王家?guī)X煤礦奧灰?guī)洪_采安全性評價

吳振嶺

（中國煤炭地質(zhì)總局 水文地質(zhì)局，河北 邯鄲 056000）

0 引 言

王家?guī)X煤礦位于鄉(xiāng)寧縣西南約9 km處，行政區(qū)劃從屬鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)、西坡鎮(zhèn)、西交口鄉(xiāng)、昌寧鎮(zhèn)。井田面積為119.710 9 km2，年產(chǎn)量750萬t/a。目前開采山西組2號煤層。井田地層為走向NE，傾向W和NW的單斜構(gòu)造，伴有寬緩的背向斜褶曲構(gòu)造，傾角平緩，一般為4°～8°，局部區(qū)域大于15°。井田構(gòu)造較為簡單，發(fā)育褶曲2條，落差大于等于10 m的斷層19條，未發(fā)現(xiàn)陷落柱。

在水文地質(zhì)單元上，王家?guī)X煤礦位于禹門口泉域徑流區(qū)，屬巖溶埋藏區(qū)，并且奧陶系巖溶裂隙含水層富水性弱—極強(qiáng)，富水性極不均一[1]。井田內(nèi)大部分地段2號煤層位于奧灰?guī)r溶水水位以下，屬帶壓開采，雖水頭壓力不大，但巖溶陷落柱和構(gòu)造斷裂發(fā)育，隨著礦井開采水平延深，2號煤層的開采受底板奧灰承壓水的威脅越來越嚴(yán)重。為了研究奧灰含水層對2號煤層采掘的影響程度，本文重點(diǎn)分析了井田內(nèi)奧灰含水層富水性特征、底板隔水層阻水能力及底板擾動破壞深度等因素，采用突水系數(shù)法對2號煤層奧灰?guī)洪_采進(jìn)行了安全性評價。

1 奧灰含水層富水性分析

煤系基底為奧陶系碳酸鹽巖，厚度約500 m左右，巖性主要由灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、白云巖、角礫狀泥灰?guī)r組成。巖溶形態(tài)以巖溶裂隙為主，伴有少量的溶孔、溶洞，區(qū)域范圍內(nèi)上馬家溝組富水性強(qiáng)于峰峰組含水層，也是區(qū)域內(nèi)主要供水含水層[2,3]。

峰峰組含水層的水位標(biāo)高為+447.76-+591.03 m，統(tǒng)一口徑單位涌水量為0.000 4～0.387 4 L/s.m，滲透系數(shù)為0.015 7～42.548 4 m/d，富水性弱—中等。

峰峰組和上馬家溝組含水層混合水位標(biāo)高為+442.33—+558.89 m，統(tǒng)一口徑單位涌水量為0.000 7~6.243 1 L/s.m，滲透系數(shù)為0.002 5～389.578 m/d，富水性弱—極強(qiáng)。

下面從3個方面對比分析峰峰組與上馬家溝組含水層的富水性。

（1）以往鉆孔揭露峰峰組厚度為63.65～144.25 m，平均為105.46 m，該組裂隙一般不發(fā)育，個別節(jié)理裂隙較發(fā)育層段也多為干裂隙，并且鉆進(jìn)過程中沖洗液消耗量也較小或不消耗，擴(kuò)散測井未見出水段。上馬家溝組厚度為170.80 m~229.38 m，平均為200.42 m，破碎、石灰?guī)r類巖溶發(fā)育，故其它條件相同的情況下，上馬家溝組含水層的富水性要強(qiáng)于峰峰組含水層。

（2）從橫向上看，峰峰組含水層統(tǒng)一口徑單位涌水量大部分區(qū)域小于0.1 L/s.m，富水性弱，僅SW2、SW6、SW7鉆孔富水性達(dá)到中等，峰峰組和上馬家溝組混合含水層富水性不均一，SW2、SW9號鉆孔統(tǒng)一口徑單位涌水量均大于5 L/s.m，富水性極強(qiáng)；從縱向上看，峰峰組含水層統(tǒng)一口徑單位涌水量遠(yuǎn)小于峰峰組及上馬家溝組混合含水層，從而可以看出上馬家溝組含水層的富水性強(qiáng)于峰峰組含水層。

（3）由圖1、圖2可以看出，井田內(nèi)奧灰水富水性不均一，在井田北部，在SW2—SW1—SW9號孔一條帶上奧灰水富水性為強(qiáng)—極強(qiáng)，而井田在這一條帶的南部則富水性為弱—中等。

圖1 巖溶裂隙含水層單位涌水量等值線（峰峰組）Fig.1 Contour map of unit water inflowof karst fractured aquifer(O2f)

圖2 巖溶裂隙含水層單位涌水量等值線（峰峰組+上馬家溝組）Fig.2 Contour map of unit water inflowof karst fractured aquifer(O2f+s)

2 隔水層阻水能力分析

隔水層由2號煤層底板至奧陶系頂界隔水層組成。巖性主要以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、鋁土泥巖為主，偶夾薄層石灰?guī)r或泥灰?guī)r。泥巖厚度占隔水層總厚度的68%以上。泥巖屬塑性巖類，砂巖屬脆性巖類。天然條件下，塑性巖隔水能力強(qiáng)，抗水壓能力較弱。脆性巖的隔水能力較弱，但水壓能力較強(qiáng)，一般情況下，二者組合可以有效起到阻水抗壓作用，對阻止奧灰水與上覆各含水層間水力聯(lián)系起到較大作用[4]。

