山西介休青云煤礦底板奧灰水區(qū)域治理目的層位研究

吳鐵衛(wèi)，高 磊，程振雨

（中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039）

0 引言

近年來，地面區(qū)域治理技術(shù)作為奧灰水治理的主要技術(shù)方法［1］，以其先進(jìn)治理的理念、較小的環(huán)境影響和出色的治理效果而受到廣泛認(rèn)可，對于解放受奧灰水威脅的煤炭資源起到了非常重要的作用［2］。

對于底板奧灰水的區(qū)域治理，目的層位的選擇是關(guān)鍵。秦立濤等通過突水系數(shù)法確定了區(qū)域治理的目的層位與治理段厚度［3］，李沖、王鋒利、任虎俊等在河北邯邢煤礦區(qū)底板高承壓水害防治研究中，通過突水系數(shù)法、鉆井液漏失量等研究了治理層位［4-7］，董書寧等在對區(qū)域治理模式進(jìn)行研究中，也對治理層位提出了選擇準(zhǔn)則［8-9］。這些治理目的層的選擇方法對于一些煤礦底板奧灰水的防治起到了一定作用，但是各煤礦地質(zhì)、水文地質(zhì)條件均具有不同特點，目的層位的選擇方法也各不相同。

青云煤礦位于山西省介休市，區(qū)域上屬于洪山泉巖溶水系統(tǒng)的強(qiáng)徑流區(qū)，構(gòu)造復(fù)雜，底板奧灰水水壓大、富水性強(qiáng)［10-11］。根據(jù)經(jīng)驗選擇太原組薄層灰?guī)r作為治理目的層，常常起不到治理效果。本次研究采用綜合分析方法，通過研究煤礦地層、水文地質(zhì)條件，特別是巖溶發(fā)育規(guī)律、突水危險等，對底板奧灰水區(qū)域治理目的層做出綜合分析研究，以期為區(qū)域治理提供指導(dǎo)，也為華北型煤田奧灰水區(qū)域治理提供參考。

1 煤層底板地層結(jié)構(gòu)及巖性特征

1.1 地層結(jié)構(gòu)

青云煤礦屬于華北型煤田，含煤地層為石炭系—二疊系山西組與太原組，規(guī)劃開采煤層為太原組下部的9 煤、10+11 煤，其頂板為太原組K2、K3、K4 灰?guī)r，底板主要發(fā)育有石炭系本溪組、奧陶系峰峰組、馬家溝組（圖1）。

圖1 青云煤礦地層巖性柱狀圖Figure 1 Stratigraphic lithological column of Qingyun coal mine

1.2 煤層底板巖性特征

本溪組厚度約為43m，巖性主要為泥巖、鐵質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖等。奧陶系峰峰組、上馬家溝組巖性主要為灰?guī)r、白云巖等，其中峰峰組厚度約為80m，整體可以分為上、下兩段，上段為厚層石灰?guī)r，鉆進(jìn)時有程度不同的孔內(nèi)漏水現(xiàn)象；下段以厚層泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，夾不穩(wěn)定的石膏層。

2 底板含水層特征及突水危險

2.1 底板主要含水層及其水文地質(zhì)特征

1）奧陶系上馬家溝組碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。上馬家溝組上部為灰色灰?guī)r夾灰白色白云質(zhì)灰?guī)r，為本區(qū)主要巖溶水含水層之一，下部為灰黃色白云質(zhì)泥灰?guī)r，地層厚度130～250m。根據(jù)臨近的左則溝煤礦內(nèi)施工的ZS-1號上馬家溝組水文孔，水位標(biāo)高為902.156m，單位涌水量1.9761L/（s·m），滲透系數(shù)15.01m/d，水化學(xué)類型為HCO3·SO4—Ca·Mg 型，pH 值7.8，礦化度0.477 8 g/L，總硬度390.3 mg/L，水質(zhì)好，富水性強(qiáng)。

2）奧陶系峰峰組碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。峰峰組巖性呈現(xiàn)明顯的上、下段兩分特征。上段為厚層石灰?guī)r，鉆進(jìn)時有程度不同的孔內(nèi)漏水現(xiàn)象，富水性較下段好，厚度約為40m；下段以厚層泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，夾不穩(wěn)定的石膏層，鉆孔循環(huán)液無明顯消耗，富水性弱，具有良好的隔水條件。

2.2 底板突水危險性

煤層回采后，對底板產(chǎn)生一定的擾動破壞，如果隔水層薄或者底板擾動破壞帶與共同發(fā)育與煤層底板和奧陶系灰?guī)r之間的張性斷層，則奧灰水將通過這些斷層、裂隙帶進(jìn)行彈性釋放，涌入礦井發(fā)生突水［12］。對于底板突水風(fēng)險，采用突水系數(shù)法計算［13-14］。突水系數(shù)值計算公式：

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；p為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa。11 號煤層底板隔水層承受的水壓p為4.37～6.56MPa。M為底板隔水層厚度，m。

依據(jù)公式（1），經(jīng)計算，11 煤突水系數(shù)為0.067～0.146MPa/m，存在很大突水風(fēng)險。

3 治理目的層選擇

3.1 選擇的原則

地面超前區(qū)域探查治理目的層位選擇應(yīng)遵循如下原則：①治理后可采區(qū)滿足突水系數(shù)T≤0.06MPa/m，并經(jīng)評價合格。②發(fā)育穩(wěn)定，厚度較大，可以保證較高鉆孔穿層率和成孔率。③便于判層。利用巖心及γ隨鉆測井曲線容易識別。④具有穩(wěn)定的頂?shù)装?，便于注漿控制。

