玉溪煤礦3號煤層奧灰水帶壓開采安全性評價

李海洋

(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048214)

奧灰水突水事故是礦井水害事故中破壞性、突發(fā)性最為嚴重的，往往會造成一系列的井下傷亡事故的發(fā)生，極易引發(fā)巨大的社會不良反響，嚴重制約著礦井安全高效生產(chǎn)的實現(xiàn)。因此，必須先對礦井地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件進行分析，并在此基礎(chǔ)上進一步對礦井奧灰水帶壓開采的安全性進行研究，可為今后礦井帶壓開采的合理規(guī)劃、隱患防治對策提供堅實基礎(chǔ)，從而保證礦井的安全高效生產(chǎn)[1-2]。

1 礦井概況

玉溪煤礦隸屬蘭花集團，地處山西省晉城市沁水縣胡底鄉(xiāng)一帶，井田東西長5.0～6.1 km，南北寬約5.1 km，礦區(qū)面積26.147 km2，產(chǎn)能240萬t/a。礦井采用斜井開拓，布置有主斜井、副斜井及進風立井、回風立井。主要可采煤層為位于山西組的3號煤層，該煤層設(shè)計可采儲量13 526萬t，服務(wù)年限41.7 a?？傮w上，井田地層傾向為東部高、西部低，造就了軸向彎曲次級的寬緩褶曲構(gòu)造形態(tài)。通過地面調(diào)查及兩次地震勘探，在井田內(nèi)地面調(diào)查控制5條褶曲，一盤區(qū)地震勘探解釋13條褶曲，共18條；地面調(diào)查發(fā)現(xiàn)3個陷落柱，一盤區(qū)地震勘探解釋47個陷落柱；井田內(nèi)三維地震解釋37個斷層。礦區(qū)內(nèi)無巖漿巖侵入，屬簡單類型的地質(zhì)構(gòu)造。礦井于2019年建成投產(chǎn)后，首先開采井田南部的一盤區(qū)3號煤層，煤厚5.1～7.2 m,平均5.5 m。

2 3號煤層奧灰水帶壓開采安全評價

3號煤層帶壓開采的安全性受到隔水層條件、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等因素影響，當開采煤層的底板隔水層具有斷裂、陷落柱等薄弱情況時，具有奧灰水從底板突出進入礦井的潛在隱患[3]。

2.1 3號煤層底板隔水層分析

井田內(nèi)，有6個鉆孔揭露奧灰頂界，井田周邊鉆孔2個(1201孔、1203孔)。井田內(nèi)，3號煤層底板隔水層巖柱平均厚度為100.2 m，總體為北部隔水巖柱厚度相對較厚，南部隔水巖柱相對較薄。3號煤層底板隔水巖柱厚度統(tǒng)計，見表1。

表1 3號煤層底板到奧灰水頂面隔水層厚度統(tǒng)計

隔水巖柱地層層位主要為山西組底部(3號煤層底板)、太原組及本溪組。其中，山西組底部(3號煤層底板)：巖性為泥巖或砂質(zhì)泥巖，灰黑色，厚層狀，為半堅硬巖巖類；太原組及本溪組地層，巖性由鋁質(zhì)泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r及煤層等組成，屬軟弱-堅硬巖石。

2.2 3號煤層底板突水條件分析

1) 水壓(P)。在井田范圍內(nèi)，奧灰水水位標高范圍580～605 m，3號煤層底板標高范圍220～450 m，屬帶壓開采。根據(jù)井田內(nèi)施工的鉆孔對奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)、上馬家溝組(O2s)(上部)進行混合抽水試驗結(jié)果表明，其單位涌水量為0.002 2～0.005 6 L/s·m，富水性弱。3號煤層底板隔水層承受的奧灰水水壓2.835～3.625 MPa。

2) 底板擾動破壞帶深度的確定(Cp)。底板突水受采動壓力與底板承壓水共同影響而發(fā)生的。由于掘進和工作面采動，原地應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到打破，使地應(yīng)力再次分布，當?shù)貞?yīng)力達到新平衡時，必然會產(chǎn)生應(yīng)變能，使巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中的底板破壞深度預計經(jīng)驗公式[4]：

Cp=0.008 5H采+0.166 5α+0.107 9L工-4.357 9

(1)

