昊村煤礦10 號(hào)煤層采動(dòng)底板安全性評(píng)價(jià)研究

楊光源

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局312 地質(zhì)隊(duì)，安徽 淮北 235000）

1 概 況

煤層采動(dòng)后的底板巖體破壞，會(huì)使煤層與底板強(qiáng)富水含水層（以“奧陶紀(jì)石灰?guī)r”為典型代表）之間的穩(wěn)定隔水巖體失去隔水作用，在底板采動(dòng)裂隙、導(dǎo)水?dāng)鄬印?dǎo)水陷落柱等垂向通道的影響下，煤層底板深部承壓水上涌引起涌水現(xiàn)象，特別是在采空區(qū)附近時(shí)，極易發(fā)生突水災(zāi)害事故。因此，煤層開采底板破壞規(guī)律、底板安全性評(píng)價(jià)已成為我國華北石炭二疊紀(jì)煤田開采礦區(qū)的重要地質(zhì)工作之一。

昊村煤礦是渭北煤田的早期生產(chǎn)礦井，目前山西組的3 號(hào)煤層資源近于枯竭，礦方規(guī)劃開采深部的太原組10 號(hào)煤層，但由于受底板奧陶系石灰?guī)r強(qiáng)富水含水層的影響，需要開展大量底板探查和現(xiàn)場試驗(yàn)工作，對(duì)太原組煤層開采底板安全性進(jìn)行深入的分析評(píng)價(jià)。本文從煤層開采的水文地質(zhì)條件出發(fā)，并基于煤層底板破壞深度和阻水能力的測試，以底板阻滲能力指標(biāo)評(píng)價(jià)了10 號(hào)煤層開采的安全性，以期對(duì)礦井底板防治水工作提供可靠的理論支持。

2 煤層地質(zhì)條件

昊村煤礦地處渭北石炭二疊紀(jì)煤田銅川礦區(qū)南緣，井田面積6.45 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60 萬t/a。煤礦主采山西組的3 號(hào)煤和太原組的10 號(hào)煤層，未來5 a 僅規(guī)劃開采南一采區(qū)10 號(hào)煤層。

10 號(hào)煤層厚度0.5～3.6 m，總體賦存較穩(wěn)定，煤厚變化不大。目前，影響該煤層開采的主要含水層包括煤層頂板的山西組、上石盒子組、下石盒子組砂巖含水層和煤層底板的太原組石英砂巖/石灰?guī)r、奧陶系石灰?guī)r含水層，其中受底板奧灰含水層的威脅最大。

區(qū)域上抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示奧灰含水層為局部強(qiáng)富水含水層。根據(jù)井田范圍內(nèi)的地面、井下水文探查孔和水文長觀孔的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，井田內(nèi)奧灰含水層單位涌水量為0.001 2～0.164 L/s·m，含水層富水性為弱—中等。單位涌水量總體呈由東向西逐漸增加的趨勢，井田東部多屬于弱富水區(qū)，西部為中等富水區(qū)，未來5 a 開采區(qū)域主要集中在井田南部。

依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》的底板突水系數(shù)的計(jì)算公式，計(jì)算并繪制了10 號(hào)煤層底板突水系數(shù)等值線圖（圖1）。由圖1 可知，井田范圍內(nèi)，底板突水系數(shù)為0.01～0.13 MPa/m，總體呈由西南至北東逐漸增加的趨勢。井田西南突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，屬于相對(duì)安全區(qū)；井田中部突水系數(shù)在0.06～0.1 MPa/m，屬于威脅區(qū)；井田東部突水系數(shù)大于0.1 MPa/m，屬于危險(xiǎn)區(qū)。

圖1 10 煤底板突水系數(shù)等值線圖Fig.1 Contour of water outburst coefficient of No.10 coal seam floor

3 煤層底板破壞深度和阻水性能試驗(yàn)

3.1 煤層底板破壞深度測試

在南一采區(qū)1101 工作面開展煤層底板破壞深度的試驗(yàn)工作。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，在1101 工作面軌道運(yùn)輸巷350 m 和460 m 處，分別施工了測點(diǎn)，2個(gè)孔均為下俯布置，鉆進(jìn)方向和巷道夾角為30°，鉆進(jìn)過程中每隔一段距離（一般為2 m）安置1 個(gè)傳感器，用于獲取底板破壞信息的采集，如圖2 所示。依據(jù)不同深度的探頭應(yīng)變測量值來推斷煤層底板破壞深度。根據(jù)2 個(gè)探查孔多個(gè)探頭的應(yīng)變響應(yīng)結(jié)果，推斷得出2 個(gè)孔的底板破壞深度分別為7.4～10.9 m 和8.1～11.5 m。從安全角度出發(fā)，確定昊村煤礦10 號(hào)煤層開采的底板破壞深度為11.5 m。

