吉寧煤礦奧灰水突水危險性分析

李紅飛 史振鋒

摘要：為了保障煤礦安全生產(chǎn)，分析研究井田奧灰水水文地質(zhì)條件及峰峰組上部巖層隔水性能，對評價帶壓開采意義重大。本文以河?xùn)|煤田南部吉寧井田奧灰水文地質(zhì)勘探工程為基礎(chǔ)，依托奧灰水文補充勘探成果資料，分析了井田10號煤層底板奧陶系灰?guī)r水突水影響因素，預(yù)測奧灰突水量，并評價了奧灰水突水危險性。經(jīng)勘探工程評價后，解放了受奧灰水威脅的10號煤層資源量2811萬噸，對煤炭資源開發(fā)利用有重要意義。

關(guān)鍵詞：奧灰水；相對隔水層；突水系數(shù)

Risk analysis of Water inrush on ordovician limestone groundwater in jining coal mine

LI Hong-fei1， Shi Zhen-feng2

1. Beijing Dadi High-tech Geological Co.， Ltd， Beijing 100040 2. Shanxi Huajin Jining Coal Industry Co.， Ltd.， Xiangning 042100， Shanxi， China

Abstract： In order to ensure the safe production of coal mines， the analysis and research on the hydro-geological conditions of the ash water in the well field and the water barrier performance of the upper rock layers of the Fengfeng Formation are of great significance for the evaluation of pressured mining. Based on the Austrian ash hydrogeological exploration project in the Jining Minefield in the south of the Hedong Coalfield， this paper analyzes the influence factors of Ordovician limestone water inrush from the floor of No. 10 coal seam， and predicts the amount of ash ash outburst. The risk of water inrush from Austrian grey water was evaluated. After the evaluation of the exploration project， the resources of No. 10 coal seam threatened by Austrian gray water were 28.11 million tons， which is of great significance to the development and utilization of coal resources.

Key words： Ordovician limestone groundwater； Relative aquifuge； Water inrush coefficient

1.引言

吉寧井田位于河?xùn)|煤田南緣，區(qū)內(nèi)煤系地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，太原組主要可采煤層為10號煤層，山西組主要可采煤層為2號煤層。煤系地層基底為奧陶系碳酸鹽巖地層，該地層地下水位較高，巖溶裂隙發(fā)育不均一性造成該區(qū)地下水富水性不均一，區(qū)內(nèi)10號煤層開采受奧陶系碳酸鹽巖承壓水影響較大。井田內(nèi)10號煤層資源儲量5785萬噸，受奧灰水嚴(yán)重威脅區(qū)域壓覆的10號煤層資源儲量約3694萬噸，嚴(yán)重制約了10號煤層開采計劃，因此分析研究奧陶系灰?guī)r水文地質(zhì)條件對煤層帶壓開采至關(guān)重要，對解放受奧灰水承壓威脅的煤炭資源意義重大。

2.地質(zhì)概況

吉寧井田位于河?xùn)|煤田南緣，呂梁山隆起之南翼。受北東向構(gòu)造帶影響，井田總體為走向北東、傾向北西的單斜構(gòu)造，在單斜基礎(chǔ)上發(fā)育有次一級寬緩的褶曲構(gòu)造。井田內(nèi)發(fā)育17條落差大于5m的正斷層，暫未發(fā)現(xiàn)巖溶陷落柱和巖漿巖侵入現(xiàn)象。沉積主要地層有奧陶系上馬家溝組和峰峰組、石炭系本溪組和太原組、二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組、第四系。主要可采煤層有2、10號煤層。

3.水文地質(zhì)概況

本區(qū)為禹門口泉域巖溶水系統(tǒng)，該系統(tǒng)位于呂梁山南端龍子祠泉域西南，出露層位為寒武、奧陶系灰?guī)r，巖溶地下水徑流除受地形地貌、地層巖性和含水巖組的埋藏條件影響外，還受地質(zhì)構(gòu)造嚴(yán)格控制，總體上，泉域巖溶地下水自東北向西南徑流，徑流方向與地層大致相反，是典型的“單斜逆置型”巖溶水系統(tǒng)模式。吉寧井田位于禹門口巖溶系統(tǒng)徑流區(qū)，井田巖溶水的賦存運移規(guī)律主要受禹門口區(qū)域巖溶水系統(tǒng)的制約。

井田內(nèi)煤層底板充水水源為奧陶系灰?guī)r含水層水，其富水性弱-中等，但水位埋藏較深，承壓水頭壓力較高，可達(dá)3.5Mpa，嚴(yán)重威脅10號煤層安全開采。

4.突水因素分析

煤層帶壓開采突水危險性相關(guān)因素有含水層富水性、構(gòu)造特征、隔水層特征及隔水底板承受的水壓。隔水層厚度和奧灰水壓共同作用，影響煤層底板發(fā)生非直通式突水，導(dǎo)水構(gòu)造可影響煤層底板發(fā)生直通式突水，而含水層富水性是突水量的表征。

4.1含水層富水性

吉寧井田底板奧陶系峰峰組含水層巖性主要為石灰?guī)r、巖溶裂隙不發(fā)育，單位涌水量0.0006L/s.m～0.00617L/s.m，滲透系數(shù)為0.0013m/d～0.069m/d，為弱富水性，上馬家溝組含水層巖性主要為石灰?guī)r、角礫灰?guī)r、豹皮灰?guī)r，巖溶裂隙較峰峰組發(fā)育，單位涌水量為0.00067L/s.m～0.5117L/s.m，滲透系數(shù)為0.00046m/d～3.2892m/d，為弱-中等富水性，富水性中等區(qū)域主要位于井田西北部。

