山西古交屯蘭煤礦8號(hào)煤層帶壓開采評(píng)價(jià)

盧澤雨，杜貝貝，喬明昭，費(fèi)光燦

(中煤地華盛水文地質(zhì)勘察有限公司山西分公司，太原 030000)

0 引言

山西是我國(guó)煤炭大省，開采由來(lái)已久。作為我國(guó)重要能源基地，為我國(guó)的生產(chǎn)生活提供了豐富的能源，對(duì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的意義[1]。隨著礦井開采深度的不斷增加以及下組煤的大規(guī)模開發(fā)，煤層開采受煤系基底奧灰承壓突水威脅程度大幅增加。

西山煤電集團(tuán)公司在研究古交礦區(qū)下組煤的開采過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，下組煤的開采受中奧陶系灰?guī)r含水層的威脅，并認(rèn)為奧陶系中統(tǒng)峰峰組是下組煤帶壓開采的直接充水含水層，存在嚴(yán)重的帶壓開采問(wèn)題[2]。因此，分析井田內(nèi)導(dǎo)水通道、斷層褶曲等水文地質(zhì)特征、含隔水層分布規(guī)律及地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件等方面進(jìn)行礦井帶壓開采可行性分析就顯得尤為關(guān)鍵，這也為保證礦井安全生產(chǎn)起著舉足輕重的作用[3]。

1 煤礦地質(zhì)及水文地質(zhì)

煤礦位于太原地區(qū)古交市西南，地勢(shì)西南高東北低，地層總體上為向西南傾伏的單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)河流有屯蘭河、原平河、大川河，其中大川河由西南或南向北東匯入汾河。本區(qū)含水層主要為第四系全新統(tǒng)砂礫含水巖組、石盒子組砂巖裂隙含水巖組、山西組砂巖裂隙含水巖組、太原組砂巖夾薄層灰?guī)r裂隙含水巖組及奧陶系石灰?guī)r巖溶含水巖組。其中，對(duì)8號(hào)煤帶壓開采影響最大的是奧陶系石灰?guī)r巖溶含水巖組，是井田的間接充水含水層，主要有奧陶系中統(tǒng)峰峰組和上馬家溝組。敘述如下：

1)奧陶系中統(tǒng)峰峰組巖溶裂隙含水巖組。本組平行不整合于本溪組之下，厚110.90～159.00m，平均123.66m，分為上、下兩段。下段為角礫狀泥灰?guī)r、灰?guī)r及石膏，由于泥質(zhì)含量高，巖溶裂隙不發(fā)育；上段為本區(qū)奧陶系第一含水層，主要由石灰?guī)r、泥灰?guī)r組成，厚45m左右。本組鉆孔涉及范圍水位標(biāo)高880.90～1 026.84m，單位涌水量0.000 26～0.938L/(s·m)，滲透系數(shù)0.019～1.664m/d，為弱—中等富水性含水層。水化學(xué)類型為SO4—Ca·Mg型，礦化度802～2 438mg/L，水溫14～24℃，pH值7.35～8.1，富水性極不均一，一般區(qū)域峰峰組屬弱富水，在蓄水構(gòu)造內(nèi)，地下水的補(bǔ)給條件好，可以達(dá)到中等富水。

2)奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組巖溶裂隙含水巖組。本組平均厚度218.16m，分為上、中、下三段。下段為角礫狀泥灰?guī)r、石灰?guī)r夾薄層石膏，厚50m左右，巖溶裂隙不發(fā)育，富水性弱，為相對(duì)隔水層；中段主要為豹皮狀厚層石灰?guī)r夾薄層白云質(zhì)灰?guī)r，平均厚88.3m，巖溶裂隙發(fā)育，富水性較強(qiáng)；上段主要為石灰?guī)r夾薄層泥灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r，平均64.17m，巖溶裂隙發(fā)育，大部分鉆孔揭露該層時(shí)均出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，水位急劇下降，是該組主要含水層段，富水性強(qiáng)。