式中：H采表示設(shè)計最大采深，m；α表示煤層傾角，按8°計算；L工表示工作面斜長，據(jù)采掘工程平面圖，取200 m。

將相關(guān)參數(shù)代入公式(1)得出，3號煤層底板破壞深度22.08～24.74 m，平均為23.78 m。

3) 底板采動地下水導升裂隙帶(Hd)。考慮到井田內(nèi)奧灰含水層頂板存在隔水性較好的鋁質(zhì)泥巖，其平均厚度11.27 m，標高范圍551～575 m，而3號煤層底板標高范圍220～450 m，根據(jù)上述計算，3號煤層開采期間的底板破壞深度22.08～24.74 m，平均為23.78 m，因此不會導通裂隙帶，計算突水系數(shù)時，未考慮底板采動地下水導升裂隙帶(Hd)。

4) 有效隔水層厚度。取井田內(nèi)3號煤層底板至峰峰組頂面之間的隔水完整巖層厚度,除去3號煤層底板擾動破壞帶厚度(Cp)和底板采動地下水導升裂隙帶(Hd)后的隔水層厚度，根據(jù)玉溪煤礦地質(zhì)情況計算得出，其有效隔水層平均厚度為67.51 m。太原組及本溪組的鋁土質(zhì)泥巖隔水層，可以有效地阻斷3號煤層與奧灰水之間的水力聯(lián)系。

5) 突水通道。由于斷層和陷落柱抗水壓強度很難預先查明，大斷層明顯減小隔水層厚度，其臨界突水系數(shù)也減小。或巖石破碎，抗壓強度低，隔水層等效厚度變小，隔水性能降低。當完全導水時，等效厚度為零，因此對于井田范圍內(nèi)施工的奧陶系鉆孔，必須在開采時對其留設(shè)防水煤柱。

2.3 突水系數(shù)計算及突水危險性區(qū)帶劃分

根據(jù)《煤礦防治水細則》附錄公式，對3號煤層突水系數(shù)進行計算[5]。

(2)

式中：P表示底板隔水層承受的水頭壓力，MPa，P=(H-h)×0.009 8；H表示奧灰?guī)r溶水壓標高，m；h表示奧灰頂面標高，m；M表示底板隔水層的厚度，m。

將井田內(nèi)鉆孔資料代入公式(2)，3號煤層的突水系數(shù)在0.028～0.050 MPa/m的范圍之內(nèi)。根據(jù)《煤礦防治水細則》，井田內(nèi)3號煤層開采屬于相對安全區(qū)，一般不會造成底板奧灰突水，可對其進行帶壓開采。然而在井田范圍具有隱伏導水的斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的可能性，為排除奧灰水突水隱患、實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)，必須加強對構(gòu)造導水性的探測工作，對構(gòu)造破壞地段應(yīng)留設(shè)防隔水煤柱。

3 3號煤層奧灰水突水量預測

根據(jù)上述結(jié)論分析，3號煤層帶壓開采相對安全，但是不排除隱伏導水構(gòu)造引起突水的因素。因此，3號煤層奧灰水突水量按照工作面回采中遇導水斷層時單點突水情況進行計算，將水平掘進的坑道穿過垂直或近于垂直的充水斷裂視為垂直含水層中的水平井，利用以達西定律為基礎(chǔ)的承壓水穩(wěn)定流解析法計算公式，對其涌水量進行計算[6]：

(3)

式中：S表示水平井降深,m；M表示含水層厚度,m；K表示滲透系數(shù),m/d；r0表示水平井半徑,m;亦即開拓巷道的半徑,m；L表示水平井距底部補給邊界的距離,即巷道底板距奧灰頂板的距離,m。

將井田內(nèi)鉆孔資料代入公式(3)，預測3號煤層奧灰水突水量為13.19 m3/h。在井田東部范圍內(nèi)，通過三維地震顯示存在陷落柱，說明該地段具有巖溶發(fā)育構(gòu)造，局部存在富水情況。由于奧灰?guī)r溶水分布不均勻，若遇富水地段，其突水量應(yīng)遠大于預測水量，生產(chǎn)中應(yīng)引起注意。

4 結(jié) 語

在對玉溪煤礦地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，從隔水巖柱、突水條件等方面，對3號煤層奧灰水帶壓開采安全評價，并計算分析3號煤層的突水系數(shù)并預測突水量。井田內(nèi)3號煤層開采屬于相對安全區(qū)，一般不會造成底板奧灰突水，可對其進行帶壓開采。然而在井田范圍具有隱伏導水的斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的可能性，為排除奧灰水突水隱患、實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)，必須加強對構(gòu)造導水性的探測工作，對構(gòu)造破壞地段應(yīng)留設(shè)防隔水煤柱。