陜西省府谷礦區(qū)某井田首采區(qū)奧灰突水危險性評價

劉璐琦,黃紅國,潘益清

(中晉環(huán)境科技有限公司,山西 太原 030031)

1 井田基本概況

1.1 井田位置

該井田位于陜北石炭二疊系煤田府谷礦區(qū)的北部,井田三面環(huán)水,北邊界為皇甫川,東邊界為黃河西岸沿黃公路,緊鄰黃河,南邊界緊鄰清水川。

1.2 主要工作量

利用了井田以往地質(zhì)勘探資料(含80個鉆孔的煤層綜合成果),在此基礎(chǔ)上對井田首采區(qū)進(jìn)行了水文地質(zhì)補(bǔ)勘,施工了7個水文孔(均揭露奧陶系灰?guī)r),總進(jìn)尺2 977.41 m,共進(jìn)行13次抽水試驗。

1.3 含煤地層

井田內(nèi)含煤地層主要為石炭系太原組和二疊系山西組。山西組厚度26.10～84.28 m,平均厚度55.01 m,含煤層3層,自上而下編號為2、3、4號,煤層累加厚度3.78～14.57 m,平均8.39 m。太原組厚度53.95～106.05 m,平均厚度84.95 m,含煤層4～13層,其中可采煤層9層,自上而下編號為5、6、7、8、9-1、9-2、10-1、10-2、11號煤層,煤層累加厚度7.46～27.70 m,平均17.33 m。

1.4 可采煤層

可采煤層為3、4、5、6、7、8、9-1、9-2、10-1、10-2、11號煤層,其中,主要可采煤層為4、8、9-2號煤層,3、5、6、7、9-1、10-1、10-2、11號煤層為次要可采煤層。

1.5 水文地質(zhì)

井田含水層主要為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓水(O2m)。井田9-2號煤層以上含水層以砂巖裂隙水充水為主,由于井田三面環(huán)水,水文地質(zhì)邊界較復(fù)雜,水文地質(zhì)類型確定為二類二型;9-2號以下煤層,井田變?yōu)橐詩W陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層充水為主的礦床,水文地質(zhì)類型確定為三類一型。井田工程布置及奧陶系巖溶水等水位線圖見圖1。

圖1 井田工程布置及奧陶系巖溶水等水位線圖

2 奧灰突水危險性評價

2.1 影響因素

威脅煤層開采的含水層主要為奧陶系灰?guī)r含水層,含水層富水性、煤層底板隔水層抗壓強(qiáng)度及隔水能力、構(gòu)造發(fā)育程度以及礦壓擾動帶與有效隔水層厚度等[1]是影響奧灰突水的主要因素。

2.1.1 隔水底板地層

隔水底板為軟巖與硬巖組合,軟弱巖層主要是煤和鋁土泥巖,較軟弱巖層主要是泥巖、粉砂巖,較堅硬巖層主要是砂巖及薄層灰?guī)r,一般軟、硬巖互層狀地層的抗壓強(qiáng)度及隔水能力較好。

2.1.2 底板抗壓強(qiáng)度、隔水能力

一般剛性巖石隔水性差,抗壓強(qiáng)度大;柔性巖石隔水性好,抗壓強(qiáng)度小。剛性巖石的等效隔水系數(shù)約是泥巖的0.4倍,而柔性巖石的等效抗壓強(qiáng)度系數(shù)約是剛性砂巖、灰?guī)r的0.5～0.7倍。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)巖石的等效隔水系數(shù)和等效抗壓強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行換算。

2.1.3 礦壓擾動帶及隔水層厚度

1)礦壓擾動帶

在采動影響下,煤層底板一定深度范圍巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,巖體產(chǎn)生位移變形,一般可分為礦壓擾動破壞帶、侵水帶和潛越導(dǎo)水帶。通?？蛇x用現(xiàn)場試驗觀測法、室內(nèi)模擬實驗觀測法、經(jīng)驗公式法來確定煤層礦壓破壞深度。本次采用經(jīng)驗公式估算了井田內(nèi)各鉆孔8號煤、11號煤層底板的礦壓破壞深度。經(jīng)計算,8號煤層底板礦壓破壞深度17.42～20.18 m;11號煤層底板礦壓破壞深度17.37～20.18 m;本次底板礦壓破壞帶深度計算僅供參考,突水系數(shù)計算公式中按經(jīng)驗值取10 m。

2)隔水層厚度

隔水層的隔水能力與隔水層的厚度、強(qiáng)度和巖性組合有關(guān),隔水層的厚度對煤層底板突水起著抑制作用。按照《煤礦防治水規(guī)定》,本次評價中直接采用部分鉆孔的隔水層厚度。

