黔北煤田灰?guī)r含水層對(duì)開(kāi)采13號(hào)煤層的影響研究

李回貴,蘇德國(guó),孫 維,許國(guó)勝,王 軍,3

(1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院,貴州 畢節(jié) 551700; 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400039;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083)

煤炭資源是我國(guó)現(xiàn)階段最主要的能源,并將在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間處于我國(guó)一次能源消費(fèi)的主導(dǎo)地位,這是由我國(guó)能源賦存情況及技術(shù)條件所決定的。近年來(lái),隨著煤礦開(kāi)采深度的逐漸增加,底板水害問(wèn)題日益突出[1-2]。底板水害大部分發(fā)生在工作面回采過(guò)程中,少部分發(fā)生在掘進(jìn)過(guò)程中,這主要是由于采掘活動(dòng)改變了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)及滲透率,降低了隔水層的隔水能力,導(dǎo)致圍巖不能抵抗承壓水的壓力而發(fā)生突水[3-6]。

針對(duì)底板水的突水機(jī)理、監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)預(yù)警、底板加固等方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。尹尚先等[7]對(duì)石炭二疊系煤田深部底板奧灰薄灰突水機(jī)理及防治技術(shù)進(jìn)行了研究;靳德武等[8]以華北典型煤田煤層底板突水問(wèn)題為切入點(diǎn),對(duì)煤層底板水害三維監(jiān)測(cè)與智能預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究;余國(guó)鋒等[9]以淮河能源集團(tuán)開(kāi)采深部A組煤遇到的水害問(wèn)題為研究對(duì)象,建立了底板突水災(zāi)害大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)預(yù)警平臺(tái);許延春等[10]運(yùn)用孔裂隙彈性體理論,建立了注漿加固工作面底板突水“孔隙—裂隙升降型”力學(xué)模型;蔣向明等[11]采用區(qū)域超前探查治理技術(shù)對(duì)邯鄲礦區(qū)深部采煤底板水害進(jìn)行治理,提出了“探、注、驗(yàn)一體化”的治理思路[11];付茂如等[12]采用音頻電透視技術(shù)和三維并行電法技術(shù)對(duì)礦井工作面底板水害進(jìn)行了綜合探查;袁子航[13]、劉建林[14]等采用定向鉆孔技術(shù)對(duì)煤層底板水害進(jìn)行了探查與防治;李濤等[15]在基于承壓水單孔放水實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了底板分類(lèi)注漿方案;梁盛開(kāi)[16]、趙亞飛[17]、曹廣宇[18]、樊娟[19]等對(duì)黔北地區(qū)的頂?shù)装逋凰畽C(jī)理、隱蔽水害致災(zāi)因素、龍?zhí)督M下組煤開(kāi)采充水特征及巖溶含水層特征進(jìn)行了研究。

黔北煤田金沙片區(qū)茅口組灰?guī)r對(duì)開(kāi)采13號(hào)煤層的影響較大,此類(lèi)研究相對(duì)較少。目前金沙片區(qū)需要將13號(hào)煤層作為9號(hào)煤層的保護(hù)層先行開(kāi)采,抽采9號(hào)煤層的瓦斯,降低瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生。因此,開(kāi)展13號(hào)煤層安全開(kāi)采可行性研究,為后期金沙片區(qū)內(nèi)的礦井開(kāi)采深部13號(hào)煤層提供依據(jù),對(duì)于保障金沙片區(qū)煤礦的安全生產(chǎn)具有重要意義。以金沙片區(qū)煤礦為研究對(duì)象,首先分析底板隔水層巖性及其特征,然后采用《煤礦防治水細(xì)則》中的突水系數(shù)法[20]及SUFER軟件,分析隔水層厚度、茅口組含水層水頭值、13號(hào)煤層底板突水系數(shù)和13號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于貴州省西北部畢節(jié)市金沙縣境內(nèi),地處黔北高原,屬以巖溶地貌為主的中低山侵蝕、剝蝕地貌。地勢(shì)西高東低,最高點(diǎn)位于研究區(qū)域西界王家屋基附近的山坡上,標(biāo)高約為1 625 m;最低點(diǎn)位于研究區(qū)東端邊界附近,標(biāo)高約為1 025 m。研究區(qū)內(nèi)最大相對(duì)高差約600 m;地表標(biāo)高一般為1 250～1 450 m,高差100～200 m。研究區(qū)域走向長(zhǎng)4.0～6.0 km,傾斜寬3.0～4.0 km,面積21.8 km2。根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)地質(zhì)資料可知,13號(hào)煤層底板茅口組(P2m)含巖溶溶洞水,富水性強(qiáng),具有不均勻性,屬巖溶強(qiáng)含水層。研究區(qū)域內(nèi)茅口組灰?guī)r平均靜水位1 296.52 m,并且茅口組灰?guī)r出露礦區(qū)南側(cè)及西北側(cè)外部,地表呈峰林、落水洞、溶斗、巖溶洼地地貌,發(fā)育有地下河,上述地表出露與巖溶通道為茅口組灰?guī)r提供了良好的水源和補(bǔ)給通道。

