郭慧蓉
(山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質局,山西 太原 030045)
霍州煤電集團興盛園煤業(yè)有限責任公司井田內奧灰水水位標高在530m左右,井田內1號、2號煤層大部分帶壓,10號、11號煤層全區(qū)帶壓。同時,1號、2號煤層大部分又承受太灰水帶壓問題。而井田斷裂構造發(fā)育,為礦井突水提供了潛在的突水通道,對礦井安全生產構成了一定威脅。對井田突水危險性進行評價尤為重要。
霍州煤電集團興盛園煤業(yè)有限責任公司井田位于霍州市什林鎮(zhèn),由山西梨樹園煤業(yè)有限公司、山西霍州義桂煤業(yè)有限責任公司、山西霍州靖達煤業(yè)有限公司整合而成,生產能力為90萬t/a,批準開采1號~11號煤層。整個井田構造由一寬緩的褶曲和數(shù)條正斷層所控制,地層走向以北東向為主,地層傾角較小,3°~8°左右,斷層附近局部達14°左右。北部邊界受什林大斷層影響傾角較陡,區(qū)內構造主要由3個褶曲和14條斷層控制,局部發(fā)育有沖刷無煤帶。井田內可采煤層為山西組1號、2號煤層和太原組10號、11號煤層。
煤層底板太灰水或奧灰水是否發(fā)生突水,直接關系到礦井的安全生產。影響其突水性的因素主要有:①底板隔水層巖性組合特征;②底板隔水層厚度;③底板斷層發(fā)育程度;④底板水壓分布;⑤含水層富水性及巖溶發(fā)育程度等。
底板隔水層巖性組合直接關系著隔水底板抗壓強度及隔水能力。本井田隔水層巖層組合以泥巖、砂質泥巖、鋁土巖、粉砂巖為主,其次為細、中、粗粒砂巖。軟質巖類與硬質巖類呈現(xiàn)互層狀疊置組合特征,這種軟、硬巖互層狀的地質結構對提高底板的抗壓強度及隔水能力比較有利。
井田內XK3號和XK4號鉆孔采取巖石力學測試,砂巖類飽和抗壓強度在50.7~86.3MPa之間,平均60.3MPa;灰?guī)r飽和抗壓強度在81.2~88.0MPa之間,平均84.4MPa;泥巖類飽和抗壓強度在6.8~61.2MPa之間,平均27.4MPa??梢娔鄮r類抗壓強度較小,而砂巖及灰?guī)r抗壓強度較大。
底板隔水層的薄厚是抵御底板突水的關鍵因素。一般而言,隔水層厚度大,底板抵御突水能力較強。反之,底板抵御突水能力差。依據(jù)本井田鉆孔勘探資料,對井田上組煤(1號、2號煤層)底板相對太灰含水層頂界隔水巖層厚度,上組煤(1號、2號煤層)底板和下組煤(10號、11號煤層)底板相對奧灰頂界隔水巖層厚度進行了統(tǒng)計,并繪制了各煤層底板隔水層厚度等值線圖。
井田區(qū)內斷裂構造發(fā)育,發(fā)育有多條規(guī)模大小不等的正斷層,最大斷距150~200m,最小斷距4m,多在5~30m之間,井田內斷層最大延伸長度3 300m,最短延伸長度為200m。
斷裂構造對煤層底板巖體的破壞主要表現(xiàn)為:①斷層形成巖體的不連續(xù)面,影響了巖體的完整性,易形成導水通道;②構造作用也導致構造帶影響范圍內的巖體結構的破壞,其特點是次生裂隙發(fā)育,軟巖層產生塑性屈服,強度降低。
底板水壓是影響煤層底板突水的重要指標。根據(jù)本井田及周邊勘探鉆孔及水井資料,太灰水位在506~547m之間,奧灰水水位標高在521~541m之間。井田1號煤層底板標高240~550m,2號煤層底板標高230~540m,10號煤層底板標高150~450m,11號煤層底板標高140~430m。經(jīng)對比分析,1號、2號煤層除西南部小面積不帶壓外,其余煤層底板均承受太灰和奧灰水壓問題;10號、11號煤層全井田煤層底板均承受著奧灰水壓問題。
