深部礦井奧灰水帶壓開采條件評價(jià)及防治水建議

于 涵，邢 斌，田午子，蘇壯壯

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201;2.唐山開灤林西礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063104)

0 引言

某礦屬華北煤田，主采煤層為石炭-二疊煤層，近年來隨著采掘深度不斷增加，礦井已開拓至十二水平，并預(yù)計(jì)向十三水平延伸。由于華北石炭-二疊系煤田基底奧陶系灰?guī)r發(fā)育強(qiáng)承壓含水層[1]，在礦井轉(zhuǎn)入深部開采后，煤層與奧灰含水層間距不斷縮小，底板隔水層壓力不斷增強(qiáng)，受奧灰水威脅與日俱增[2]。該礦十三水平位于礦井最深部，采掘活動(dòng)造成的煤巖體破裂和應(yīng)力場變化極有可能導(dǎo)致斷層或裂隙與奧灰含水層導(dǎo)通使礦井發(fā)生突水事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。所以極有必要對該礦十三水平及深部奧灰?guī)r溶發(fā)育特征進(jìn)行研究，評價(jià)突水危險(xiǎn)性，并給出相應(yīng)的防治水建議，確保礦井安全生產(chǎn)，降低水害風(fēng)險(xiǎn)，減少不必要的損失。

1 礦井地質(zhì)概況

1.1 礦區(qū)概況

礦區(qū)東北部及井口區(qū)較高，海拔高度+50 m左右，為基巖裸露區(qū)和風(fēng)化殘積坡積區(qū)；西部和西南部較低，海拔高度+30～+40 m，均被第四系松散沉積物掩蓋，屬于山前沖擊平原地貌。南部煤系地層和基底奧灰隱伏露頭，基巖被第四系覆蓋，為基巖裂隙含水層主要補(bǔ)給邊界。礦井采用立井分水平分石門的開拓方式，開采方法為單一走向長壁和傾斜分層走向長壁，采區(qū)前進(jìn)式，工作面后退式采煤法，頂板管理采用垮落法[3]。通風(fēng)和排水系統(tǒng)均較為完善，符合各項(xiàng)規(guī)定要求。

1.2 地層

礦區(qū)地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)，出露及揭露的地層由老到新有：奧陶系中統(tǒng)馬家溝組，石炭系上統(tǒng)唐山組、開平組，二疊系下統(tǒng)趙各莊組、大苗莊組，中統(tǒng)唐家莊組、古冶組，上統(tǒng)洼里組和第四系。含煤巖系形成于石炭、二疊系，基底地層為中奧陶系石灰?guī)r。

1.3 構(gòu)造

區(qū)內(nèi)褶皺，斷裂構(gòu)造發(fā)育。根據(jù)構(gòu)造形態(tài)和井田地質(zhì)資料分析[4]井田劃分四個(gè)構(gòu)造塊段：主向斜端部構(gòu)造塊、某單斜構(gòu)造塊、背斜構(gòu)造塊及向斜構(gòu)造塊。主向斜軸煤(巖)層走向變化大，煤(巖)層傾角5～22°之間，發(fā)育有張扭性斷裂，呈NNW向展布，正斷層、逆斷層交錯(cuò)出現(xiàn)，斷層延伸方向與主向斜軸近似平行，屬同生或伴生斷層；單斜構(gòu)造塊煤(巖)層走向?yàn)镹E55°，傾角16～25°，單斜區(qū)構(gòu)造較簡單，以小斷層為主，落差0.5～5.0 m，大、中型斷層少，F(xiàn)1斷層落差0～70 m，對采區(qū)設(shè)計(jì)和采區(qū)劃分與巷道施工造成很大困難。受F1影響，附近小型斷裂發(fā)育，大部分為正斷層；背斜構(gòu)造塊多為高角度正斷層，多小型地壘、地塹和階梯狀構(gòu)造，以及落差為20 m的斷層組。該區(qū)斷層落差沿走向衰減快，斷層延伸距離小(30～50 m)，因而隱伏性強(qiáng)；向斜構(gòu)造塊南翼巖層由于受擠壓，伴生或派生有逆斷層，交面線方向多與軸線平行，落差在1.0～5.0 m之間。