2.1.4 構(gòu)造發(fā)育程度

一方面,斷層破壞了巖體的完整性,從而形成導(dǎo)水通道,若構(gòu)造面與構(gòu)造面邊緣煤柱內(nèi)的剪切帶相連或重疊時,會引起煤層底板突水;另一方面,構(gòu)造作用破壞了巖體結(jié)構(gòu),使得次生裂隙發(fā)育,降低了巖石的抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)三維地震勘探資料,發(fā)現(xiàn)隱伏斷層13條,這些斷層有可能成為煤層開采的直接充水通道,改變煤層底板隔水層的水文地質(zhì)狀況,降低周邊巖體工作面底板的整體隔水性能。煤礦應(yīng)加強(qiáng)對隱伏構(gòu)造的探測力度,防止斷層、陷落柱等導(dǎo)水通道對煤層開采的影響。

2.1.5 隔水底板下伏奧灰水壓分布

根據(jù)已有鉆孔資料,煤層底板奧灰水壓隨其埋深變化較大,總的來說,在補(bǔ)勘范圍內(nèi),各煤層底板的奧灰水壓均自東向西隨煤層埋深增加而逐漸增大。

2.1.6 奧灰富水性及充填帶巖溶發(fā)育程度

強(qiáng)富水區(qū)巖溶裂隙發(fā)育且富水性強(qiáng),易發(fā)生大規(guī)模突水事故;弱富水區(qū)巖溶裂隙不發(fā)育且富水性弱,理論上發(fā)生突水事故的可能性及規(guī)模要小。井田內(nèi)揭露奧灰馬家溝組含水層主要發(fā)育石灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r,厚度較厚,現(xiàn)在僅揭露奧灰上馬家溝組100 m左右,富水性弱。但不能排除區(qū)內(nèi)局部富水性較強(qiáng)或極強(qiáng)的情況。因此,未來在帶壓開采地段應(yīng)加強(qiáng)井下探放水工作,特別是垂向?qū)ǖ?導(dǎo)水?dāng)鄬印⑾萋渲?、?dǎo)水裂隙帶)的探查,避免因此而導(dǎo)致突水事故。

2.2 突水系數(shù)計算

區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域奧灰承壓水水頭均高于煤層底板。采用臨界突水經(jīng)驗公式計算突水系數(shù),從而預(yù)測其突水的可能性,判定奧灰承壓水對煤層開采是否造成威脅。依據(jù)《礦床水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》中推薦的突水系數(shù)公式[2],即:

(1)

式中:Ts為底板突水系數(shù)(MPa/m);P為水頭壓力(MPa);M為底板隔水層厚度(m);Cp為采礦對底板隔水層的擾動厚度(m)(采用經(jīng)驗值10 m)。

在具有構(gòu)造破壞的地段(首采區(qū)井田西南邊界斷層附近500 m范圍)臨界突水系數(shù)取0.06 Mpa/m,其余地段(隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞),臨界突水系數(shù)取0.10 Mpa/m。

對各煤層底板突水系數(shù)進(jìn)行計算,以判別其突水的可能性。本次分別計算了井田首采區(qū)內(nèi)7、8、9-1、9-2、10-1、10-2、11號煤層的底板突水系數(shù)。井田內(nèi)奧灰承壓水水頭標(biāo)高在843.17～856.26 m之間,平均值849.63 m,因煤層底板巖性為砂泥巖互層,隔水性能較好,不必對其它巖石進(jìn)行隔水層等效厚度計算?？偢羲畬雍穸葹楸鞠M底至各煤層底板厚度,用各鉆孔水頭高出本溪組底板高度折算水頭壓力。以10-1號煤層底板突水系數(shù)計算為例,計算結(jié)果見表1。

表1 10-1號煤層底板突水系數(shù)統(tǒng)計表

2.3 突水危險性評價

處在奧灰水含水層水位以上的區(qū)域,為非突水危險區(qū),不存在底板灰?guī)r水的突水危險性;處在奧灰水含水層水位以下的區(qū)域,為帶壓開采區(qū),具有突水風(fēng)險性,根據(jù)突水系數(shù)臨界值劃分為突水威脅區(qū)和突水危險區(qū)。突水威脅區(qū):Ts<臨界突水系數(shù),突水風(fēng)險性相對較小,開采相對安全;突水危險區(qū):Ts≥臨界突水系數(shù),突水風(fēng)險性較大。各煤層突水危險分區(qū)結(jié)果如下:

7號、8號煤層:突水系數(shù)除首采區(qū)邊界ZK4611、ZK4400孔及ZK4301孔外,其余Ts<0.06 Mpa/m,且緊靠斷層的500 m范圍內(nèi)絕大多數(shù)Ts<0.06 Mpa/m,基本均為突水威脅區(qū),對首采區(qū)影響較小。

9-1號煤層:Ts<0.10 Mpa/m。緊靠斷層F1范圍500 m處,0.06≤Ts<0.10 Mpa/m,面積約0.63 km2,為突水危險區(qū),其余范圍Ts<0.10 Mpa/m,為突水威脅區(qū)。該煤層局部可采,突水危險區(qū)面積較小,對首采區(qū)影響較小。

