澄合礦區(qū)引起5號(hào)煤層底板突水因素分析

郭春鋒

陜西省一三九煤田地質(zhì)水文地質(zhì)有限公司 陜西 渭南 714000

渭北煤田澄合礦區(qū)煤炭開(kāi)采受煤層底板水害影響較大，尤其是主采5號(hào)煤層受底板奧灰水影響較大。近年來(lái)，澄合礦區(qū)逐步進(jìn)入深部開(kāi)采階段，礦區(qū)深部地質(zhì)條件及地質(zhì)構(gòu)造等比較復(fù)雜。根據(jù)澄合礦區(qū)近年來(lái)多個(gè)礦井實(shí)際開(kāi)采情況可知，礦井隨著煤炭開(kāi)采強(qiáng)度的增大，多數(shù)礦井主采5號(hào)煤層基本都處于帶壓開(kāi)采狀態(tài)，受煤層底板水危害影響較大，尤其是受底板奧灰水危害和影響日益嚴(yán)重。本次通過(guò)對(duì)引起煤層底板突水因素的分析，特別是對(duì)煤層底板奧灰?guī)r溶水的突水因素分析，并提出帶壓開(kāi)采對(duì)奧灰水的防治措施，為礦區(qū)煤礦安全開(kāi)采提供借鑒和參考。

一、礦區(qū)地理概況

澄合礦區(qū)處于祁呂賀“山”字型構(gòu)造前弧東翼內(nèi)側(cè)，與新華夏系第三沉降帶—鄂爾多斯盆地東南緣復(fù)合部位中段，基本構(gòu)造形態(tài)為一向北傾斜的單斜構(gòu)造。礦區(qū)地貌以黃土塬為主體，黃龍山東西橫亙于北部區(qū)外，西為洛河，東臨黃河，地勢(shì)北高南低，地表坡降9～12‰，地面標(biāo)高為850～670m，黃河漫灘最低為350m。區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，下切深達(dá)100～150m，兩側(cè)沖溝密布，交匯成樹(shù)枝狀，橫截面呈“V”型，溝壁陡峭，構(gòu)成錯(cuò)綜復(fù)雜的黃土臺(tái)塬、溝壑地貌形態(tài)。

二、礦區(qū)水文地質(zhì)特征

礦區(qū)地表基本被第四系松散層掩蓋，屬掩蓋至半掩蓋區(qū)，僅在溝谷有基巖裸露。地下水運(yùn)移受區(qū)域地下水的控制，顯示一定的成層性特征。區(qū)內(nèi)含水地層，按其巖性及充水空間性質(zhì)不同，可劃分為孔隙裂隙潛水、基巖裂隙水含水層及巖溶水含水層三種類型。

1、孔隙裂隙水

孔隙裂隙水主要儲(chǔ)存于第三、四系(Q～N)底部半膠結(jié)的粉砂，細(xì)至粗砂及砂礫巖層中。含水層厚度變化較大，由數(shù)米至數(shù)十米不等，一般厚3～63m。據(jù)鉆孔抽水資料:單位涌水量一般為0.01～0.10L/s.m，滲透系數(shù)0.0073～1.55m/d。局部地段水量較大，如東王村的第三系上新統(tǒng)砂巖，單位涌水量一般為0.63L/s.m，滲透系數(shù)2.41m/d。泉水流量一般不超過(guò)1L/s。水質(zhì)主要為HCO3－Na·Mg型，礦化度0.3～0.8g/L。水力大多具承壓性質(zhì)，一般屬富水性弱的含水層組。

2、裂隙水

裂隙水主要賦存于下三疊統(tǒng)至下二疊統(tǒng)細(xì)至粗粒砂巖中。裂隙的發(fā)育程度與地層、構(gòu)造及巖性組合有密切聯(lián)系。一般在上部地層和基巖風(fēng)化帶以及構(gòu)造、斷裂位置附近，裂隙發(fā)育較普遍，且多張口性，富水性也較強(qiáng)。下部隨著地層的不斷延深，裂隙發(fā)育程度逐漸變差，且大多閉合，富水性亦隨之逐步轉(zhuǎn)弱。由于各含水層之間均有厚度較大的砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和泥巖組成隔水性能良好的相對(duì)隔水層，故一般均無(wú)直接水力聯(lián)系。

3、巖溶水

礦區(qū)內(nèi)揭露的巖溶水，主要賦存于上石炭統(tǒng)太原組及中下奧陶統(tǒng)峰峰組，巖溶類型以古巖溶、空溶洞以及溶蝕裂隙為主。古巖溶充填程度較完全，空溶洞主要分布于奧灰區(qū)域水位高程以上，溶蝕裂隙在空間的分布規(guī)律受地質(zhì)構(gòu)造所控制。

