張嘉耀

(山西寧武榆樹坡煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700)

1 井田奧灰?guī)r溶水概況

榆樹坡煤業(yè)有限公司位于寧武縣城東北約2km處，井田地下巖溶水屬神頭泉域，神頭巖溶泉域水文地質(zhì)單元內(nèi)各含水層地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件主要受地形地貌、巖性、構(gòu)造控制。根據(jù)水文地質(zhì)鉆孔)(TS1、TS2、TS3)揭露奧灰上馬家溝組含水層的水位為1094.148～1096.56m。

2 奧灰含水層富水性分析

本礦井下施工的三個(gè)水文孔揭露奧灰上馬家溝組含水層厚度36m～39.5m，平均38m。根據(jù)鉆探資料，上馬家溝含水層巖性是以深灰色中厚層狀灰?guī)r為主，隱晶質(zhì)泥晶或微晶結(jié)構(gòu)，角礫狀構(gòu)造，巖石致密、堅(jiān)硬，礦物成分以方解石為主，次為白云石，微含泥質(zhì)。據(jù)觀察，灰?guī)r含水層的巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙即溶隙為主，三個(gè)鉆孔巖溶發(fā)育均比較弱。

奧陶系灰?guī)r含水層在本井田西部、南部、東部都有大面積出露，本礦處于巖溶地下水的徑流區(qū)，靠近補(bǔ)給區(qū)，巖溶地下水的補(bǔ)給與賦存條件較好，徑流條件通暢，地下水交替作用較好。據(jù)簡(jiǎn)鉆探過(guò)程中簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)資料，各孔在鉆進(jìn)過(guò)程中沖洗液均未出現(xiàn)明顯消耗，皆為鉆進(jìn)自然消耗。雖為清水鉆進(jìn)，但鉆孔水位也未出現(xiàn)明顯的變化。鉆進(jìn)過(guò)程中，也未發(fā)現(xiàn)溶洞、大裂隙、地層坍塌、掉塊等重要水文地質(zhì)現(xiàn)象。

井下施工的三個(gè)水文孔在5號(hào)煤隔水層中鉆進(jìn)時(shí)，基本未發(fā)生涌水現(xiàn)象，說(shuō)明5號(hào)煤底板隔水層中砂巖含水層富水性極弱。但在接近奧灰含水層前2-5m時(shí)，鉆孔發(fā)生涌水現(xiàn)象，開始水壓均比較小，隨著深度增大，水壓逐步增大，終孔時(shí)才出現(xiàn)穩(wěn)定的奧灰水壓，而不是在揭露奧灰含水層后立刻顯示奧灰水位。由此說(shuō)明三個(gè)鉆孔中巖溶裂隙發(fā)育較弱，徑流不太通暢。

3 5號(hào)煤首采工作面奧灰涌水量計(jì)算

礦井突水量通常要經(jīng)歷由小到大(在礦壓和水壓共同作用下擴(kuò)大突水口)→由大到小(擬穩(wěn)定)→穩(wěn)定(水量最小)的典型過(guò)程。僅有極個(gè)別例子是在擬穩(wěn)定階段中突水量驟然增大，這是高水壓差下補(bǔ)給通道條件發(fā)生變化所致。因此，采用“大井法”計(jì)算穩(wěn)定流狀態(tài)下奧灰含水層水位降到一定安全水頭時(shí)的涌水量。

5105工作面標(biāo)高+985～+1100m，工作面長(zhǎng)1500m，寬177m。奧灰含水層水位為+1096.56m。本文計(jì)算當(dāng)奧灰水位降到+985m時(shí)的涌水量。

選用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓完整井涌水量公式計(jì)算疏降水量：

式中：

K—滲透系數(shù)，m/d；平均值0.32

h—水頭高度，m；

H—水柱高度，m；

動(dòng)態(tài)密碼生成算法采用TOTP（Time-Based One-Time Password Algorithm）算法[11]，TOTP算法是在HOTP（An HMAC-Based One-Time Password Algorithm）算法的基礎(chǔ)上得來(lái)的，HOTP算法表達(dá)式為：

M—含水層厚度，m；取80m；

r0—影響半徑，m

R—引用影響半徑，m；

S—水位降深，m；

F—先期開采地段面積，km2。

表1 不同疏降水平礦井疏降水量計(jì)算表

4 下組煤底板隔水層阻水性能分析

4.1 隔水層厚度及巖性

榆樹坡煤業(yè)井下施工的3個(gè)井下水文孔中TS1孔自2號(hào)煤頂板開孔，TS2和TS3孔自5號(hào)煤開孔。揭露5號(hào)煤隔水層厚度36～39.5m，平均38m。進(jìn)入奧灰含水層50m。隔水層巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖、鋁土泥巖、泥灰?guī)r，大多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、中砂巖互層，含1-2層薄層灰?guī)r或者泥灰?guī)r。其中TS3鉆孔巖芯局部層位比較破碎，構(gòu)造裂隙發(fā)育。

