磁窯溝煤礦奧灰水對13號煤層開采的影響分析

郝 永 艷

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，山西 太原 030006)

奧灰承壓水對太原組煤層的開采存在一定威脅，是山西煤礦大部分突水事故的主要補給水源，因此對煤礦有必要對奧灰承壓水的影響進行分析，進而采取相應措施，確保安全開采。磁窯溝煤礦奧陶系灰?guī)r發(fā)育，13號煤層底板存在奧灰承壓水的威脅，現(xiàn)從隔水層、富水性、突水系數(shù)等方面分析奧灰承壓水對13號煤層開采的影響。

1 工程概況

磁窯溝煤礦位于山西省河曲縣城東南方向的磁窯溝村一帶，西距黃河6.5 km，井田屬黃河流域黃河東岸支流，井田內(nèi)地表無常年性河流和水體分布，只發(fā)育季節(jié)性沖溝。采煤方法為走向長壁式，采煤工藝為綜采，一次采全高，自然垮落法管理頂板，工作面采用液壓支架支護頂板。13號煤層所在的二水平平井下排水系統(tǒng)尚未建成，13號煤層底板標高800 m～1 010 m，奧灰水位標高為848 m～855 m，屬局部帶壓開采。

2 井田地質(zhì)

井田位于河東煤田北部普查區(qū)內(nèi)，地表大部被第四系松散層覆蓋。井田內(nèi)地層由老至新為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2s)、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)、二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)、新近系上新統(tǒng)(N2)、第四系中、上更新統(tǒng)(Q2+3)。主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)，厚度76.65 m～116.25 m，平均厚度100.47 m?？刹捎?0-1，10-2，11，13-1，13號煤層，其余為不可采煤層，13號煤層位于太原組下部，厚2.90 m～19.10 m，平均11.50 m，在井田北部、東部有分層現(xiàn)象，該煤層在井田東部有少許剝蝕區(qū)。頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細砂巖；底板為泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖。

井田位于河保偏礦區(qū)中東部，華北板塊鄂爾多斯板內(nèi)拗陷帶保德—臨縣南北向塊凹的最北端。井田總體形態(tài)為一走向近南北向，傾向向西的單斜構(gòu)造，并伴有寬緩的褶曲，地層傾角1°～9°，較為平緩。井田內(nèi)斷層不發(fā)育，緩波狀褶皺，對煤層厚度變化無大的影響，未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入現(xiàn)象及陷落柱，井田地質(zhì)構(gòu)造復雜程度屬簡單類。

3 隔水層分析

3.1 巖性特征

13號煤層隔水層從上到下描述如下：

1)13號煤層底板到本溪組頂板，以粘土巖為主，平均厚11.95 m；

2)石炭系中統(tǒng)本溪組地層，以泥巖、粘土巖、鐵鋁巖為主的地層，夾簿層灰?guī)r和砂巖，砂巖一般為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，隔水性很好，根據(jù)鉆孔資料，本溪組地層厚度24.80 m～51.20 m，平均39.15 m，兩段地層合計平均厚度51.10 m。

3.2 隔水巖柱厚度

根據(jù)揭露至奧陶系10個鉆孔資料，13號煤層底板隔水巖柱厚度在井田西部補3號,HZK6-1,ZK23,ZK18,補13鉆孔附近相對較薄，為32.25 m～44.1 m，最薄處位于西部HZK6-1號鉆孔附近，厚度為32.25 m；南部ZK7為35.1 m、東北部補1號為39.2 m，相對較??；在井田中部補4、補10號鉆孔及井田東部補2號鉆孔附近相對較厚，最厚處位于井田東部補2號鉆孔附近，厚度為78.03 m。整體13號煤層底板隔水巖柱厚度在井田北部，西部，南部較薄，中部最厚。

3.3 力學性質(zhì)及隔水能力

隔水層底板抗壓強度及隔水能力與地層組合有很大關系。井田內(nèi)13號煤層底板至奧灰頂板巖層組合為粉砂巖、泥巖、煤、泥巖、煤、泥巖、石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r、泥巖、細粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖、泥巖。分析補3號和ZK23號孔鉆孔資料，補3號孔揭露13號煤層底板砂質(zhì)泥巖、泥巖厚度20.35 m，占60%；其次為砂巖、石灰?guī)r厚度13.45 m，占40%；軟巖與硬巖比值系數(shù)約為1.5∶1；ZK23號孔揭露13號煤層底板泥巖、鈣質(zhì)泥巖厚度18.07 m，占54%；其次為砂巖厚度15.55 m，占46%；軟巖與硬巖比值系數(shù)約為1.16∶1，這種互層狀的軟、硬巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)對提高底板的抗壓強度及隔水能力比較有利。13號煤層至奧灰頂板巖層厚度見表1,表2。

表1 補3號孔13號煤層底板至奧灰頂板巖層厚度 m

表2 ZK23號孔13號煤層底板至奧灰頂板巖層厚度 m

從上述地層組合結(jié)構(gòu)分析，井田內(nèi)柔性的泥巖類與砂巖、灰?guī)r所組成的相互疊置組合結(jié)構(gòu)，有效地限制了砂巖與薄層灰?guī)r的垂直裂隙發(fā)育，同時在無地質(zhì)構(gòu)造裂隙及采動裂隙相溝通的情況下，一般具有很好的抵抗奧灰水突水能力。

4 富水性分析及涌水量預測

4.1 富水性分析

奧陶系灰?guī)r在井田范圍內(nèi)全部埋藏于石炭系、二疊系地層之下。該地層井田內(nèi)無出露，東界外溝谷中出露，其頂部為厚層石灰?guī)r，中下部為褐黃色白云質(zhì)石灰?guī)r，薄層石灰?guī)r，厚度大于167 m，含水層為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組地層。