3.2 目的層選擇

青云井田峰峰組巖性呈現(xiàn)明顯的上、下段兩分特征，從巖性上看，下段夾不穩(wěn)定的石膏層，鉆孔循環(huán)液無明顯消耗，富水性弱，具有良好的隔水條件，可以作為隔水層。上段為厚層石灰?guī)r，平均厚度約為40m。通過井田鉆孔對比來看，整體發(fā)育穩(wěn)定。從鉆探揭露來看，各鉆孔均有不同程度的鉆井液漏失現(xiàn)象，整體富水性較好。

峰峰組上覆本溪組泥巖、鋁土泥巖，其下部峰峰組下段以厚層泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，巖性易于與峰峰組上段進(jìn)行區(qū)分。根據(jù)測井資料曲線分析，峰峰組上段灰?guī)r自然γ值明顯較低，與峰峰組下段表現(xiàn)出明顯的差異。從巖性與測井曲線特征來看，均容易識別。從巖性、穩(wěn)定性、測井曲線特征分析，選擇峰峰組上段作為區(qū)域治理目的層（圖2）。

圖2 峰峰組上段巖性與測井曲線Figure 2 Lithology and well logging curves of the upper Fengfeng Formation

如果以峰峰組上段作為區(qū)域治理目的層進(jìn)行注漿改造，治理后峰峰組上段與下段將成為馬家溝組的隔水層。從鉆探揭露來看，各鉆孔均有不同程度的鉆井液漏失現(xiàn)象，具備注漿條件。因此綜合上述因素分析，青云井田底板奧灰水區(qū)域治理應(yīng)選擇奧陶系峰峰組上段作為目的層。

4 對區(qū)域治理工程的指導(dǎo)意義

青云煤礦底板奧灰區(qū)域治理一期位于井田南部F3斷層西側(cè)，治理面積為0.55km2。治理目的區(qū)域內(nèi)11 號煤層底板隔水層承受的水壓最大為6.58MPa，按照構(gòu)造區(qū)臨界突水系數(shù)0.06MPa/m 計算，11 號煤層底板需至少有100m 的隔水層厚度。根據(jù)鉆孔揭露，11 號煤距離奧灰含水層間距平均約43m，需要至少57m的隔水層。

峰峰組上覆為本溪組泥巖、鋁土泥巖，頂板穩(wěn)定，平均厚度為43m。峰峰組上段為厚層石灰?guī)r，平均厚度約為40m，富水性好。峰峰組下段以厚層泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，為相對隔水層，平均厚度亦為40m。因此，從整體來看，只要將峰峰組上段認(rèn)真改造為隔水層，就可以達(dá)到區(qū)域突水系數(shù)小于0.06MPa/m的要求。

從測井資料來看，峰峰組上段厚層灰?guī)r的自然γ值明顯低于上、下地層，易于識別。根據(jù)目的層選擇原則，暫定改造目的層位應(yīng)為確定治理目的層選擇為奧陶系峰峰組上段。

項目共施工2個主孔，25個定向分支孔，各分支孔采用“扇形羽狀”布置施工。各分支孔施工間距60m，F(xiàn)3斷層附近加密至30m施工。

在施工過程中，鉆孔揭露的峰峰組上段厚層灰?guī)r自然γ值一般在40API 以下，而峰峰下段泥質(zhì)灰?guī)r、石膏層一般在120API 以上，上覆本溪組鋁質(zhì)泥巖一般在150API 以上，最大達(dá)到400API。施工過程中，隨鉆設(shè)備能夠不間斷顯示地層的自然γ值，如果鉆孔軌跡偏離設(shè)計軌跡，自然γ值會出現(xiàn)明顯變大。峰峰組上段容易判層，而且該段發(fā)育穩(wěn)定，具有穩(wěn)定的頂?shù)装?，作為治理目的層效果良好?/p>

采用兩種方法對治理效果進(jìn)行了驗證。一是采用地面檢查孔驗證，在對已注漿治理區(qū)域采用鉆探的方法驗證注漿加固治理效果，驗證鉆孔鉆井液沒有明顯消耗。二是采用井下鉆孔驗證。根據(jù)已治理區(qū)井下施工的2 個檢查孔進(jìn)行的壓水試驗，單位吸水率q＜0.01Lu，注漿治理效果良好。

5 結(jié)論

1）地面超前區(qū)域探查治理目的層位選擇應(yīng)遵循四個原則：治理后滿足突水系數(shù)T≤0.06MPa/m 的要求；目的層應(yīng)發(fā)育穩(wěn)定，厚度較大；便于判層；具有穩(wěn)定的頂?shù)装?。按照目的層選擇的四個原則，確定了選擇奧陶系峰峰組上段作為青云煤礦區(qū)域治理目的層位，對治理區(qū)的鉆探驗證表明，目的層位選擇合理。

2）在對底板奧灰水開展區(qū)域治理前，應(yīng)對奧陶系含水層的地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、巖溶發(fā)育規(guī)律等進(jìn)行精細(xì)勘探與研究，合理選擇治理目的層，為煤礦安全開采提供水文地質(zhì)保障。