三、地下水補(bǔ)、徑、排條件

礦區(qū)地下水主要接受大氣降水和區(qū)外側(cè)向徑流的補(bǔ)給，其補(bǔ)給形式主要是通過(guò)地表露頭和具孔隙性的疏松黃土層，分別以直接或間接的方式滲入補(bǔ)給基巖地下水。區(qū)內(nèi)潛水總的徑流方向由北向南排泄于區(qū)外。在徑流途中部分以下降泉形式泄于地表較大的溝谷中匯流成河，部分則下滲補(bǔ)給基巖地下水；基巖裂隙水以順層運(yùn)動(dòng)為主，受區(qū)內(nèi)北東及北東東向構(gòu)造裂隙控制，徑流條件差，其排泄方式，部分裂隙水向南運(yùn)動(dòng)排泄于區(qū)外，部分通過(guò)斷裂帶向下伏奧灰排泄，另一部分則以下降泉的形式泄于地表較大的溝谷中匯流成河。

奧灰?guī)r溶裂隙水補(bǔ)給主要為區(qū)外徑流補(bǔ)給，其次為上部孔隙水以及基巖裂隙水下滲補(bǔ)給以及礦區(qū)以南較大河谷零星出露的奧灰接受大氣降水和河水的滲漏補(bǔ)給。奧灰?guī)r溶水的徑流方向總的趨勢(shì)由北向南，徑流條件較好。其排泄方式主要以上升泉群為排泄口。

四、礦井充水強(qiáng)度分析

礦井充水強(qiáng)度主要決定于煤層頂?shù)装搴畬拥母凰浴⒑穸燃皩?dǎo)水裂隙溝通各含水層的程度、采煤方式和開(kāi)采強(qiáng)度等因素。

1、煤層頂板

開(kāi)采煤層導(dǎo)水裂隙帶能夠波及的煤層頂板上覆的砂巖裂隙水，隨著工作面回采形成的導(dǎo)水裂隙帶與砂巖含水層導(dǎo)通，通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入采掘空間。一般情況下，澄合礦區(qū)煤層頂板涌水是工作面開(kāi)采正常涌水量的主要組成部分，砂巖含水層因地下水徑流條件差，其富水性、透水性都不強(qiáng)，加上回采對(duì)頂板含水層疏放強(qiáng)度較大，長(zhǎng)期疏放使其含水層靜儲(chǔ)量消耗殆盡處于疏干狀態(tài)。

2、煤層底板

澄合礦區(qū)，煤層底板太原組K2灰?guī)r和石英砂巖一般屬礦井直接充水含水層，其水量稍大，充水強(qiáng)度稍強(qiáng)，由于太原組下部隔水巖層不穩(wěn)定，該含水層與富水性強(qiáng)的奧灰?guī)r溶水發(fā)生水力聯(lián)系時(shí)，極有可能造成礦井底鼓突水，礦井充水量將急劇增大，礦井生產(chǎn)中應(yīng)引起足夠重視。

3、奧灰?guī)r溶水

渭北煤田澄合礦區(qū)煤系沉積基底奧陶系灰?guī)r，含水空間以溶蝕裂隙為主，富水性強(qiáng)且具有明顯的不均一性，巖溶水連通性良好，具有區(qū)域性的水位標(biāo)高＋370.00m，水頭壓力大，區(qū)內(nèi)多數(shù)煤礦主要可采5號(hào)煤層處于＋370.00 m以下，由于太原組下部巖層隔水性能不穩(wěn)定，奧灰水將對(duì)煤層開(kāi)采造成很大威脅。澄合礦區(qū)生產(chǎn)礦井董家河礦、澄合二礦、權(quán)家河礦、王村煤礦等，在開(kāi)采水平低于奧灰區(qū)域水位標(biāo)高＋370.00m時(shí)，均不同程度受到了奧灰水的侵害。

五、引起5號(hào)煤層底板突水的因素分析

1、水壓:位于煤層底板下部的奧灰?guī)r溶承壓含水層，是造成底板突水的主要源泉。其水頭壓力大，承壓水在水壓力的作用下不斷侵蝕、沖刷底板隔水層，滲透至上覆隔水層的構(gòu)造裂隙中，降低隔水層的完整性，減弱巖體的抵抗強(qiáng)度，并擴(kuò)大隔水層內(nèi)部的裂隙，最終形成突水通道。

2、含水層的富水性:煤層底板下的巖溶承壓含水層突入工作面的機(jī)會(huì)與巖溶的發(fā)育程度及富水性有密切關(guān)系。區(qū)內(nèi)奧灰?guī)r溶水富水性強(qiáng)且具有明顯的不均一性，當(dāng)?shù)装鍔W灰?guī)r溶水富水性較好時(shí)，由底板造成的突水性就大，而且突水量也比較大。

