興盛園煤業(yè)井田突水危險性評價

郭慧蓉

(山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質局，山西 太原 030045)

1 前言

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。

2 項目概況

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。

3 突水影響因素分析

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。

3.1 底板隔水層巖性組合特征

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。

3.2 底板隔水層厚度

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。

3.3 底板斷層發(fā)育程度

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。

3.4 底板水壓分布

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。

3.5 含水層富水性及巖溶發(fā)育程度

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。

4 礦井突水危險性評價

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/m0.1MPa/m)。

4.1 太灰水突水危險性評價

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/m0.1MPa/m)分布在井田東北角，其余地區(qū)均為突水相對安全區(qū)(T<0.06MPa/m)，見圖1。

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/m0.1MPa/m)分布在井田東北角，其余地區(qū)均為突水相對安全區(qū)(T<0.06MPa/m)，見圖2。

圖2 2號煤層底板太灰水突水危險性評價分區(qū)圖

4.2 奧灰水突水危險性評價

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

4.3 斷層突水危險性評價

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。

5 結語

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。