庚20煤层底板寒武系灰岩富水性分析与防治措施

摘要：本文对平煤股份三矿庚20煤层开采中底板寒武系灰岩含水层的孔隙裂隙或岩溶裂隙发育程度、富水性、补给与径流条件、突水因素、矿井充水水源与导水通道等水文地质条件进行分析、预测出矿井后续生产的矿井涌水量，分析寒武系灰岩属岩溶裂隙中-弱富水含水层，由于补给条件差，补给水量有限，含水层水以静储量为主。

关键词：煤层底板 富水性 岩溶裂隙发育

1 概况

矿井由武汉煤矿设计院设计，1998年3月动工建设，2000年5月投产，设计年生产能力15万t，开采深度1100m，服务年限20年。经扩建改造，2012年核定年生产能力66万t，实际生产原煤100.3万t，开采最低标高-720m，矿井目前主要开采石炭系太原组庚20煤层，由于开采深度的不断增加，开采水平不断延伸，巷道施工逐步由无压转为承压区域开采，将受到底板寒武系灰岩承压水的威胁。

庚20煤层在井田范围内，为主要可采煤层，煤层较稳定，达到可采厚度，煤层平均厚度为2.2m，含夹矸2～3层，估算资源储量为624.0万吨，L5灰岩构成庚20煤层直接顶板，间接底板为寒武系灰岩，井田范围内开采标高在-280～-720m，煤层埋深430～1100m。矿井从2002年至2006年，有记载的突水共发生43次，主要发生在

庚20煤层，涌水量大于50m3/h的2次，占总突水次数的4.7%，最大突水量达96m3/h，突水水源：L5灰岩水18次，占41.9%；老巷水7次，占16.3%；裂隙水12次，占27.9%；砂岩水2次，占4.7%；断层水4次，占9.3%。目前开采最低标高在-510m，水位标高为-450m，目前矿井正常涌水量为15m3/h，最大涌水量为30m3/h，依据周边四矿庚一采区在掘进巷道过程中，遭遇过底板突水，突水量达60m3/h，由于受埋藏深度及补给条件的影响，岩溶裂隙及富水性均较弱，并以静态水量为主，但由于横向上存在的不均衡性，在承压水区对矿井充水影响较大，因此，寒武系灰岩岩溶裂隙水，对矿井充水构成威胁。

2 寒武系灰岩富水性分析

2.1 寒武系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层

主要由中厚层状白云质灰岩、鲕状灰岩、泥质条带灰岩，中夹泥岩和砂质泥岩组成。主要含水层段为寒武系中统张夏组鲕状灰岩和上统崮山组白云质灰岩，两组灰岩厚200m左右，是庚20煤层底板主要充水含水层。据钻孔与相邻矿井二矿不同标高泄水巷揭露，浅部岩溶裂隙发育，向深部逐渐减弱，富水性亦是如此规律。钻孔抽水试验，浅部与深部，单位涌水量分别为2.2702～3.2169L/s.m和0.00206～0.002351L/s.m；渗透系数分别为1.092m/d和0.000891m/d。地下水化学类型，主要为HCO3-Ca、HCO3-CaMg和HCO3-CaNa型，矿化度0.3～0.5g/L。属岩溶裂隙中-弱富水含水层，在开采庚20煤层过程中，底部L7灰岩同寒武系灰岩水沟通，其涌水量较大，充分表明，由于横向上存在的不均衡性，在承压水区对矿井充水影响较大。

2.2 地下水的补、径、排条件

2.2.1 岩溶裂隙水的补、径、排条件。井田位于平顶山岩溶水系统东部水文地质单元的浅中部，石炭和寒武系灰岩含水层隐伏区，在煤层隐伏露头带含水层埋藏的浅部，通过第四系间接接受大气降水的补给外，直接补给条件较差。补给区主要位于矿区西部水文地质单元岩溶裂隙发育区，含水层接受大气降水和湛河水补给后，部分地下水在其南部越流过锅底山断层进入东部水文单元，而后随地层倾向由南向北，由浅至深径流。