4.2隔水底板承受的水壓

隔水底板承受的水壓是奧灰水頭高度作用在隔水底板的壓力，井田內(nèi)10號煤層底板帶壓高度為80m～350m，隔水底板承受奧灰水壓為0.99Mpa～3.81Mpa，總體上由井田東南向西南增大。

4.3構(gòu)造特征

吉寧井田斷層較發(fā)育，暫未揭露陷落柱或巖漿巖侵入。斷層均為正斷層，落差5m～90m，傾角大多在70°，井下揭露斷層時均未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水跡象。

4.4隔水層特征

4.4.1煤底板至奧陶系頂隔水層

10號煤層底板隔水層巖性以泥巖、粉、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖及本溪組鋁土質(zhì)泥巖為主，厚度6.63m～34.9m，平均18.38m，泥巖抗壓強度9.77Mpa～15.2Mpa，抗拉強度0.41Mpa～1.34Mpa，砂巖抗壓強度13.0Mpa～98.5Mpa，抗拉強度1.06Mpa～3.8Mpa，局部地段鋁土質(zhì)泥巖因含黃鐵礦豐富抗壓強度可達(dá)88.2Mpa，抗拉強度可達(dá)6.0Mpa。泥巖類柔性巖石具有良好的隔水性能，而砂巖類巖石具有較好的抗壓和抗拉性能，煤層底板隔水層為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖互層沉積，可有效阻隔奧灰水。

4.4.2峰峰組頂部相對隔水層

據(jù)鉆孔巖芯特征、鉆孔涌水情況、擴(kuò)散測井、水文地質(zhì)試驗及鉆孔簡易水文特征綜合分析峰峰組頂部存在相對隔水層，厚度為7.45m～27.2m，平均為14.61m。其依據(jù)有四個方面：

①峰峰組頂部巖芯較完整，巖性以致密、堅硬的灰?guī)r為主，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，溶孔裂隙不發(fā)育，局部有被方解石或泥質(zhì)充填的小裂隙（照片1、照片2分別為JN-S1、JN-S2孔峰峰組上部巖芯攝影），巖石抗壓強度27.8Mpa～84.8Mpa，具備阻水抗壓性能。

②勘探階段28個鉆孔在進(jìn)入峰峰組后泥漿消耗量正常，一般為0.01m3/h～0.08m3/h，局部地段0.1m3/h～0.4m3/h，無較大量漏水情況；補勘時井下JN-S3鉆孔在揭露峰峰組26.48m時開始有涌水跡象，JN-S4鉆孔在揭露峰峰組36m時開始涌水，可說明峰峰組上部幾乎不含水，可視為相對隔水層。

③補勘時施工的JN-S1、JN-S2孔對奧灰地層進(jìn)行擴(kuò)散測井，經(jīng)投鹽后所測得5條曲線與投鹽前所測得靜態(tài)曲線對比，峰峰組上部井液電阻率無明顯變化段，說明此層段無明顯含水層。

④《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（GB12719-91），一般將鉆孔單位涌水量小于0.001L/s.m的巖層可視為隔水層，據(jù)水文鉆孔對峰峰組抽水試驗，單位涌水量0.0006L/s.m～ 0.00617L/s.m，滲透系數(shù)0.0013m/d～0.062m/d，可說明峰峰組地層滲透系較差，富水性極弱，可視為隔水層。

5.奧灰水突水量預(yù)測

礦井在掘進(jìn)或回采時遇導(dǎo)水?dāng)嗔鸦蛳萋渲?，可發(fā)生單點直通突水或隔水巖層承受水壓大于臨界水壓時發(fā)生底板突水，可將巷道穿過的近似垂直斷裂或陷落柱視為垂直含水層的水平井，巷道寬度概化水平井半徑，采用承壓水穩(wěn)定流裘布依公式估算奧灰水突水量。

6.突水危險性評價

突水危險性評價指標(biāo)為底板受構(gòu)造破壞的地段不大于0.06MPa/m，隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞的地段不大于0.1MPa/m。

10號煤層底板相對突水系數(shù)為0.03MPa/m～0.14MPa/m，在Ts≤0.06MPa/m區(qū)（圖中青色區(qū)域）、0.06

通過本次勘探評價后，井田內(nèi)突水系數(shù)大于0.1MPa/m的區(qū)域壓覆10號煤層資源量883萬噸，解放受奧灰水威脅的資源量2811萬噸。

7.結(jié)語

本文通過對吉寧井田奧灰水突水危險相關(guān)因素分析，奧灰含水層富水性總體上為弱-中等，煤層底板隔水巖層交互沉積對阻隔奧灰水極為有利，同時峰峰組上部相對隔水巖層的存在，大大增加了隔水層厚度，有效降低了奧灰水突水幾率，雖然井田斷層較發(fā)育，但斷層多為不導(dǎo)水?dāng)鄬樱傮w上10煤層帶壓開采是可行的。需要注意的是，由于奧灰含水層巖溶發(fā)育不均一性，在今后生產(chǎn)過程中要加強對底板水的探查，同時對導(dǎo)水構(gòu)造的探查研究要予以重視。

參考文獻(xiàn)：

[1]山西華晉吉寧煤業(yè)有限責(zé)任公司奧灰水文地質(zhì)補充勘探報告[R].北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司， 2020.2.

[2]周楊.王坡井田峰峰組頂部巖層隔水性研究[J].煤礦安全， 2018， 49（05）： 43-46.

[3]李建民，張壯路，張瑞璽.趙各莊礦深部帶壓開采評價[J].煤炭學(xué)報， 2005（05）： 8-11.

[4]尹尚先，徐維，尹慧超，曹敏.深部開采底板厚隔水層突水危險性評價方法研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)， 2020， 48（01）： 83-89.