該井田面積為64.490 2km2，開采標(biāo)高540～950m，目前主采2、8號(hào)煤層，實(shí)際生產(chǎn)能力保持在303萬(wàn)t左右。

2 煤礦帶壓情況分析

2.1 8號(hào)煤層底板隔水層

8號(hào)煤層底板隔水層厚度在69.25m(426號(hào)孔)～120.0m(XST—T51號(hào)孔)，平均厚度92.91m。頭南峁斷層以北，有一走向NNW—SSE向的條帶，寬度1 000～1 700m，底板隔水層厚度最大，厚度≥100m；土地溝斷層和王芝茂斷層中段的大片區(qū)域煤層底板隔水層偏厚，厚度大于100m。根據(jù)《山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭煤礦奧灰水帶壓開采評(píng)價(jià)及防治水設(shè)計(jì)報(bào)告》，井田東部、北東部和西南部局部隔水層厚度較小，厚度小于80m[4](表1)。

表1 8號(hào)煤層底板隔水層厚度統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of coal No.8 floor aquifuge thicknesses m

2.2 采動(dòng)破壞分析

由于開拓和采動(dòng)，原來(lái)的地應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，地應(yīng)力重新分布。在地應(yīng)力達(dá)到新的平衡狀態(tài)時(shí)，必然有應(yīng)變能釋放，會(huì)使巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。采區(qū)頂板壓力通過(guò)四幫傳遞給隔水底板，引起底鼓破壞，對(duì)煤層底板突水起著觸發(fā)及誘導(dǎo)的作用[5-6]。

在考慮開采深度、巖層傾角和工作面斜長(zhǎng)時(shí)，可采取統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算出8號(hào)煤底板破壞深度(表2)。

表2 8號(hào)煤底板采動(dòng)破壞帶深度計(jì)算成果Table 2 Computed result of coal No.8 floor mining destruction zone depths m

計(jì)算公式：

h1=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9

(1)

式中：h1—煤層底板破壞深度，m；

H—開采深度，m；

α—煤層傾角，(°)，

L—工作面斜長(zhǎng)，m。

由表2可知：

1)在各煤層相同埋深的情況下，工作面斜長(zhǎng)越大，底板破壞深度越大。

2)在同一工作面斜長(zhǎng)的情況下，隨著埋深的增加，底板破壞深度增加幅度不大。

3)不同煤層只要在煤層埋藏深度和工作面斜長(zhǎng)相等的情況下，采動(dòng)造成的底板破壞深度一致。

以上說(shuō)明開采工作面斜長(zhǎng)對(duì)煤層底板破壞帶深度起主要作用。

3 奧灰水帶壓開采評(píng)價(jià)

“五圖—雙系數(shù)法”是一種帶壓開采工作面評(píng)價(jià)的方法。該方法用于采煤工作面評(píng)價(jià)時(shí)涉及許多細(xì)致的工作內(nèi)容，其中最重要的是圍繞“五圖”、“雙系數(shù)”和“三級(jí)判別”來(lái)進(jìn)行。其中，“三級(jí)判別”是與“雙系數(shù)”配合用來(lái)判別突水與否、突水形式和突水量變化的三個(gè)指標(biāo)：Ⅰ級(jí)判別，是判別工作面必然發(fā)生直通式突水的指標(biāo)；Ⅱ級(jí)判別，是判別工作面發(fā)生非直通式突水可能性及其突水形式的指標(biāo)；Ⅲ級(jí)判別，是判別已被Ⅱ級(jí)判別定為突水工作面其突水量變化狀況的指標(biāo)。

3.1 底板保護(hù)層破壞深度等值線圖

屯蘭礦各鉆孔處8號(hào)煤層底板埋深在133.75～777.59m，采用《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》中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算8號(hào)煤層“導(dǎo)水破壞深度”發(fā)育高度21.07～26.55m，平均23.57m(圖1)。隨著8號(hào)煤由井田北東向南西方向埋深逐漸增大，底板導(dǎo)水破壞深度也逐漸增大。