圖2 底板壞深度探測工程示意圖Fig.2 Schematic diagram of floor failure depth detection project

3.2 煤層底板阻水性能監(jiān)測

3.2.1 工程布置

此次試驗(yàn)在南一采區(qū)回風(fēng)大巷與1101 工作面的交匯處開展，共布置3 個(gè)井下測試孔，均為向煤巷道底板下俯施工。鉆孔為兩兩組合，1 個(gè)用于注高壓水，同時(shí)監(jiān)測水壓、流速、流量等參數(shù)，另外1 個(gè)合作鉆孔則安裝傳感器用以監(jiān)測水壓。此次試驗(yàn)監(jiān)測了太原組石英砂巖含水層、太原組石灰?guī)r含水層段和奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r含水層段3 個(gè)層位，分別命名為層位1、層位2 和層位3。

3.2.2 監(jiān)測結(jié)果

昊村煤礦各層位導(dǎo)滲壓力值的相關(guān)參數(shù)見表1和表2。監(jiān)測結(jié)果顯示，監(jiān)測孔水壓的總體與施壓孔的水壓呈正相關(guān)關(guān)系，兩者變化趨勢基本一致。施壓測試的初期，監(jiān)測壓力的變化較為緩慢，在1 h 以后，監(jiān)測孔的水壓變化幅度才開始增加。因此，將監(jiān)測孔水壓變化幅度增大點(diǎn)定為起始滲透點(diǎn)，并將該時(shí)段監(jiān)測孔測試的水壓對(duì)應(yīng)的施壓水壓定為起始導(dǎo)滲水壓。

表1 施壓1 h 導(dǎo)滲條件參數(shù)Table 1 The seepage condition parameters after 1 hour of pressurizing

表2 施壓2 h 穩(wěn)定滲流條件參數(shù)Table 2 The stable seepage condition parameters after 2 hours of pressurizing

之后1 h 左右時(shí)間內(nèi)，監(jiān)測壓力值逐漸增大，但到施壓2 h 左右時(shí)，監(jiān)測壓力值開始處于穩(wěn)定狀態(tài)，壓力值不再出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。因此將監(jiān)測壓力的穩(wěn)定值定為穩(wěn)定水壓。穩(wěn)定水壓值就顯示了在各個(gè)層位施壓壓力水頭下的導(dǎo)滲條件。

4 底板安全性評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)方法

煤層底板隔水保護(hù)層的阻水能力的評(píng)價(jià)參數(shù)為阻滲強(qiáng)度Pm，計(jì)算公式如下。

式中：hi為第i 段含水層厚度，m；P0i為i 段含水層的單位厚度的阻滲強(qiáng)度，MPa/m。

依據(jù)昊村煤礦南部地面揭露奧灰鉆孔的資料，通過統(tǒng)計(jì)各含水層厚度、巖層的結(jié)構(gòu)條件、巖芯采取率等參數(shù)，并基于底板破壞深度和底板阻水性能的探查結(jié)果，綜合計(jì)算抗?jié)B強(qiáng)度。

從煤層底板奧灰等含水層的水壓與底板隔水保護(hù)層的阻滲能力的關(guān)系出發(fā)，認(rèn)為煤層底板隔水保護(hù)層的阻滲強(qiáng)度大于奧灰水壓時(shí)，煤層開采不受奧灰的影響；反之，突水危險(xiǎn)性就較大。因此，以底板阻滲能力（阻滲安全系數(shù)A）指標(biāo)來評(píng)價(jià)安全性，公式如下：

式中：Pm為阻滲強(qiáng)度；P 為鉆孔水壓。即當(dāng)A 值大于1 時(shí)，煤層開采不受底板含水層的影響；反之，有底板突水危險(xiǎn)性。

4.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)上述方法和監(jiān)測數(shù)據(jù)，計(jì)算并繪制了昊村煤礦南部安全系數(shù)（A）的等值線圖，如圖3 所示。昊村煤礦南部安全系數(shù)為1.9～3.5，總體呈由東至西逐漸增加的趨勢，且無安全系數(shù)小于1 的區(qū)域。因此，昊村煤礦南部即將接續(xù)開采的南一采區(qū)受底板奧灰含水層的影響較小，正常情況下可以實(shí)現(xiàn)安全回采。

圖3 南一采區(qū)安全系數(shù)等值線圖Fig.3 Safety coefficient contour of southern No.1 mining area

5 結(jié) 論

（1）昊村煤礦10 號(hào)煤層開采時(shí)受底板太原組石灰?guī)r和奧陶系石灰?guī)r含水層的威脅較大，井田中部和北部的底板突水系數(shù)均大于0.06 MPa/m，存在安全隱患。

（2）煤層底板破壞深度測試結(jié)果顯示，10 號(hào)煤層開采的底板破壞最大深度為11.5 m；井下多孔聯(lián)系壓滲試驗(yàn)結(jié)果顯示，監(jiān)測壓力呈緩慢增加-快速增加-穩(wěn)定的變化特點(diǎn)，獲取了各層位的導(dǎo)滲壓力值和穩(wěn)定水壓值。

（3）南一采區(qū)安全系數(shù)（A）均大于1，正常情況下可以實(shí)現(xiàn)安全回采。