底板以下太灰或奧灰含水層富水性是影響突水量大小的重要因素,表現(xiàn)在兩個方面:①在平面上,富水性大的地段一旦發(fā)生突水,其突水量也大;②在垂向上,太灰和奧灰富水性及巖溶發(fā)育程度對突水威脅性也較大。
據(jù)井田勘探資料分析,太灰含水層除西南部為弱富水性外,其余為中等富水性;奧灰含水層(峰峰組和上馬家溝組)全井田均屬中等富水性含水層。
根據(jù)本井田構造發(fā)育情況,取突水系數(shù)臨界值0.06MPa/m作為劃分突水分區(qū)界線,按照底板突水系數(shù)等值線進行危險性分區(qū),可以劃分為非帶壓區(qū)、突水相對安全區(qū)(T<0.06MPa/m)、突水危險區(qū)(0.06MPa/m
利用井田內現(xiàn)有鉆孔資料,按1號、2號煤層分別計算各鉆孔突水系數(shù)。然后根據(jù)突水系數(shù)數(shù)值繪制底板突水危險性評價分區(qū)圖。
4.1.1 1號煤層底板太灰水突水危險性評價
經(jīng)計算,1號煤層底板太灰水突水系數(shù)在0~0.126 9MPa/m之間,突水系數(shù)最大值0.126 9MPa/m,大于底板受構造破壞塊段突水系數(shù)臨界值0.06MPa/m,也大于正常塊段突水系數(shù)臨界值0.1MPa/m。非帶壓區(qū)分布在井田西南角,突水危險區(qū)(0.06MPa/m
圖1 1號煤層底板太灰水突水危險性評價分區(qū)圖
4.1.2 2號煤層底板太灰水突水危險性評價
經(jīng)計算,2號煤層底板太灰水突水系數(shù)在0~0.164 2MPa/m之間,突水系數(shù)最大值0.164 2MPa/m,大于底板受構造破壞塊段突水系數(shù)臨界值0.06MPa/m,也大于正常塊段突水系數(shù)臨界值0.1MPa/m。非帶壓區(qū)分布在井田西南角,突水危險區(qū)(0.06MPa/m
圖2 2號煤層底板太灰水突水危險性評價分區(qū)圖
利用井田內現(xiàn)有鉆孔資料,按煤層分別計算各鉆孔奧灰水突水系數(shù)。然后根據(jù)突水系數(shù)數(shù)值繪制底板突水危險性評價分區(qū)圖。
4.2.1 1號煤層底板突水危險性評價
經(jīng)計算,1號煤層底板奧灰水突水系數(shù)在0~0.033 0MPa/m之間,突水系數(shù)最大值0.033 0MPa/m,小于底板受構造破壞塊段突水系數(shù)臨界值0.06MPa/m。全井田除西南角小范圍屬非帶壓區(qū)外,其余均屬突水相對安全區(qū)(T<0.06MPa/m),見圖3。
圖3 1號煤層底板奧灰水突水危險性評價分區(qū)圖
4.2.2 2號煤層底板突水危險性評價
經(jīng)計算,2號煤層底板奧灰水突水系數(shù)在0~0.035 1MPa/m之間,突水系數(shù)最大值0.035 1MPa/m,小于底板受構造破壞塊段突水系數(shù)臨界值0.06MPa/m。全井田除西南角小范圍屬非帶壓區(qū)外,其余均屬突水相對安全區(qū)(T<0.06MPa/m),見圖4。
圖4 2號煤層底板奧灰水突水危險性評價分區(qū)圖
4.2.3 10號煤層底板突水危險性評價