2.2.2 充水水源。井田位于矿区东部水文单元的西部，庚20煤层开采标高-280～-720m，顶底板灰岩含水层是构成矿井充水的主要水源。分析研究表明，石炭、寒武系灰岩含水层，随深度增加，岩溶裂隙发育程度及富水性呈逐渐减弱趋势。由于补给条件差，补给水量有限，含水层水以静储量为主，但在开采过程中，底板承压水对矿井安全生产有一定的威胁。

2.2.3 导水通道。庚20煤层顶底板分别为太原组L5、L7灰岩含水层，采动后灰岩水构成对矿井的直接充水水源。煤层下距间接充水含水层寒武系灰岩平均21.2m，在正常地段，采动裂隙构不成对矿井的导水通道，但在构造发育地段，破裂的岩层，再加之矿压对底板的破坏影响，在水位高出煤层底板的情况下，造成底板突水的可能性较大。

3 庚20煤层开采中底板寒武系灰岩富水性分析

3.1 隔水层厚度

本溪组铝土质泥岩隔水层位于太原组底部，厚0.7～12.1m，平均5.1m，层位稳定，分布广，沉积厚度变化较大。由于该泥岩可塑性强，透水性差，是石炭系与寒武系灰岩间的良好隔水层；L3和L5灰岩之间，为砂质泥岩、泥岩和薄层灰岩，一般厚17.4m，层位较稳定，是L7和L2两含水层间的良好隔水层。

3.2 水位及水压

依据井下水文观测孔观测，目前寒灰灰岩水位为-450m，因此，-450m水平以下开采庚20煤层将受到底板承压水的威胁，根据《煤矿防治水规定实施办法》中突水系数计算公式，计算出底板隔水层承受的水压。

P=T×M=0.51MPa

式中：T——突水系数，本矿井取0.1MPa/m；

M——底板隔水层厚度；

P——底板隔水层承受的水压，MPa。

3.3 计算涌水量

依据四矿及我矿水文观测孔资料可知，三矿观测水位-450m，目前四矿现寒灰岩水位在-500m，故三矿庚组-360～-450m开采区域不受底板灰岩水的威胁。随着开采深度的增加，-450～-720m开采区域将受底板灰岩承压水的威胁。四矿庚一采区正常涌水量为100m3/h（生产用水和疏放水量及涌水量），故三矿庚二采区涌水量选用相关因素比拟法（单因素）进行计算：

庚二采区选用相关因素比拟法进行计算，

公式：Q1=Q0* （S1/S0）

其中：Q0=四矿庚一采区正常涌水量（100m3/h）

S1=十号井庚二采区水位降深值（270m）

S0=四矿庚一采区水位降深值（245m）

Q1=Q0*（S1/S0）=100 *（270/245）=110m3/h

正常涌水量取110m3/h

最大涌水量取（110*1.7=187）187m3/h

综上所述，十号井庚二采区正常涌水量为110m3/h，最大涌水量为187m3/h。

3.4 承压水的防治

①加强水文地质的预测预报工作及隐患排查工作，坚持“有疑必探、先探后掘”的探放水原则。

②及时编制探放水设计及安全技术措施，采取底板加固或做疏放水工程等工程。

③采用物探和钻探手段，查明灰岩岩溶裂隙的发育程度与富水性及富水规律、水位、水压，分析研究补给、径流条件及水位、水量动态特征，以及对矿井充水的影响。

4 结论

①区内主要富水含水层中、上寒武系灰岩埋藏相对较深，煤层露头以南直接被第四系覆盖，以北隐伏于石炭、二叠煤系地层之下，大气降水及地表水的入渗补给条件差。

②灰岩含水层，浅部岩溶裂隙较发育，向深部逐渐减弱，但在开采一5（庚20）煤层过程中，底部L7灰岩同寒武系灰岩水沟通，其涌水量较大。

③石炭、寒武系灰岩含水层，补给条件差，补给水量有限，含水层水以静储量为主，但在开采过程中，底板承压水，对矿井安全生产有一定的威胁。

参考文献：

[1]王吉松，关英斌.煤层底板突水研究的理论和方法[J].煤炭技术，2006（01）.

[2]王连国，宋扬.煤层底板突水突变模型[J].工程地质学报，2000（02）.

[3]尹会永.潘西煤矿煤层底板突水机理及预测预报研究[D].山东科技大学，2005.

作者简介：贾延涛（1983-），男，河南平顶山人，庚组煤层底板承压水害治理与研究。