高水压大采深矿井突水危险性评价研究

2012-12-12钱增江

中国煤炭 2012年5期

钱增江

（开滦集团赵各庄矿业有限公司，河北省唐山市，063101）

开滦赵各庄矿为全国最深矿井之一，开拓已至十四水平，标高为－1200m，埋深1254m，随着矿井的不断延伸，存在水、瓦斯、顶板、矿压等多种灾害威胁。矿井深部十四水平的水文地质特征虽然仍然延续矿井的总体特征，但由于埋深的增加，奥灰承压含水层水压高达12 MP a，高水压对矿井的安全开采构成了极大威胁，因此有必要对底板奥灰含水层和断层作进一步研究，开展突水危险性评价，为深部区域的安全开采提供保障。

1 矿井水文地质特征

赵各庄矿煤系地层的基底为奥陶系石灰岩（简称奥灰），厚度约600～800m，为一巨大的含水体，也是矿井的最强含水层。最下一个可采煤层（12＃煤层）距离奥灰120～180m，正常情况下煤层开采对奥灰不造成直接破坏。井田范围内地层产状变化极大，地质构造比较复杂，构造形式以断层为主，发育东Ⅲ等数十条大中型断层。矿井为一独立的水文地质单元，东部为弱补给边界，其余为隔水边界，具备疏水降压条件。

1.1 矿井主要充水因素

（1）煤系地层顶底板含水层：5＃、7＃煤层顶板砂岩裂隙含水层含水性较强，特别是在构造发育部位涌水量较大，对生产有一定影响；9＃、12＃煤层底板及14＃煤层顶板含水层含水性较弱，在工程揭露断裂或裂隙发育地点会有少量渗水乃至涌水，对采掘和开拓施工影响不大。

（2）奥灰岩溶裂隙含水层：矿井深部开采受煤系地层基底高压奥灰水的威胁，存在奥灰水突水的危险性。1972年3月九水平东翼一石门开采时，曾发生奥灰水突水事故。

（3）钻孔因素：本区域涉及原116勘探队施工的赵103、赵105和赵107共3个地面下探孔，根据该队提供的资料，上述钻孔在深部煤系地层段均进行了水泥砂浆封孔，但无封孔质量报告。

（4）地质构造：根据上巷实际揭露资料，井田内已揭露并延展到十四水平的大中型断层，除东Ⅲ断层外，其余断层均不导水和含水。但东Ⅲ断层在九水平东翼一石门开采12＃煤层第二分层时，由于采动对煤层底板及断层带的影响，使奥灰水经断层破碎带及煤层底板裂隙进入巷道和工作面，发生突水事故，最大涌水量52.71m3／m in。

（5）采空区积水：虽然煤系地层含水性较弱，工作面巷道布置采用由上山向两翼按一定坡度爬坡的形式，老塘内一般无大量积水。但在西翼及东翼边界区域水文地质条件复杂，且属大水区域，其老塘内会有一定量的积水，对安全、生产有一定影响。

1.2 矿井深部水平涌水量预计

采用经验比拟法对矿井十四水平涌水量进行预测。根据矿井已采水平的历史涌水量与开采深度的统计分析，确定出八水平以下各水平涌水量高峰期内的正常涌水量（每个水平在高峰涌水量期间内的平均值）与开采深度的相关关系为：

式中：s——各水平的采深，m；

Q——单位时间涌水量，m3／m in。

按式（1），根据十四水平的采深（1254m），计算出十四水平正常涌水量为4.98m3／m in。由于涌水量受多种因素的影响，在不同阶段及不同季节会有所不同。根据回风巷涌水量资料统计，最大涌水量可达稳定涌水量的2倍，故仍采用经验比拟法将正常涌水量的2倍作为最大涌水量，即预计十四水平最大涌水量为9.96m3／m in。以上为正常情况下的涌水量预测，未考虑突水等灾变因素。从矿井涌水量变化规律来看，随着开采水平的向下转移，上水平涌水量会逐步减小，矿井总体涌水量变化不大，预计十四水平投入后，矿井总涌水量最大为35.62m3／m in。

2 矿井深部开采突水危险性评价

根据上水平的成功开采经验和多项科研研究成果，采用多种方法对底板带压（奥灰水）突水危险性进行了评价。

2.1 用突水系数评价

根据上巷带压开采的经验，仍采用突水系数方法衡量底板奥灰水的威胁程度，突水系数大于0.1 MP a／m的区域留作防水煤柱。如果奥灰水位按±0m计，底板破坏深度按10m计，奥灰的原始导高带按0m计，十四水平（－1100～－1200m）12＃煤层东翼大部及西翼局部的突水系数大于0.1MP a／m，其余区域及其它煤层突水系数小于0.1MP a／m。十多年来，矿井在十三水平（－1100 m）以上突水系数小于0.1MP a／m的多个工作面进行了安全开采。在已采工作面中，1232工作面最大突水系数达0.088 MP a／m，2132工作面达0.0995 MP a／m，1132、3132工作面局部突水系数接近0.1 MP a／m。说明在正常底板条件下，通过采取疏水降压（将奥灰水位控制在－150m以下）和在断层区域根据具体水文地质条件按规程留设防水煤柱的措施，在突水系数小于0.1 MP a／m（奥灰水位按±0计算）的区域是可以实现安全开采的。

2.2 底板有效隔水层阻水能力评价

通过现场和室内围岩水力压裂试验，在底板正常区，奥灰水位按±0m计，－1200m标高的最大水压PW＝11.76 MP a，而使岩体破裂时的临界水压为Pb＝13.3 MP a，Pb＞PW。所以在－1200m处，水压不可能压裂岩层；通过对正常区12＃煤层底板有效隔水层阻水系数的计算和阻水能力的研究，－1200m标高的有效隔水层的阻水能力为20.772MP a，大于PW，故能有效地阻抗奥灰水压。12＃煤层底板隔水层的隔水性能良好，井田深部奥灰岩溶发育程度较弱。在正常底板条件下，足以阻抗以裂隙网络形式储存的灰岩岩溶水，不会发生底板破坏性突水。在煤层底板正常区域，十四水平开采是安全可行的。