1.4 含(隔)水層

井田自上而下共有七個(gè)含水層(見表1)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ含水層為礦井直接充水含水層，Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ、Ⅶ含水層為礦井間接充水含水層。

表1 某井田含水層情況

續(xù)表

圖1 井田地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

對于該礦十三水平及深部區(qū)域，奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層為煤系地層之基底，巖溶裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)，水位高，壓力大，對礦井生產(chǎn)活動(dòng)造成較大威脅。

2 奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育特征

2.1 奧灰水補(bǔ)徑排條件

煤系地層下伏奧陶系灰?guī)r含水層，其水壓高、水量豐富、危害大。由于其上部穩(wěn)定發(fā)育中石炭統(tǒng)唐山組粘土巖隔水層，巖性為G層鋁土巖及多層粘土巖、粉砂巖，該隔水層正常情況下阻隔了奧灰含水層向煤系含水層的補(bǔ)給[5]。

根據(jù)勘探資料，受向斜主體構(gòu)造控制，礦井奧灰水位由西北向東南部逐漸升高，在井田東南邊界外出現(xiàn)奧灰露頭。

圖2 奧灰含水層水位等值線圖

受益于臨礦深部水平開采利用四、七水平疏放水基地進(jìn)行疏水降壓，形成了地下水降落漏斗，影響了局部地下水流場，礦井范圍內(nèi)奧灰水位同時(shí)發(fā)生降落，整體水位較低。奧灰水位自東南向西北臨礦一側(cè)不斷降低，且降幅不斷增大，表現(xiàn)為等水位線密集，水力梯度增大。其中井田西北翼ZK7觀測孔水位明顯較低，為-31.57 m。而井田東北部奧灰水位變化不大，淺部奧灰水觀測孔“O2-1”水位降落不明顯，水位為1.84 m。分析原因?yàn)榈V井北部與臨礦邊界處由隱伏構(gòu)造，隔斷了局部水力聯(lián)系，導(dǎo)致井田東北部水位降落不明顯。

圖3 2016～2019年奧灰含水層深部水位標(biāo)高曲線圖(ZK7)

圖4 2016～2019年奧灰含水層淺部水位標(biāo)高曲線圖(O2-1、O2-4)

2.2 奧灰?guī)r性及礦物學(xué)特征

奧陶系石灰?guī)r在礦區(qū)范圍內(nèi)主要包括下統(tǒng)的冶里組及亮甲山組，中統(tǒng)的馬家溝組。

冶里組：上部以層狀豹皮灰?guī)r為主，下部以薄層竹葉狀灰?guī)r為主，底部有厚約0.5 m的同生礫巖，本組溶蝕裂隙發(fā)育。本層下伏寒武系上統(tǒng)薄層灰?guī)r。

亮甲山組：上部為中厚層狀白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r，下部為中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r，溶蝕孔隙和裂隙發(fā)育。

馬家溝組：巖性以中厚至巨厚層狀豹皮灰?guī)r為主，其次為中厚至巨厚層狀同生礫巖和巨厚層狀灰?guī)r，含大量燧石結(jié)核。溶蝕裂隙及溶洞發(fā)育。其上覆地層為厚度10～20 m的古風(fēng)化殼，巖性為鋁土巖或鋁土質(zhì)泥巖，具有隔水性。

2.3 奧灰?guī)r溶發(fā)育規(guī)律

根據(jù)十三水平及附近已有的地面奧灰孔LS5、ZK7、ZK1和O2-1(圖5)繪制地質(zhì)剖面圖(圖6、圖7)可以得出各煤層和奧灰?guī)r相互關(guān)系及埋藏分布趨勢。

