙不發(fā)育，簡易水文觀測資料表明水位及消耗量無變化或變化很小，說明巖溶裂隙不發(fā)育，隔水性能良好，一般可視為隔水層，正常情況下，亦可以阻隔奧灰含水層與太灰含水層之間的水力聯(lián)系。

4.2 水頭壓力、突水系數(shù)及危險(xiǎn)性分析

井田內(nèi)發(fā)育巨厚的奧陶系灰?guī)r含水層，為一區(qū)域含水層，具有統(tǒng)一的地下水位，根據(jù)抽水試驗(yàn)資料確定區(qū)內(nèi)奧灰水位在+820～+920 m之間。下組9#煤層底板突水系數(shù)等值線圖見圖3。

由于含水層埋藏較深，地表水體少且小，水源補(bǔ)給較差，巖溶裂隙不發(fā)育，但水壓較高，為本區(qū)主要含水層，區(qū)內(nèi)水文孔抽水試驗(yàn)資料顯示單位涌水量均小于0.1 L/(m·s)，屬弱富水性含水層。在確定水頭壓力時(shí)，采用奧陶系峰峰組巖溶水位標(biāo)高減去揭穿奧灰鉆孔的奧灰頂面標(biāo)高作為煤層底板承受的水壓力，經(jīng)計(jì)算水頭壓力為1.29～2.99 MPa，井田內(nèi)絕大部分地段煤層底板標(biāo)高低于奧灰水位，僅在西部P16、Y5-1、Y8-01鉆孔連線以西地段煤層不帶壓，其中井田中部Y5-3、Y7-5鉆孔附近水頭壓力較小，小于2 MPa,其余地段均大于2 MPa，總的來看，區(qū)內(nèi)煤層底板承受水壓變化相對平緩。

圖3 下組9#煤層底板突水系數(shù)等值線圖

為合理評(píng)價(jià)開采煤層的突水危險(xiǎn)性，采用突水系數(shù)法，參照《煤礦防治水規(guī)定》中的相關(guān)要求，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m(相對安全區(qū))，正常塊段不大于0.10 MPa/m(突水危險(xiǎn)區(qū))的規(guī)定。突水系數(shù)計(jì)算公式為：

(2)

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，即煤層底板至奧灰頂面的距離，m。

根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔資料，實(shí)際穿過整個(gè)煤系地層進(jìn)入奧陶系灰?guī)r的鉆孔為22個(gè)。按2#、8#、9#煤層底板標(biāo)高與奧灰頂面標(biāo)高值，確定各鉆孔隔水層的厚度，代入式(2)計(jì)算，結(jié)果見表1。經(jīng)計(jì)算，2#煤層帶壓區(qū)奧灰突水系數(shù)0.009～0.019 MPa/m，8#煤層帶壓區(qū)奧灰突水系數(shù)0.018～0.044 MPa/m，9#煤層帶壓區(qū)奧灰突水系數(shù)0.020～0.051 MPa/m，具體見突水系數(shù)等值線圖，如圖3所示。

表1 煤層突水系數(shù)一覽表

井田奧灰突水系數(shù)分布具有從西到東逐漸增大的趨勢，最高值位于井田東北部。可見區(qū)內(nèi)各可采煤層奧灰突水系數(shù)值均小于0.06 MPa/m，帶壓開采危險(xiǎn)性小，屬于相對安全區(qū)。需要說明，突水系數(shù)計(jì)算僅考慮了水壓及隔水層厚度，而沒有考慮隔水層的抗張強(qiáng)度及隔水性能，如果隔水層的抗張強(qiáng)度小，隔水性能差，或者某些部位本溪組及峰峰組巖層的裂隙較發(fā)育，其隔水性能也會(huì)受到影響。即使在上述劃分的安全區(qū)，在遇有導(dǎo)水?dāng)鄬?、陷落柱情況下，奧灰?guī)r溶水具有沿構(gòu)造薄弱部位上升的可能性，導(dǎo)致煤層底板突水事故的發(fā)生。建議在生產(chǎn)中密切關(guān)注回采工作面情況、涌水量變化和奧灰含水層的水位變化，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)上報(bào)并利用物探、鉆探綜合探查手段，探查隔水層薄弱地段、富水區(qū)段和潛在導(dǎo)水通道。

5 結(jié)論

(1)上組02#煤層導(dǎo)水裂隙帶能夠溝通山西組頂部及下石盒子組中下部的砂巖裂隙含水層。2#、4#煤層導(dǎo)水裂隙帶能夠?qū)ㄉ喜坎煽諈^(qū)積水，下組6#、8#、9#煤層導(dǎo)水裂隙帶均大于其上煤層間距。下組煤回采后，導(dǎo)水裂縫帶可能達(dá)到上部采空區(qū)積水，對太原組煤層開采帶來嚴(yán)重影響。另外井田西部邊界煤層淺埋區(qū)，導(dǎo)水裂隙帶存在導(dǎo)通淺層地表水的可能。在隱伏斷層及陷落柱附近及井田西部邊界煤層露頭、淺埋區(qū)，導(dǎo)水裂隙帶存在導(dǎo)通淺層地表水的可能。

(2)區(qū)內(nèi)各煤層絕大部分地段都為帶壓開采，僅在西部P16、Y5-1、Y8-01鉆孔連線以西地段煤層不帶壓，其中井田中部Y5-3、Y7-5鉆孔附近水頭壓力較小，小于2 MPa,其余地段均大于2 MPa，帶壓地段奧灰突水系數(shù)值均小于0.06 MPa/m，帶壓開采危險(xiǎn)性小，屬于相對安全區(qū)，帶壓開采雖然可行，但應(yīng)在加強(qiáng)礦井防治水工作的前提下進(jìn)行帶壓開采，特別是加強(qiáng)構(gòu)造導(dǎo)水性的探測工作。

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