3 底板擾動破壞深度的分析評價

底板破壞深度主要受礦壓作用影響，主要因素有煤層傾角、煤層厚度、開采深度和開采工藝等。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》中計(jì)算公式對煤層底板破壞深度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式見式（1）。

式中：H為開采深度，選用各鉆孔的統(tǒng)計(jì)資料；α為煤層傾角，煤層傾角一般地段為4°左右，褶皺圍為20°左右；L為工作面斜長，取工作面斜長260 m。礦壓擾動破壞帶破壞了底板隔水層的原始結(jié)構(gòu)，致使隔水層有效厚度減小，有可能誘發(fā)構(gòu)造突水或造成底板突水[5-6]。

從上述計(jì)算可以看出，煤層開采深度越大，礦壓作用對煤層底板隔水層的破壞程度也越大。2號煤層底板破壞深度為25.38～30.18 m，破壞程度整體呈現(xiàn)中、北部地段較厚，其余地段較薄的趨勢（圖3）。2號煤層底板距奧灰頂板約64.53～113.05 m，2號煤層底板奧灰有效隔水層厚度為37.27～83.49 m。隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞地段2號煤層底板隔水層厚度均大于礦壓作用對煤層底板的破壞深度，具有一定的保護(hù)層，發(fā)生突水的可能性較小。

圖3 2號煤層底板礦壓破壞帶深度Fig.3 Depth of ground pressure failure zone of No.2 Coal Seam floor

4 2號煤層底板奧灰突水危險性評價

（1）帶壓范圍。2號煤層位于二疊系山西組中下部，下距奧灰頂板約67.49—113.05 m，平均80.74 m。2號煤層底板標(biāo)高為+50～+930 m，據(jù)以往鉆孔奧灰抽水資料推測井田內(nèi)奧灰水水位標(biāo)高為+400—+560 m，井田內(nèi)鉆孔B2-2—B4-1—B5-2—B6-1—1119—1097—B12-1連線以北及西北地段，2號煤層底板標(biāo)高低于奧灰水水位標(biāo)高，屬帶壓開采區(qū)（圖4）。

圖4 2號煤層底板奧灰水帶壓范圍Fig.4 Pressure range of Ordovician limestone water in the floor of No.2 Coal Seam

（2）水頭壓力。2號煤層底板隔水層承受的水壓為0.667～3.392 MPa，井田內(nèi)2號煤層底板奧灰水頭壓力由東南向西北逐漸增大（圖5）。

圖5 2號煤層底板奧灰水頭壓力等值線Fig.5 Contour of Ordovician limestone head pressure in the floor of No.2 Coal Seam

（3）突水系數(shù)法計(jì)算。2號煤層底板奧灰隔水層厚度為67.49～113.05 m，平均80.74 m，井田南部、東北地段較厚，西部相對較薄。煤層底板隔水層承受的水壓為0.667～3.392 MPa，平均1.677 MPa，井田內(nèi)水壓值整體呈現(xiàn)由東南向西北逐漸增大的趨勢。結(jié)合鉆孔隔水層厚度資料及隔水層底板承受的奧灰水壓值，按突水系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算得井田內(nèi)2號煤層底板奧灰水突水系數(shù)為0.010～0.048 MPa/m（表1），井田總體呈現(xiàn)突水系數(shù)由東南向西北逐漸增大。

表1 2號煤層底板奧灰突水系數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of Ordovician limestone water inrush coefficient of No.2 Coal Seam floor

續(xù)表

（4）突水危險性分區(qū)。按《煤礦防治水細(xì)則》中底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段突水系數(shù)不大于0.10 MPa/m[7-10]。井田內(nèi)2號煤層奧灰突水系數(shù)均小于0.06 MPa/m，因此，井田內(nèi)突水系數(shù)小于0.06 MPa/m的正常塊段及非帶壓區(qū)，評價為非突水危險區(qū)；帶壓區(qū)內(nèi)構(gòu)造地段突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，評價為突水威脅區(qū)；該井田不存在奧灰突水危險區(qū)（圖6）。

5 結(jié) 論

（1）據(jù)水文鉆孔資料，奧灰?guī)r溶水屬富水性不均一的含水層，對2號煤層開采構(gòu)成威脅的主要為奧陶系上馬家溝組含水層，2號煤層在井田的北部存在帶壓開采。

（2）2號煤層底板至奧灰頂界面隔水層巖性主要以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及鋁土泥巖為主，偶夾薄層石灰?guī)r或泥灰?guī)r，具有較好的阻隔水能力。

（3）通過計(jì)算2號煤層底板破壞深度為25.38～30.18 m，遠(yuǎn)小于2號煤層底板至奧灰頂板的距離，正常地段發(fā)生突水的可能性較小。

（4）井田內(nèi)2號煤層奧灰突水系數(shù)均小于煤層底板受構(gòu)造破壞地帶的臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，正常地段屬于非突水危險區(qū)，構(gòu)造地段屬于突水威脅區(qū)，不存在突水危險區(qū)。煤礦生產(chǎn)過程中應(yīng)注重?cái)鄬拥膶?dǎo)水性探測。

圖6 2號煤層奧灰水突水危險性分區(qū)Fig.6 Risk zoning of Ordovician limestone water inrush in No.2 Coal Seam