圖7 LS5—ZK1—O2-1奧灰孔地質(zhì)剖面圖

圖6 LS5—ZK7—O2-1奧灰孔地質(zhì)剖面圖

圖5 井田十三水平及深部范圍和鉆孔平面位置圖

由剖面圖分析，奧灰?guī)r層的走向趨勢與煤層的走向趨勢基本一致。LS5奧灰孔處，奧灰頂界面標(biāo)高-1469.69 m，ZK7奧灰孔處，奧灰頂界面標(biāo)高-1310.54 m，ZK1奧灰孔處，奧灰頂界面標(biāo)高-1492.53 m，O2-1奧灰孔處，奧灰頂界面標(biāo)高-754.2 m。由剖面圖可以看出，研究區(qū)由西南部向北東部奧灰?guī)r層頂面埋深由深到淺。

3 奧灰水突水危險(xiǎn)性評價(jià)

根據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局《煤礦防治水細(xì)則》(2018)附錄五，奧灰含水層突水系數(shù)計(jì)算如下：

T=P/M

(1)

式中，T為突水系數(shù)，MPa·m-1；P為底板隔水層承受的奧灰水頭壓力，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

根據(jù)LS5、ZK7、ZK1及O2-1鉆孔資料得出奧灰含水層突水系數(shù)，具體見表2～表5。

表2 LS5鉆孔煤層帶壓開采情況

表3 ZK7鉆孔煤層帶壓開采情況

表4 ZK1鉆孔煤層帶壓開采情況

表5 O2-1鉆孔煤層帶壓開采情況

根據(jù)以上數(shù)據(jù)做出12煤突水系數(shù)等值線圖，如圖8所示。

圖8 井田12煤突水系數(shù)等值線圖

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，正常地段突水系數(shù)不大于0.1 MPa·m-1，底板受構(gòu)造破壞段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa·m-1 [6]。由突水系數(shù)等值線圖得出，研究區(qū)內(nèi)12煤僅東北部部分區(qū)域奧灰突水系數(shù)小于0.06 MPa·m-1，其余部分奧灰水突水系數(shù)均大于0.06 MPa·m-1但小于0.1 MPa·m-1，可以得出，研究區(qū)域受奧灰水威脅較大，開采時(shí)需要進(jìn)行構(gòu)造探查與奧灰水治理工作。

4 深部奧灰水防治建議

4.1 奧灰水突水因素分析

根據(jù)華北煤田深部奧灰水有關(guān)研究[7]和現(xiàn)有資料說明，基底奧灰含水層水對礦井十三水平及深部采掘工程構(gòu)成較大威脅，針對林西礦奧灰水突水因素進(jìn)行分析，以便于更好地進(jìn)行構(gòu)造探查和區(qū)域治理工作。

(1) 含水層富水性及水頭

含水層對底板隔水層水壓大小是底板突水的主要原因，富水性決定了突水的危害程度。研究區(qū)奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層作為含煤巖系的基底承壓含水層，水位高、壓力大，屬強(qiáng)富水性含水層，對上覆煤層的安全回采形成了較強(qiáng)的威脅。

(2) 隔水層巖性組合及厚度

底板隔水層阻抗能力大小決定隔水層是否能有效阻隔承壓水導(dǎo)升和導(dǎo)水裂隙擴(kuò)展，在某井田范圍內(nèi)，奧陶系灰?guī)r與12煤之間地層由泥巖、薄層灰?guī)r、砂巖互層組成，正常情況下奧陶系灰?guī)r含水層水對采掘工程不構(gòu)成直接威脅。

(3) 構(gòu)造

井田內(nèi)主要斷層、裂隙等破壞隔水層的完整性，進(jìn)而形成導(dǎo)水通道和儲(chǔ)水空間，使各充水水源進(jìn)入礦井生產(chǎn)通道造成突水事故。研究區(qū)僅有F1斷層為較大不導(dǎo)水?dāng)鄬?，但隨著采掘工程的延伸，斷層承受基底奧灰水壓力將逐漸增加，易導(dǎo)致奧灰水與斷層破碎裂隙導(dǎo)通威脅礦井生產(chǎn)安全，因此淺部不導(dǎo)水?dāng)鄬釉谏畈坑锌赡茉斐赏凰鹿省?/p>