經(jīng)計算,10號煤層底板奧灰水突水系數(shù)在0.027 5~0.112 3MPa/m之間,突水系數(shù)最大值0.110 3MPa/m,大于底板受構造破壞塊段突水系數(shù)臨界值0.06MPa/m,也大于正常塊段臨界值0.1MPa/m。突水高危險區(qū)(T>0.1MPa/m)分布在井田西北角,突水危險區(qū)(0.06MPa/m 圖5 10號煤層底板奧灰水突水危險性評價分區(qū)圖 4.2.4 11號煤層底板突水危險性評價 經(jīng)計算,11號煤層底板奧灰水突水系數(shù)在0.036 6~0.175 2MPa/m之間,突水系數(shù)最大值0.175 2MPa/m,大于底板受構造破壞塊段突水系數(shù)臨界值0.06MPa/m,也大于正常塊段臨界值0.1MPa/m。突水高危險區(qū)(T>0.1MPa/m)分布在井田西北角及井田中部的補8號孔周圍和補19號孔周圍,突水相對安全區(qū)(T<0.06MPa/m)分布在井田南部邊界,其余地區(qū)為突水危險區(qū)(0.06MPa/m 圖6 11號煤層底板奧灰水突水危險性評價分區(qū)圖 選擇井田內斷層落差大于20m的較大斷層進行突水危險性評價。井田內較大斷層有F1、F2、F7、F9、F10、F11。其中F1斷層落差160~200m,對比井田內地層組段相對厚度,F(xiàn)1斷層上盤煤系地層已與下盤奧灰?guī)r溶含水層對接。因此,在該斷層帶上盤上組煤層和下組煤層均存在嚴重的奧灰水突水威脅,為防止奧灰水突水的重點煤層。本次對F1斷層不做具體計算數(shù)值評價。 結合井田內太灰水位等值線及奧灰水位等值線,分析并推算了F2、F7、F9、F10、F11斷層帶所承受的水壓值P,本井田B取10。按上述評價公式計算各斷層承受太灰水壓和奧灰水壓的Ha值,計算結果見表1。 4.3.1 斷層在太灰水壓作用下的突水評價 井田內上組煤層1號、2號煤層底板存在太灰水帶壓問題,其中1號煤層底板至太灰頂界隔水層厚度一般為32~59m,2號煤層底板至太灰頂界隔水層厚度一般為23~55m,斷層帶上盤煤層至下盤太灰含水層間距h,其數(shù)值等于上盤煤層隔水層厚度減去斷層落差,對比井田內各斷層帶h和Ha值,會出現(xiàn)h小于Ha的情況。因此說明井田內F2、F7、F9、F10、F11斷層在開采上組煤層過程中存在太灰水突水危險。 表1 斷層帶突水評價計算數(shù)值 4.3.2 斷層在奧灰水壓作用下的突水評價 井田內上組煤層1號、2號煤層底板存在奧灰水帶壓問題,其中1號煤層底板至奧灰頂界隔水層厚度一般為102~163m,2號煤層底板至奧灰頂界隔水層厚度一般為93~152m,斷層帶上盤煤層至下盤奧灰含水層間距h,其數(shù)值等于上盤煤層隔水層厚度減去斷層落差,對比井田內各斷層帶h和Ha值,Ha大于h,不會出現(xiàn)h小于Ha的情況。因此說明井田內F2、F7、F9、F10、F11斷層在開采上組煤層過程中不會存在奧灰水突水危險。 井田內下組煤層10號、11號煤層底板存在奧灰水帶壓問題,其中10號煤層底板至奧灰頂界隔水層厚度一般為26~45m,11號煤層底板至奧灰頂界隔水層厚度一般為15~33m(除補19號為57m外),斷層帶上盤煤層至下盤奧灰含水層間距h,其數(shù)值等于上盤煤層隔水層厚度減去斷層落差,對比井田內各斷層帶h和Ha值,會出現(xiàn)h小于Ha的情況。因此說明井田內F2、F7、F9、F10、F11斷層在開采下組煤層過程中存在奧灰水突水危險。 同時,也不排除落差較小的斷層在礦山采動的影響下也具有突水危險性,在開采過程中應引起重視。 煤層底板是否發(fā)生突水是由多種因素共同影響的結果。綜合研究霍州煤電集團興盛園煤業(yè)有限責任公司井田底板隔水層巖性組合特征、底板隔水層厚度、底板斷層發(fā)育程度、底板水壓分布、含水層富水性及巖溶發(fā)育程度等,進行煤層開采突水危險性評價,對指導興盛園煤業(yè)有限責任公司安全生產、制定防治水措施具有實際意義。4.3 斷層突水危險性評價
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