2 研究區(qū)域隔水層及其特征

2.1 研究區(qū)域隔水層厚度及巖性特征

研究區(qū)域內(nèi)歷次勘探揭露二疊系地層的鉆孔有 38 個(gè),根據(jù)獲得的鉆孔巖性參數(shù)對(duì)38個(gè)鉆孔13號(hào)煤層至茅口組灰?guī)r頂界的巖層厚度、總厚度及各巖層占比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)研究區(qū)內(nèi)13號(hào)煤層底板至茅口組灰?guī)r頂界的巖性及隔水層厚度統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)域內(nèi)13號(hào)煤層底板隔水巖組由泥巖、石灰?guī)r、粉砂巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粉砂巖、煤、細(xì)砂巖、粗砂巖、鋁質(zhì)泥巖等12種巖石組成。部分鉆孔柱狀圖如圖1所示。

(a)J1604鉆孔

2.2 研究區(qū)域隔水層隔水性能分析

隔水層巖性決定巖層的隔水性能。組成巖層的礦物顆粒越細(xì),其隔水性能越好。根據(jù)上述分析可知,13號(hào)煤層至茅口組灰?guī)r頂界中共有9種隔水性能較好的巖層,平均厚度14.88 m,隔水性巖層總厚度占隔水層厚度平均為75.56%。隔水層的厚度影響巖層的隔水能力。隔水層的厚度越大,其隔水性能也就越好。不同的巖性組合也決定底板的阻水性能,因此,判斷底板的巖性組合對(duì)礦山安全開(kāi)采十分重要。結(jié)合圖1可以發(fā)現(xiàn),研究區(qū)域內(nèi)隔水層巖性上下巖層相對(duì)較軟、中間巖層相對(duì)較硬,這種隔水層結(jié)構(gòu)在13號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)采動(dòng)破壞相對(duì)較小,水壓破壞不易發(fā)生,說(shuō)明采動(dòng)底板破壞深度和承壓水導(dǎo)升高度相對(duì)較小,因此,這種巖性組合的隔水層隔水性能相對(duì)較好。

3 茅口組灰?guī)r含水層對(duì)開(kāi)采13號(hào)煤層的影響

3.1 突水系數(shù)法

我國(guó)目前最常用的評(píng)判帶壓開(kāi)采安全標(biāo)準(zhǔn)是突水系數(shù),參考《煤礦防治水細(xì)則》附錄五中關(guān)于“安全隔水層厚度和突水系數(shù)計(jì)算公式”[20],該突水系數(shù)用地下水水壓與隔水層厚度的比值來(lái)表示:

(1)

式中:T為突水系數(shù),MPa/m;p為底板隔水層承受的實(shí)際水頭,MPa;M為底板隔水層的厚度,m。

根據(jù)我國(guó)煤礦底板突水的實(shí)際資料來(lái)看,底板受構(gòu)造破壞段的突水系數(shù)不得大于0.06 MPa/m,隔水層完整無(wú)斷裂構(gòu)造破壞地段的突水系數(shù)不得大于0.10 MPa/m。

3.2 13號(hào)煤層底板隔水層厚度

為了研究茅口組灰?guī)r含水層對(duì)13號(hào)煤層開(kāi)采井下工作面發(fā)生底板突水的危險(xiǎn)性,對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的38個(gè)鉆孔13號(hào)煤層底部隔水層厚度等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。13號(hào)煤層底板距離茅口組灰?guī)r含水層頂界的隔水層厚度為13.53～35.15 m,平均值為19.48 m,只有極個(gè)別鉆孔揭露的隔水層厚度大于30 m。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)繪制13號(hào)煤層底板隔水層厚度等值線圖,如圖2所示。對(duì)比全國(guó)范圍內(nèi)其他煤礦突水事故的情況,黔北煤田金沙片區(qū)底板隔水層厚度相對(duì)較小。從圖2中可以看出:研究區(qū)域西北部范圍內(nèi)13號(hào)煤層底板隔水層相對(duì)較厚,其他區(qū)域厚度較小,表現(xiàn)出從北向南隔水層厚度逐漸減小的趨勢(shì)。