(4) 陷落柱

根據(jù)該礦歷年資料，該礦從建礦至今未發(fā)現(xiàn)陷落柱，此因素對研究區(qū)不具備突水威脅。

4.2 奧灰水防治建議

根據(jù)有關(guān)規(guī)程規(guī)定的相關(guān)要求，結(jié)合礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和防治水工作現(xiàn)狀，該礦防治水工作應(yīng)該遵循“預(yù)測預(yù)報(bào)，有疑必探，先探后掘，先治后采”的基本原則，物探、鉆探、化探技術(shù)相結(jié)合，加強(qiáng)深部水平下部煤層掘進(jìn)巷道及回采工作面的探查治理工作。建議采取以下技術(shù)措施：

(1) 采區(qū)、采面及巷道布置應(yīng)充分考慮構(gòu)造及水文地質(zhì)條件，在臨近構(gòu)造區(qū)域留設(shè)防水煤柱。

(2) 井下延深水平開拓巷道掘進(jìn)前，采用直流電法、瞬變電磁法等超前探測物探方法，對前方的隱伏地質(zhì)構(gòu)造及導(dǎo)(含)水性構(gòu)造等進(jìn)行超前探測和相互印證，并按照井下探放水規(guī)定進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

(3) 工作面掘進(jìn)前，根據(jù)前期綜合勘探成果和采掘?qū)嶋H揭露資料，編制工作面水文地質(zhì)情況分析報(bào)告。

(4) 井下巷道掘進(jìn)前進(jìn)行老空區(qū)積水超前探測，對于影響工作面安全的老空水等水體及探測出來的水文異常區(qū)，按照井下探放水規(guī)定布置鉆孔進(jìn)行探放老空水和鉆探驗(yàn)證。

(5) 回采工作面圈定后，采用坑透等手段探測，并結(jié)合上、下工作面采掘資料及風(fēng)運(yùn)道實(shí)際揭露資料，編制專門水文地質(zhì)情況報(bào)告，對水文地質(zhì)異常情況進(jìn)行及時(shí)治理。

(6) 回采過程中，加強(qiáng)工作面涌水量及水文參數(shù)不間斷連續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處置。

礦井正在向深部延伸，奧灰水威脅日趨明顯，除以上礦井生產(chǎn)過程的技術(shù)措施外，還應(yīng)加強(qiáng)以下方面：

(1) 井田深部奧灰孔數(shù)量較少，補(bǔ)充奧灰水文地質(zhì)勘探，增加抽、放水試驗(yàn)，建立健全地下水文觀測網(wǎng)。

(2) 加強(qiáng)深部陷落柱等構(gòu)造探測，查清斷層陷落柱規(guī)模、性質(zhì)及導(dǎo)(疏)水性、破碎帶影響帶，開展深部開采奧灰突水機(jī)理及預(yù)防研究。

(3) 完善防排水系統(tǒng)，依據(jù)涌水量預(yù)測增設(shè)深部排水泵房。

(4) 加強(qiáng)深部帶壓開采研究，強(qiáng)化防治奧灰突水的綜合技術(shù)措施。

5 結(jié)論

(1) 研究區(qū)屬于深部巖溶水區(qū)域，奧灰具有水位高、壓力大、不均一、強(qiáng)富水、埋深大的特點(diǎn)，西南部向北東部奧灰?guī)r層頂面埋深由深到淺，在井田東南邊界外出現(xiàn)奧灰露頭。

(2) 研究區(qū)12煤僅東北部部分區(qū)域奧灰突水系數(shù)小于0.06 MPa·m-1，其余部分奧灰水突水系數(shù)均大于0.06 MPa·m-1，但小于0.1 MPa·m-1，開采時(shí)需要進(jìn)行構(gòu)造探查與奧灰水治理工作。

(3) 該礦應(yīng)通過補(bǔ)充奧灰水文地質(zhì)勘探、深部構(gòu)造探測、深部帶壓開采研究及完善防排水系統(tǒng)等措施加強(qiáng)深部奧灰水防治工作，確保礦井深部安全帶壓開采。