汾源矿5#煤底板奥灰原始导高测试与研究

2014-07-30武俊峰申见红刘彦俊

山西焦煤科技 2014年9期

武俊峰，申见红，刘彦俊

(1.霍州煤电集团技术研究院, 山西霍州 031400; 2.霍州煤电集团地质测量部, 山西霍州 031400)

随着大中型矿井产量不断提升，目前多数煤矿即将或已经进入下组煤开采阶段。煤层底板至奥灰顶面的隔水性能已经成为制约煤矿安全生产的主要因素。汾源矿基建阶段施工的水文孔显示煤层存在底板破碎现象。距汾源矿5 km的冀中能源集团大远矿开采上组2#煤时，曾发生过2次突水量大于300 m3/h的奥灰突水事故。类比邻近矿井结合自身水文地质条件，汾源矿开采下组5#煤层有一定的突水危险。5-101首采工作面掘进完成后，在临近切巷回采侧200 m范围内进行了底板隔水层注浆加固与含水层改造，通过施工注浆钻孔进一步查明了底板破碎情况，为5#煤底板奥灰原始导高研究提供了基础资料。

1 矿井概况

汾源矿位于宁武煤田中南部，矿井主采5#煤层，目前处于基建阶段。5#煤底板奥灰含水层缺失峰峰组，本溪组与上马家沟组不整合接触。5#煤5-101首采工作面已经形成，正在对工作面底板进行隔水层注浆加固与含水层改造。

根据地质钻孔资料显示，5#煤层底板至奥灰顶面隔水层厚度变化范围为18～83.06 m，平均54.45 m，奥灰水位+1 476 m(井下SW3孔测试)，首采面回采范围底板标高为+1 220～+1 299 m，推算底板隔水层承受的最大水压为2.45～3.23 MPa，突水系数为0.034～0.044 MPa/m。

5-101工作面的主要隔水层组为5#煤层至上马家沟组顶面间的岩层，岩性以泥质岩类为主，其中下部的铝土泥岩及泥岩普遍赋存，连续性好，岩性简易柱状图见图1。据2012年施工的3个水文孔显示，5#煤底板存在破碎现象，底板破碎层位示意图见图2。

2 奥灰上马家沟组承压水导升带探查

鉴于汾源矿底板存在破碎带，开采5#煤层有一定的突水危险。5-101首采工作面前期3个钻场共计施工注浆孔49个。统计钻孔资料发现，部分钻孔在进入奥灰前出现涌水，且随着钻进水压逐渐增大，最后稳定为奥灰水压。统计钻孔数据见表1。

表1中数据反映出汾源矿奥灰上马家沟组存在承压水导升带。承压水导升带定义为承压水可沿含水层顶面以上隔水岩层中的裂隙导升，导升承压水的充水裂隙分布范围称为承压水导升带。其上部边界至含水层顶面的最大法线距离称为含水层的原始导升高度。承压水导升带在垂向上可再划分为阻水能力相差悬殊的导水带和显水带。承压水导升带空间分布示意图见图3。

图1 岩性简易柱状图

图2 底板破碎层位示意图

表1部分注浆钻孔出水情况统计表

备注：负数为进入奥灰后法线深度距离

从表1可以看出, 钻孔在距奥灰顶面法线深度6.47～27.4 m，出现了涌水，且随钻孔不断深入，水压逐渐增大，最后终孔奥灰水压达到2.5～3 MPa，说明首采面底板存在承压水导升带。

1钻场17#孔，3钻场3#、12#孔分别在进奥灰前法线深度2 m、6 m、4 m时，水压稳定为奥灰水压，此段为原始导高的正向导水带，在导水性上可构成上马家沟组含水层的一部分，见图3中所示的正导高。

图3 承压水导升带空间分布示意图

1钻场13#孔、2钻场1#孔、3钻场5#孔分别在进入奥灰后法线深度2 m、23.5 m、18.5 m时，水压稳定为奥灰水压，此段为原始导高的负向导水带，可与本溪组泥-灰岩共同构成隔水层的一部分，对底板带压开采具有积极的作用见图3。

在距奥灰顶板法线深度6.47～27.4 m已经进入显水带范围。依据显水带带压系数计算公式，可大致推出显水带上界，计算公式如下：

式中：

Pwi—第i次测定的水压值, MPa；

Pw(i+1)—第i+1次测得的水压值,MPa；

hi—第i次测定的垂直奥灰法线钻孔深度,m；

h(i+1)—第i+1次测定的垂直奥灰法线钻孔深度,m。

当水压值为零时的垂直奥灰法线深度即为显水带的上界高度。据此分别计算显水带上界距奥灰顶面和5#煤底板至显水带上界的法线深度见表2。

从表2可以看出，显水带上界距奥灰法线深度为9.1～49.25 m，奥灰含水层原始导高可达9.1～49.25 m。由于原始导高的存在，使有效隔水层厚度减小，5#煤带压开采有一定的突水危险。

表2 显水带上界计算统计表

备注：负数为进入奥灰后法线深度距离

3 奥灰原始导高对5#煤层开采的影响

从表2数据可知, 5#煤首采工作面承压水导升带为9.1～49.25 m，5#煤底板至显水带上界法线深度为25.4～56.13 m。显水带往上为保护带及底板破坏带。

底板破坏带计算参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》。按照统计公式计算有如下两种：

1) 考虑底板破坏深度与关系最密切的工作面斜长、开采深度、开采厚度、倾角4个因素的数据，计算公式如下：

h1=0.008 5H+0.166 5a+0.107 9L-4.357 9

(1)

式中：

h1—底板导水破坏深度, m；

L—开采工作面斜长,m，取首采面斜长110；

H—开采深度,m,取首采面埋深310；

a—开采煤层倾角,(°)，取35;

计算得:h1=15.97 m。

2) 只考虑工作面斜长计算公式:

h1=0.700 7+0.107 9L

(2)

或h1=0.303L0.8

(3)

计算得:h1=12.57 m或h1=13.02 m。

公式(1)选取的参数较全面且考虑足够的安全系数，底板破坏带深度按16 m计算。5#煤底板至奥灰顶面距离为18～83.06 m，平均54.45 m，减去底板破坏带深度16 m，得平均厚度为38.45 m，而奥灰原始导高为9.1～49.25 m。由此可知，部分区域奥灰原始导高可发育至底板破坏带以上。如果回采时奥灰原始导高发育至底板破坏带以上，则会发生奥灰突水。

首采面在巷道掘进阶段亦揭露部分断层，受断层的影响承压水导升带可能进一步向上延伸，也进一步增加了底板突水的危险性。