表2 井下水文孔統(tǒng)計(jì)表

5號(hào)煤層回采過(guò)程中，對(duì)煤層底板會(huì)產(chǎn)生一定程度的破壞，破壞深度的大小對(duì)帶壓開采有一定的影響。如果破裂深度與底部奧灰導(dǎo)升帶溝通，則可能會(huì)導(dǎo)致底板突水。利用理論公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 底板破裂深度計(jì)算表

上述4個(gè)公式均為統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算結(jié)果平均值為19.12m，最大值為19.38m。計(jì)算底板破壞深度由于參照的計(jì)算公式不同，其結(jié)果存在一定的差異。5號(hào)煤底板隔水層厚度平均38m，奧灰水導(dǎo)升實(shí)測(cè)2-5m，根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，底板破壞深度沒有直接溝通奧灰水。但是建議今后具備條件時(shí)，對(duì)底板破裂深度進(jìn)行實(shí)測(cè)。

4.3 阻水能力評(píng)價(jià)

榆樹坡煤業(yè)目前共有6個(gè)鉆孔進(jìn)入奧陶系地層，2007年施工的S801、S201號(hào)鉆孔(S201號(hào)鉆孔位于井田北部邊界外)，2010年施工的補(bǔ)1號(hào)鉆孔以及本次探查項(xiàng)目施工的TS1、TS2和TS3號(hào)鉆孔。就隔水層巖層分布和巖性而言，5號(hào)煤底板至奧灰頂面巖層主要包括太原組、本溪組，巖性主要由砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、灰?guī)r和鋁土泥巖及薄煤層組成。其中本溪組砂質(zhì)泥巖隔水層具有良好的隔水性能，為煤層的主要隔水層。

5號(hào)煤層底板至奧灰含水層頂板隔水層各種巖層所占比例如圖1所示：泥巖類巖層平均占隔水層總厚度的36.4%、砂巖類巖層占54.2%、灰?guī)r類巖層占5.6%、其他巖類占3.9%。榆樹坡煤礦5號(hào)煤底板隔水層屬于砂泥巖復(fù)合型，抗水壓能力和隔水能力中等。

圖1 5號(hào)煤層底板隔水層巖性比例圖

5 5號(hào)煤帶壓開采安全性評(píng)價(jià)

5.1 突水系數(shù)評(píng)價(jià)

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，在構(gòu)造發(fā)育地段臨界突水系數(shù)值為0.06 MPa/m；在正常地段臨界突水系數(shù)值為0.1 MPa/m。由于本區(qū)構(gòu)造發(fā)育，為安全考慮，取臨界突水系數(shù)0.06MPa/m，對(duì)井田內(nèi)太原組5#煤層的突水系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

其中：

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，m。

根據(jù)鉆孔資料，下表計(jì)算出了本次施工的三個(gè)水文孔的突水系數(shù)。

表4 水文孔突水系數(shù)計(jì)算表

從表4的計(jì)算結(jié)果看，突水系數(shù)均小于臨界值0.06MPa/m，帶壓開采安全性較高。

根據(jù)礦井5號(hào)煤采掘工程平面圖，礦井5號(hào)煤采掘最低標(biāo)高為西北角+700m，礦井5號(hào)煤隔水層平均值38.17m，則突水系數(shù)最大值為0.112 MPa/m。礦井5號(hào)煤底板+901m以深區(qū)域突水系數(shù)大于臨界值0.06 MPa/m，為帶壓開采危險(xiǎn)區(qū)。煤層底板+901m～+1096m突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，為帶壓開采相對(duì)安全區(qū)。

5.2 帶壓開采可行性、安全性綜合評(píng)價(jià)

榆樹坡煤礦太原組5號(hào)煤層西部大部分區(qū)域受到奧灰水威脅，煤層底板標(biāo)高最低+700m，最高處為+1200m，奧陶系灰?guī)r含水層水位標(biāo)高+1096.56m。礦井5號(hào)煤采掘最低標(biāo)高為西北角+700m，礦井5號(hào)煤隔水層平均值38.17m，則突水系數(shù)最大值為0.112 MPa/m。礦井5號(hào)煤底板+901m以深區(qū)域突水系數(shù)大于臨界值0.06 MPa/m，為帶壓開采危險(xiǎn)區(qū)。煤層底板+901m～+1096m突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，為帶壓開采相對(duì)安全區(qū)。首采工作面5105工作面底板標(biāo)高+980～+1100m，突水系數(shù)最大0.04 MPa/m，帶壓開采相對(duì)安全。

6 結(jié)論及建議

建議本礦5號(hào)煤先期開采+900m水平以上區(qū)域，在帶壓區(qū)開采區(qū)掘進(jìn)和回采前，必須查清隱伏導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育情況，堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原則。