圖2 13號(hào)煤層底板隔水層厚度等值線圖

3.3 茅口組灰?guī)r含水層水頭值

根據(jù)貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘察研究院提交的研究區(qū)域精查地質(zhì)報(bào)告和補(bǔ)充勘探地質(zhì)報(bào)告提供的數(shù)據(jù)顯示,茅口組靜水位為152.76～1 331.11 m,平均值為1 296.52 m。統(tǒng)計(jì)了38個(gè)鉆孔茅口組灰?guī)r頂界埋深和靜水位標(biāo)高(見(jiàn)表1),計(jì)算了茅口組灰?guī)r含水層水頭值,并且根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)繪制了研究區(qū)域內(nèi)茅口組灰?guī)r水頭值的等值線圖,如圖3所示。結(jié)合表1和圖3可以發(fā)現(xiàn),茅口組灰?guī)r頂界埋深為728.05～1 158.71 m,平均值為957.15 m;茅口組灰?guī)r含水層水頭值為1.35～5.57 MPa,平均值為3.33 MPa;茅口組灰?guī)r含水層水頭值主要沿煤層延伸方向逐漸增高。

圖3 13號(hào)煤層底部隔水層所受水頭值等值線圖

3.4 13號(hào)煤層掘進(jìn)工作面安全隔水層厚度

分析13號(hào)煤層進(jìn)行巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)掘進(jìn)工作面安全隔水層厚度,采用《煤礦防治水細(xì)則》[20]附錄五中關(guān)于“安全隔水層厚度和突水系數(shù)計(jì)算公式”,其中掘進(jìn)工作面安全隔水層厚度計(jì)算公式如下:

(2)

式中:t為安全隔水層厚度,m;γ為底板隔水層巖層平均重度,MN/m3;L為巷道底板寬度,m;Kp為底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度,MPa。

根據(jù)研究區(qū)域地質(zhì)資料和生產(chǎn)狀況,巷道底板寬度L取4 m;底板隔水層巖層平均重度γ取0.025 MN/m3;底板隔水層承受實(shí)際水頭p依據(jù)研究區(qū)域最低點(diǎn)705鉆孔數(shù)據(jù),取5.68 MPa;底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度Kp取2.0 MPa。將上述參數(shù)代入式(2)計(jì)算得到掘進(jìn)工作面安全隔水層厚度t=5.35 m。

由表1中的13號(hào)煤層隔水層厚度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),研究區(qū)域全區(qū)范圍內(nèi)13號(hào)煤層掘進(jìn)工作面安全隔水層厚度均能夠滿足要求,在掘進(jìn)工作中正常情況下一般不會(huì)出現(xiàn)突水威脅;但是當(dāng)遇導(dǎo)水?dāng)嗔褞?、斷層帶、陷落柱、?dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造時(shí),仍然有突水危險(xiǎn),所以生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)采用物探、鉆探等技術(shù)手段查明地質(zhì)構(gòu)造情況。

3.5 13號(hào)煤層底板突水系數(shù)分析

選取研究區(qū)域內(nèi)13號(hào)煤層與茅口組灰?guī)r的隔水層厚度數(shù)據(jù),將不同埋深13號(hào)煤層底板所受茅口組灰?guī)r含水層實(shí)際水頭值代入式(1),計(jì)算得到研究區(qū)域內(nèi)13號(hào)煤層底板突水系數(shù)(見(jiàn)表1),繪制突水系數(shù)等值線圖,如圖4所示。

圖4 13號(hào)煤層底板突水系數(shù)等值線圖

從表1可以看出,研究區(qū)域內(nèi)38個(gè)鉆孔中:突水系數(shù)T<0.06 MPa/m的鉆孔有1個(gè)(701鉆孔);0.06≤T<0.10 MPa/m的鉆孔有4個(gè);0.10≤T<0.15 MPa/m的鉆孔有8個(gè);T≥0.15 MPa/m的鉆孔有25個(gè)。

從圖4可以發(fā)現(xiàn),研究區(qū)域內(nèi)13號(hào)煤層底板茅口組灰?guī)r含水層突水系數(shù)為0.049～0.328 MPa/m,突水系數(shù)大的區(qū)域位于研究區(qū)域西北部,該部分區(qū)域13號(hào)煤層埋深較大,底板隔水層所受水頭值較大,且底板隔水層厚度較小。整體而言,13號(hào)煤層淺部區(qū)域突水系數(shù)相對(duì)較小,自西南向東北方向逐漸變大。

3.6 13號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性分區(qū)

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》附錄五中關(guān)于“安全隔水層厚度和突水系數(shù)計(jì)算公式”,從我國(guó)煤礦底板突水的實(shí)際資料來(lái)看,底板受構(gòu)造破壞段的突水系數(shù)不得大于0.06 MPa/m,隔水層完整無(wú)斷裂構(gòu)造破壞的地段的突水系數(shù)不得大于0.10 MPa/m。將研究區(qū)域13號(hào)煤層底板突水系數(shù)等值線圖劃分為非危險(xiǎn)區(qū)(突水系數(shù)T<0.06 MPa/m)、較危險(xiǎn)區(qū)(0.06≤T<0.10 MPa/m)、危險(xiǎn)區(qū)(0.10≤T<0.15 MPa/m)、極危險(xiǎn)區(qū)(T≥0.15 MPa/m),具體如圖5所示。