根據(jù)SI4供水井，抽水試驗資料表明，原始靜水位標高856.86 m，單位涌水量2.19 L/(s·m)，含水層富水性強；根據(jù)工業(yè)廣場供水井，抽水試驗資料表明，原始靜水位標高856.1 m，單位涌水量為10.55 L/(s·m)，為極強富水性含水層；根據(jù)補3號孔，抽水試驗資料表明，原始靜水位標高848.41 m，單位涌水量為0.284 L/(s·m)，富水性中等(見表3)。根據(jù)上述資料，井田內(nèi)奧灰水富水性中等～極強，富水性存在不均一性。

表3 奧陶系灰?guī)r抽水試驗資料統(tǒng)計表

4.2 涌水量預測

間接底板巖溶水突水量預測的前提是巷道及工作面在推進過程中，遇斷層時可能發(fā)生單點突水，或隔水層厚度、水壓值超過臨界值時，底板發(fā)生突水。

根據(jù)水文地質(zhì)條件，礦井奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組突(涌)水量的預測采用地下水動力學解析法、承壓完整井的穩(wěn)定流計算公式：

其中，Q為奧灰疏降水量，m3/d；K為滲透系數(shù),m/d；M為含水層(或出水段)的厚度,m；S為疏水降壓設計降深，m；R為含水層引用補給半徑，m，R=r0+10×S√K；r0為引用半徑，m。

依據(jù)公式，預測奧灰水突水量采用數(shù)據(jù)及預測結(jié)果見表4。

由計算結(jié)果可以得出，13號煤層一個橫截斷面半徑為2.3 m導水通道，奧灰含水層的突水量可達63.61 m3/h。

表4 奧灰突水量計算成果表

奧灰含水層的突水量是根據(jù)補3號孔的抽水試驗資料計算出的，但是由于磁窯溝煤礦奧灰含水層富水性存在不均一性，該計算結(jié)果不能代表整個帶壓區(qū)域，設計排水能力時要考慮這一點，應適當增加安全系數(shù)滿足排水要求，合理配置采區(qū)和工作面排水能力，確保安全生產(chǎn)。

5 突水系數(shù)法分析

5.1 突水系數(shù)的計算

1)突水系數(shù)計算公式選取。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》突水系數(shù)采用以下公式進行計算。

其中，T為突水系數(shù)，MPa/m；P為隔水層承受的水壓力，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

2)有關計算參數(shù)的選取。

a.底板隔水層厚度(M)。

隔水層厚度是指主采煤層底板至奧灰含水層頂面之間的有效隔水巖層總厚度，即：

M=H煤-h。

其中，H煤為煤層底板標高，m；h為奧灰頂面標高，m。

b.底板隔水層承受的水頭壓力(P)。

威脅煤層開采的底板水源主要來自奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水。在確定水頭壓力時，采用奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水的水位標高減去相應的奧陶系頂面標高值作為煤層底板承受的奧灰水壓力。

P=(H-h)×0.009 8。

其中，H為奧灰?guī)r溶水位標高，m；h為奧灰頂面標高，m。

3)奧灰突水系數(shù)的計算。

根據(jù)突水系數(shù)計算公式計算13號煤層突水系數(shù)，結(jié)果見表5。

表5 煤層底板奧灰突水系數(shù)計算表

5.2 帶壓開采分區(qū)

根據(jù)前述礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育特征，本礦構(gòu)造屬簡單類型。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄四中“底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段不大于0.1 MPa/m”的規(guī)定，結(jié)合礦井斷裂發(fā)育程度，磁窯溝煤礦構(gòu)造屬簡單類型，本次13號煤層奧灰水帶壓開采分區(qū)采用當突水系數(shù)小于0.06 MPa/m時，為帶壓開采相對安全區(qū)(Ⅰ)，該區(qū)段帶壓水頭較小，發(fā)生突水的可能性較??；當突水系數(shù)不小于0.06 MPa/m同時小于0.10 MPa/m時，為帶壓開采過渡區(qū)(Ⅱ)，該區(qū)段在無斷裂構(gòu)造發(fā)育的情況下，一般不會發(fā)生底板突水事故，但在構(gòu)造破壞地段則存在突水危險性；當突水系數(shù)不小于0.1 MPa/m時，為帶壓開采危險區(qū)(Ⅲ)，易發(fā)生底板突水事故。

13號煤層底板標高小于854 m的范圍屬于帶壓開采相對安全區(qū)(Ⅰ)，有一個水文孔在帶壓區(qū)內(nèi)(補3)，突水系數(shù)0.011 MPa/m～0.025 MPa/m，小于0.06 MPa/m，帶壓區(qū)面積為1.908 km2。磁窯溝煤礦地質(zhì)構(gòu)造簡單，在未受構(gòu)造破壞正常塊段奧灰?guī)r溶水突水可能性小，13號煤層可在加強防治水工作的前提下進行帶壓開采。

6 結(jié)論與建議

磁窯溝煤礦13號煤層在井田西部存在奧灰水帶壓開采，底板力學性質(zhì)和隔水性能較好，突水可能性較小。但今后要做好隱伏構(gòu)造的探測工作；13煤層在采掘至斷層附近一定要對斷層的導水性進行探測驗證，并根據(jù)結(jié)果采取注漿或合理留設保護煤柱；加強井下突(涌)水樣的采集工作以及礦井奧灰水文觀測孔的水位、流量、水溫、水質(zhì)進行實時監(jiān)測；在帶壓區(qū)內(nèi)的補3號水文孔及見奧灰的鉆孔附近開采時，應加強探測，并且留設足夠?qū)挾鹊谋０裁褐蛘哌M行封堵。