9-2號煤層:0.034≤Ts≤0.14 Mpa/m。Ts<0.06 Mpa/m區(qū)域分布在首采區(qū)中部,大致沿ZK3907孔和ZK4205孔一線以南,面積約11.36 km2,為突水威脅區(qū);Ts≥0.1 Mpa/m區(qū)域分布在首采區(qū)西部,范圍大致沿ZK4308孔、ZK4209孔、ZK4510孔,北西向延伸,面積約4.86 km2,為突水危險區(qū);0.06≤Ts<0.1 Mpa/m區(qū)域面積約4.54 km2,其中緊靠斷層F1范圍500 m內(nèi),Ts≥0.06 Mpa/m區(qū)域大致沿ZK3907孔和ZK4113孔南,面積約0.88 km2,為突水危險區(qū),其余區(qū)域面積約3.66 km2,為突水威脅區(qū)。該煤層突水危險區(qū)面積合計約5.74 km2,大部分區(qū)域為突水威脅區(qū),對首采區(qū)影響較小。

10-1號煤層:突水系數(shù)在0.040≤Ts≤0.213 Mpa/m。Ts<0.06 Mpa/m區(qū)域分布在首采區(qū)東南角,大致沿ZK3608孔、ZK4004孔一線以南,分兩塊,ZKBSK02孔附近面積1.29 km2,ZK4004孔附近面積2.17 km2,合計3.46 km2,為突水威脅區(qū);Ts≥0.1 Mpa/m區(qū)域分布在首采區(qū)中北部,大致沿ZK4112孔、ZK4204一線以北,面積約10.06 km2,為突水危險區(qū);0.06≤Ts<0.1區(qū)域面積6.80 km2,其中緊靠斷層F1范圍500 m內(nèi),Ts≥0.06 Mpa/m區(qū)域大致沿ZK3607孔、ZK4011孔一線以西,面積約1.32 km2,為突水危險區(qū),其余區(qū)域面積約5.48 km2,為突水威脅區(qū)。該煤層突水危險區(qū)面積合計約11.38 km2,近一半面積為突水危險區(qū),對首采區(qū)影響較大。

10-2號煤層:0.041≤Ts≤0.242 Mpa/m。Ts<0.06 Mpa/m區(qū)域分布在首采區(qū)東南部,大致以ZK3607、SZK4103孔連線以東,分兩塊,其中BSK02孔附近面積約0.98 km2,ZK4004孔附近面積約0.71 km2,合計1.69 km2,為突水威脅區(qū);Ts≥0.1 Mpa/m區(qū)域,大致以ZK3607、SZK4103孔連線以西,面積約13.86 km2,為突水危險區(qū);0.06≤Ts<0.1區(qū)域面積約5.13 km2,其中緊靠斷層F1范圍500 m內(nèi),Ts≥0.06 Mpa/m區(qū)域面積約0.97 km2,為突水危險區(qū),其余區(qū)域面積約4.16 km2,為突水威脅區(qū)。該煤層突水危險區(qū)面積合計約14.83 km2,絕大部分區(qū)域為突水危險區(qū),對首采區(qū)影響較大。

11號煤層:0.05≤Ts≤0.353 Mpa/m。Ts<0.06 Mpa/m區(qū)域分布在首采區(qū)東南角,大致為ZK3801孔、ZK4004孔、ZK4000孔所圍,面積約0.23 km2,為突水威脅區(qū);Ts≥0.1 Mpa/m區(qū)域分布在首采區(qū)幾乎全部,大致以ZK3804孔、ZK4007、ZK4204孔連線所圍以西,面積19.7 km2,為突水危險區(qū);0.06≤Ts<0.1區(qū)域零星分布有三塊,ZK3811附近面積約0.07 km2,BSK02孔與ZK3504孔附近面積約0.48 km2,SZK4103孔附近面積1.31 km2,合計面積1.86 km2,均分布在構(gòu)造不發(fā)育區(qū)段,為突水威脅區(qū)。該煤層絕大部分區(qū)域為突水危險區(qū),且該煤層距奧陶系灰?guī)r頂面較近,底板隔水層較薄,突水危險性大,對首采區(qū)影響較大。

3 結(jié)語

首采區(qū)內(nèi)奧灰?guī)r溶水水頭均高于各煤層底板標(biāo)高,通過對煤層底板突水系數(shù)計算,9-1、9-2號煤可采煤層大部分底板突水系數(shù)均小于臨界值,隨著煤層埋深的增大,各鉆孔突水系數(shù)也逐步增大,10-1、10-2、11號煤層大部分區(qū)域突水系數(shù)均大于臨界值,開采該煤層時必須引起足夠的重視,應(yīng)針對底板奧灰突水危險性做專門開采可行性研究,并采取底板注漿、疏水降壓等措施使突水系數(shù)降到安全范圍以內(nèi),方可開采。