圖5 13號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖

從圖5中可知,研究區(qū)域內(nèi)非危險(xiǎn)區(qū)(突水系數(shù)T<0.06 MPa/m)僅出現(xiàn)在區(qū)域的西北部(該區(qū)域煤層埋藏較淺且底板隔水層相對(duì)較厚)零星區(qū)域,面積有限,約為3 368 m2,非危險(xiǎn)區(qū)面積占比為0.03%。研究區(qū)域內(nèi)較危險(xiǎn)區(qū)(0.06≤T<0.10 MPa/m)僅出現(xiàn)在區(qū)域的西北部(該區(qū)域煤層埋藏較淺且底板隔水層相對(duì)較厚)和南部(該區(qū)域煤層埋藏較淺)面積較小的區(qū)域,為257 318 m2,較危險(xiǎn)區(qū)面積占比為2.59%。研究區(qū)域內(nèi)危險(xiǎn)區(qū)(0.10≤T<0.15 MPa/m)出現(xiàn)在區(qū)域的西北部和南部的區(qū)域,即黃色填充區(qū)域,面積為1 536 620 m2,危險(xiǎn)區(qū)面積占比為15.46%。研究區(qū)域內(nèi)極危險(xiǎn)區(qū)(T≥0.15 MPa/m)出現(xiàn)在區(qū)域的西北部和南部的區(qū)域,即橘紅色填充區(qū)域,為研究區(qū)域的大部分區(qū)域,面積為8 140 891 m2,極危險(xiǎn)區(qū)面積占比為81.92%。各區(qū)域所占面積見(jiàn)表2。

表2 13號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性分區(qū)統(tǒng)計(jì)

綜上所述,通過(guò)突水系數(shù)法進(jìn)行判斷,13號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)西北部零星區(qū)域內(nèi)滿足承壓水上開(kāi)采的安全性要求,其余區(qū)域內(nèi)進(jìn)行茅口組灰?guī)r承壓水上開(kāi)采時(shí)存在不同程度的突水危險(xiǎn)性,尤其是在占大部分區(qū)域的極危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行開(kāi)采時(shí),受茅口組灰?guī)r水害威脅大,茅口組灰?guī)r水害的防治工作困難。

4 結(jié)論

為了研究黔北煤田金沙片區(qū)茅口組灰?guī)r含水層對(duì)開(kāi)采13號(hào)煤層的影響,統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)域內(nèi)38個(gè)鉆孔的巖性、隔水層厚度和茅口組灰?guī)r頂界埋深等數(shù)據(jù),計(jì)算了茅口組灰?guī)r頂界含水層水頭值,并采用《煤礦防治水細(xì)則》中的突水系數(shù)法分析了研究區(qū)域內(nèi)的突水系數(shù),研究發(fā)現(xiàn):

1)13號(hào)煤層底板隔水層由泥巖、石灰?guī)r、粉砂巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粉砂巖、煤、細(xì)砂巖、粗砂巖、鋁質(zhì)泥巖等12種巖石組成。其中,隔水性能較好的巖層有9種,累計(jì)厚度占隔水層厚度比例平均為75.56%;含水性巖層有3種,累計(jì)厚度占隔水層厚度比例平均為24.44%。

2)13號(hào)煤層底板隔水層厚度為13.53～35.15 m,平均值為19.48 m;13號(hào)煤層掘進(jìn)工作面安全隔水層厚度為5.35 m,正常情況下隔水層厚度能夠滿足要求,但是應(yīng)注意斷層等構(gòu)造的影響,生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)采用物探、鉆探等技術(shù)手段查明地質(zhì)構(gòu)造情況。

3)研究區(qū)域內(nèi)38個(gè)鉆孔中:T<0.06 MPa/m的鉆孔有1個(gè)(701鉆孔),占比2.6%;0.06≤T<0.10 MPa/m的鉆孔有4個(gè),占比10.5%;0.10≤T<0.15 MPa/m的鉆孔有8個(gè),占比21.1%;T≥0.15 MPa/m的鉆孔有25個(gè),占比65.8%。

4)研究區(qū)域內(nèi)非危險(xiǎn)區(qū)面積占比為0.03%,較危險(xiǎn)區(qū)面積占比為2.59%,危險(xiǎn)區(qū)面積占比為15.46%,極危險(xiǎn)區(qū)面積占比為81.92%。