双柳煤矿开采上组煤层太灰水突水危险性评价

狄效斌

(山西省煤炭地质勘查研究院，山西 太原 030031)

·问题探讨·

双柳煤矿开采上组煤层太灰水突水危险性评价

狄效斌

(山西省煤炭地质勘查研究院，山西 太原 030031)

双柳煤矿4号煤层存在底板太灰水带压开采问题，文中在概述井田内太灰水贮存特征的基础上，分别利用突水系数法和多层叠加抗压强度比值系数法进行了太灰水对4号煤层突水危险性评价，最后叠置二者评价结果做出了综合评价。以期为煤矿防治水工作提供参考依据。

太灰水;带压开采;突水系数;比值系数;综合评价

双柳煤矿是山西汾西矿业(集团)有限责任公司下属的大型生产矿井之一。矿井目前开采一水平山西组 3#、4#煤层(上组煤)，实际生产能力 300万t/年。一水平标高+585 m，太灰水水位标高+710 m，矿井存在太灰水带压开采问题［1］。为了有效预防及控制太灰水突水的发生，为矿井防治水规划提供参考依据，有必要开展太灰水突水危险性评价，对煤矿防治水具有一定的指导意义。

1 矿井概况

双柳煤矿位于山西省河东煤田中部，离柳矿区西部，行政区划属吕梁地区柳林县管辖。井田面积约30 km2。地貌单元上属构造—侵蚀低山丘陵黄土地貌。地层由老至新有:下古生界奥陶系中统下马家沟组、上马家沟组、峰峰组;上古生界石炭系中统本溪组、上统太原组;二叠系下统山西组、下石盒子组，上统上石盒子组及石千峰组;新生界第三系、第四系。本区地层中的主要含水层自上而下可分为:松散岩类孔隙水潜水含水层、煤系地层砂岩裂隙承压含水层、石炭系碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙承压含水层和奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙承压含水层。

井田所在区域地质工作开展历史较早，地质研究程度相对较高，积累了较丰富的地质基础资料，同时曾先后开展了水文地质补勘工作，为本次太灰水突水危险性评价提供了参考依据。

2 井田太灰水贮存特征

2.1 含水介质组合及水文特征

石炭系上统太原组主要含水层为L1～L5薄层石灰岩，灰岩的单层厚度 2.50～12.75 m，累计厚度27.83 ～34.26 m，平均厚度 29.96 m，含石灰岩层的厚度(L1～L5之间厚度)39.50 ～47.71 m，平均厚度42.44 m，约占整个太原组厚度的35% ～53%。属碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙承压含水层，其中以灰岩含水为主。

灰岩含水层为深灰色，中厚层状，泥晶—微晶结构，致密、坚硬，其矿物成分以方解石为主，其含量约占70% ～90%，生物碎屑约占15% ～20%，含少量泥质。受构造运动的影响，各孔均有一定程度的构造裂隙、层面裂隙及节理裂隙发育的迹象，但发育程度有所差异。据钻孔岩芯鉴定，岩溶形态以溶隙为主，其次为溶孔。裂隙的开启程度及其连通性各孔也有所不同，部分裂隙被方解石脉或泥质所充填，总体呈半充填—全充填，以半充填为主。据钻孔抽水试验资料，单位涌水量 0.002 03 ～0.912 211 L/s·m，渗透系数0.005 72 ～0.211 79 m/d，水质类型主要为 SO4·HCO3－Na·Mg(Ca)型和 HCO3·Cl－Na型，矿化度1.3 ～3.6 g/L。

2.2 地下水补径排条件

2.2.1 补给条件

太灰水的补给来源有以下三种形式:1)在井田外围即东部煤层露头线一带及太灰浅埋区，可直接接受大气降水入渗补给，其次是地表水的间歇性渗漏补给。2)在上覆隔水层厚度变薄缺乏稳定隔水底板的局部地段，可接受上覆含水层裂隙水的下渗越流补给。3)在区域太灰水位整体下降的背景下，由于本矿风井受长期排水影响，从而进一步形成了以风井为中心的局部水位下降漏斗，因水力坡度增大，可袭夺来自北面、南面太灰水的侧向径流补给，以及来自下游(西面)太灰水的反补。

2.2.2 径流条件

太灰水的径流条件非常复杂。在井田区太灰含水层隐伏于新生界及二叠系P2s、P1x、P1s地层之下，且为含、隔水层相互叠置组合结构。据分析，在自然状态下，地下水流向主要受地形条件及构造条件所控制，亦沿地势下跌及地层倾向由东向西以接近地面坡降的水力坡度水平径流。但在矿井排水及风井长期排水的状态下，地下水的径流条件会出现明显改变，从太灰水位流场可以看出，以风井为中心，漏斗形态很不对称，西面水力坡度很陡，东、北、南三面则缓，由此可以判定，太灰水是由漏斗四周向风井中心一带运移、汇集。

2.2.3 排泄条件

太灰水的排泄方式也较为复杂。在自然状态下，一般是潜流形式由浅埋区向深埋区缓慢径流，或在构造发育或隔水层变薄地段，可越流补给下伏含水层中地下水;在矿井排水状态下，采矿活动直接或间接揭露含水层后，矿坑疏干排水成了太灰水的主要排泄方式。

3 太灰水突水危险性评价

为合理评价太灰水对开采上组煤层的突水危险性，本次采用突水系数法和多层叠加抗压强度比值系数法两种方法进行评价。通过两种方法的相互对比验证，最终采用可靠的评价结果［2］。

3.1 突水系数法

3.1.1 突水系数计算方法

突水系数即单位隔水层厚度所承受的水压，而临界突水系数则为单位隔水厚度所能承受的最大水压。用突水系数法预测煤层底板突水，公式易于理解，计算简单，它基本能反映底板突水因素的综合作用。主要影响因素有水压和隔水层厚度，其数学表达式如下:

式中:

T—突水系数，MPa/m;

P—底板隔水层承受水压，MPa;

M—底板隔水层厚度，m。

计算参数确定:

1)底板隔水层厚度:

根据井田内勘查钻孔资料，隔水层厚度为39.12～69.18 m。

2)煤层底板隔水层承受水压:

煤层底板隔水层承受水压=太灰初始静水位－隔水底板标高。

根据《汾西矿业集团有限责任公司双柳煤矿水文地质补充勘探报告》(煤炭科学研究总院西安研究院，2007年)，太灰自然水位标高为710 m。

3)临界突水系数:

根据《煤矿防治水规定》(国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局，2009)底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m。据山西、河北、河南、山东一些矿区多年的开采经验，区域临界突水系数一般介于0.060～0.150 MPa/m。本文临界突水系数取0.06。

3.1.2 突水系数计算结果

采用突水系数公式，分别计算17个钻孔太灰水对上组煤层的突水系数。计算结果见表1。

表1 太灰水对4#煤层突水系数计算结果汇总表

根据以上各孔的突水系数值，经过GMS软件处理后绘制出太灰水对4#煤层的突水系数等值线图， 见图1。

图1 太灰水对4号煤层突水系数等值线图

从图1可以看出:T的范围为0.005～0.008，虚线为0.06等值线，虚线以北，即井田的东北区域T＜0.06，为安全区，虚线以南，即井田的西南区域T＞0.06，为不安全区，钻孔S4和MS2附近突水系数比周围稍大，在矿区的西南部突水系数最大，为最危险区域。

3.2 多层叠加抗压强度比值系数法

3.2.1 抗压强度比值系数计算方法

该方法从力学角度出发，突出考虑了隔水底板软岩与硬岩组合、单层的抗压强度及总体抗压强度。其含意为水压与底板总体抗压强度比值关系，当比值系数大于1时，即水压大于底板抗压强度时就易发生突水，计算公式为:

式中:

Tjs—底板多层叠加抗压强度比值系数;

Mi—底板岩层组合中，各分层的厚度，m;

ki—底板岩层组合中各分层的抗压强度，MPa/m;

i—层数;

P—煤层隔水层底板承受水压，MPa。

计算参数确定:

1)岩层抗压强度。

根据煤炭部门在山西、山东、河南、河北等矿区所做的实验，取得不同岩层每米抗压强度的实测值见表2。

表2 不同岩层抗压强度试验值汇总表

2)底板岩层分类。

根据钻探、测井、岩石力学测试资料，将底板岩层综合划分为以下四类，然后根据各分层岩石类型的抗压强度及厚度，计算底板总体抗压强度。

Ⅰ类:包括各种砂岩及灰岩

Ⅱ类:包括砂质泥岩、铝质泥岩、铁质泥岩等

Ⅲ类:包括煤、泥岩、黏土岩等

Ⅳ类:断裂破碎带

3.2.2 煤层底板抗压强度比值系数计算结果

采用多层叠加抗压强度比值系数公式，通过计算得出17个钻孔煤层底板抗压强度比值系数，见表3。

根据每个孔的抗压强度比值系数值，通过GMS软件处理后绘制出4#煤层底板抗压强度比值系数等值线，见图2。

从图2 可以看出:比值系数 Tjs在 0.5 ～4.0，以1.00等值线(粗线)为界，井田的东南部 Tjs＜1，为安全区域;井田的西部区域Tjs＞1，为不安全区;在井田的北部有小范围的区域Tjs＜1，也为安全区域。

表3 4#煤层底板多层叠加抗压强度比值系数计算结果汇总表

图2 4#煤层底板抗压强度比值系数等值线图

3.3 太灰水突水危险性综合评价

将突水系数等值线图和多层叠加抗压强度比值系数等值线图进行比较，叠加在一起，叠加结果见图3。

图3 突水危险性综合评价图

Ⅰ区为两种方法计算都为安全的区域。

Ⅱ为多层叠加抗压强度比值系数法计算为不安全区域。

Ⅲ区为突水系数法计算为不安全的区域，Ⅳ区为两种方法计算都为不安全的区域，称为高危区。

为保证安全开采，建议对于计算结果为不安全区和高危区必须采取疏水降压或注浆加固防治水措施，以保证矿井的安全生产。

［1］ 曹小虎.双柳煤矿矿井充水特征分析［J］.地下水，2010(6):56－57，60.

［2］ 石怀虎，白维灿，程英好.岩溶充水矿区煤层底板突水危险性评价方法探讨［J］.中国煤田地质，2007，19(S2):38－40，56.

Risk Evaluation on Taiyuan Group Karst Water Inrush of Mining Upper Coal Seam in Shuangliu Coal Mine

Di Xiao－bin

The No.4 coal seam has the problem of mining with Taiyuan group limestone karst water pressure in Shuangliu coal mine，according to Taiyuan group limestone karst water storage features in mining area，respectively using the water inrush coefficient method and multilayer superposition compressive strength ratio coefficient method，the Taiyuan group limestone karst water bursting hazard on the No.4 coal seam was evaluated，finally stacking two evaluation results to make comprehensive assessment.In order to provide reference for mine water prevention and control work.

Taiyuan group limestone karst water;Mining with pressure;Water inrush coefficient;Ratio coefficient;Comprehensive assessment

TD745+.2

A

1672－0652(2012)08－0052－05

2012－06－05

狄效斌(1970—)，男，山西应县人，1992年毕业于辽宁工程技术大学，高级工程师，主要从事地质勘查及地质调查与研究(E －mail)xbd05@163.com