3、底板采動(dòng)破壞深度:煤層采掘前，奧灰水的靜壓力始終與上覆巖層的自重力處于一種自然地平衡狀態(tài)，煤層的采掘破壞了這種平衡就有可能導(dǎo)致突水。由于采動(dòng)壓力的影響，使得煤層底板產(chǎn)生新的裂隙，減小了隔水層的有效厚度，降低了隔水性能，局部可失去阻水性。

4、有效隔水層的厚度及巖性組合:澄合礦區(qū)5號(hào)煤層一般為各礦井的主采煤層，視5號(hào)煤底板至奧陶系為隔水層段，礦區(qū)內(nèi)一般厚度10－80m左右，平均20－40m左右。從5號(hào)煤底板至奧灰頂面隔水層來(lái)看，雖然厚度變化較大，但隔水層巖性為鋁質(zhì)泥巖、石英砂巖、粉砂巖及砂質(zhì)泥巖。該巖性組合軟硬相間，交替疊加，而且上部為堅(jiān)硬的石英砂巖、粉砂巖，具有較高的抗壓強(qiáng)度，下部為鋁質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖等軟巖層，雖然抗壓強(qiáng)度較低但具良好的隔水性能，成為帶壓采煤的有利條件。

5、地質(zhì)構(gòu)造:奧灰?guī)r溶類型在空間上的分布規(guī)律，受地質(zhì)構(gòu)造所控制。在構(gòu)造裂隙發(fā)育地段，為奧灰水蓄集的空間、運(yùn)移的通道、富集的場(chǎng)所。因構(gòu)造帶抗水壓性能遠(yuǎn)小于完整巖層，礦井開(kāi)采時(shí)的采動(dòng)壓力對(duì)底板的破壞大于正常巖層，且斷裂構(gòu)造縮短了煤層與對(duì)盤(pán)含水層之間的距離，當(dāng)斷層切割?yuàn)W灰含水層時(shí)，有可能導(dǎo)致煤層與含水層對(duì)接或距離縮短，從而使隔水層的有效厚度減小。以上種種綜合作用就導(dǎo)致奧灰水將在斷裂帶附近形成突破口，涌入礦坑。

6、采煤方法:不同的采煤方法對(duì)工作面底板突水與否起著擬制作用。當(dāng)煤層厚度比較大時(shí)，可以采用分層開(kāi)采，從而減輕采動(dòng)礦壓對(duì)工作面底板的破壞程度，有利于擬制底板突水的發(fā)生；同理，采用短壁工作面開(kāi)采、條帶開(kāi)采或充填采空區(qū)開(kāi)采，也是可以擬制或減少底板突水事故的有效措施。

六、帶壓開(kāi)采對(duì)奧灰水的防治措施

1、以防為主:在開(kāi)采受奧灰水威脅的煤層時(shí)，在采掘過(guò)程中即使采取一系列防止突水的安全措施，也難以完全杜絕奧灰水的突水事故，因此無(wú)論采用何種方法采煤都必須有可靠的防排水設(shè)施。

2、利用隔水底板:充分利用煤層底板與奧灰之間隔水巖層所能承受的奧灰水壓進(jìn)行采掘活動(dòng)，優(yōu)化工作面布置與開(kāi)采工藝，減小底板采動(dòng)破壞深度。

3、限壓開(kāi)采:按規(guī)程規(guī)定及以往開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，在地層較完整塊段突水系數(shù)可取到0.1 MPa∕m以下，受構(gòu)造破壞區(qū)段，突水系數(shù)控制在0.06 MPa∕m以下。

4、局部堵排:對(duì)采掘活動(dòng)中的局部出水，進(jìn)行封閉堵塞。對(duì)已探明的有突水危險(xiǎn)的構(gòu)造帶、導(dǎo)水?dāng)鄬舆M(jìn)行注漿堵水，對(duì)有突水危險(xiǎn)的底板，帶壓開(kāi)采前進(jìn)行底板注漿加固。

5、超前物探:采掘工作面采用三維地震勘探、超前鉆探、瞬變電磁法等方法，對(duì)斷層、異常構(gòu)造帶、工作面底板富水有一個(gè)全局的把握，必要時(shí)進(jìn)行注漿堵水，形成有效的隔水層。

6、加強(qiáng)觀測(cè):通過(guò)建立和完善水文地質(zhì)觀測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)掌握地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，從而快速判斷井下突水的水源，為水害治理方案提供科學(xué)依據(jù)。

結(jié)束語(yǔ)

澄合礦區(qū)煤層頂板裂隙水一般情況下對(duì)礦井生產(chǎn)影響不大。但煤層底板水，尤其是底板突水對(duì)礦井生產(chǎn)及危害較大，澄合礦區(qū)奧灰?guī)r溶水富水性強(qiáng)，且富水性不均一，礦井開(kāi)采過(guò)程中必須重點(diǎn)進(jìn)行防治，以免某些人為因素導(dǎo)致奧灰?guī)r溶水潰入礦井，對(duì)礦井生產(chǎn)和安全帶來(lái)嚴(yán)重影響和危害。