圖1 8號(hào)煤底板保護(hù)層破壞深度等值線Figure 1 Isogram of coal No.8 floor protective layer destruction depths

3.2 底板奧灰水水頭高度等值線圖

隨著8號(hào)煤在井田范圍內(nèi)從東北向西南，東北隨著深度的增加，水頭值也逐漸增加，北部井田邊界處水位高度為120m，至井田南部增至340m(圖2)。

圖2 8煤底板奧灰水水頭高度等值線Figure 2 Isogram of coal No.8 floor Ordovician limestone water heads

3.3 有效保護(hù)層厚度等值線圖

據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的“導(dǎo)水破壞深度”發(fā)育高度21.07～26.55m，平均23.57m。據(jù)此計(jì)算出的“有效保護(hù)層”厚度在46.29～137.42 m，總體上西南部厚度較大，向東北逐漸變薄(圖3)。

圖3 有效保護(hù)層厚度等值線Figure 3 Isogram of effective protective layer thicknesses

3.4 帶壓開采評(píng)價(jià)圖

井田內(nèi)8號(hào)煤層“帶壓系數(shù)”在0.013～0.05MPa/m，“突水系數(shù)”在0.017～0.075MPa/m。對(duì)比“三級(jí)判別”是與雙系數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本井田沒有Ⅰ級(jí)評(píng)價(jià)范疇。故將井田分為Ⅱ、Ⅲ級(jí)評(píng)價(jià)區(qū)域(圖4)。

圖4 8號(hào)煤帶壓開采評(píng)價(jià)Figure 4 Coal No.8 mining under aquifer safe water pressure assessment diagram

由圖4可以觀察到：井田絕大部分區(qū)域，即自北向南至T37孔和440孔一帶，8號(hào)煤層煤層埋深575～708m的正常地帶范圍，“雙系數(shù)”均小于0.06MPa/m，屬Ⅲ級(jí)評(píng)價(jià)的范疇。該區(qū)段底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶深度較大21.07～26.55m，有效保護(hù)層厚46.29～137.42m，底板隔水層承受的水壓值1.169～4.243MPa，突水危險(xiǎn)性較小。在井田西南部邊界一帶，即T37孔以南，煤層埋深大于708m的范圍，“帶壓系數(shù)”小于0.06MPa/m，而“突水系數(shù)”大于0.06MPa/m，屬Ⅱ級(jí)評(píng)價(jià)的范疇，此區(qū)段底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶深度24.86～26.28m，有效保護(hù)層厚53.35～62.75m，底板隔水層承受的水壓值3.993～4.243MPa。

4 結(jié)論

1)井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高為830～918.75m，可采煤層全部屬帶壓開采。奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層為煤層底板充水的主要含水層，富水性極不均一，峰峰組上段為本區(qū)奧陶系第一含水層，厚40m左右，單位涌水量0.003 6～0.733 9L/(s·m)(GS-15號(hào)孔)，富水性弱—中等，本層是奧灰突水的主要水源。

2)奧陶系灰?guī)r對(duì)8號(hào)煤的突水危險(xiǎn)性，計(jì)算得出未來(lái)主采的8號(hào)煤掘進(jìn)時(shí)的安全隔水層厚度和安全水壓。

3)采用突水系數(shù)和斷裂構(gòu)造發(fā)育規(guī)模兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行帶壓開采安全性分區(qū)。將古交斷層、土地溝斷層兩盤、王芝茂斷層、頭南峁斷層和F24斷層上盤(突水系數(shù)0.034～0.06MPa/m)的區(qū)域內(nèi)劃分為帶壓開采相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)(Ⅱ區(qū))；將8號(hào)煤層古交斷層上盤中段(突水系數(shù)>0.1MPa/m)的區(qū)域劃為帶壓開采危險(xiǎn)區(qū)(Ⅲ區(qū))。