大远煤业煤层底板奥灰突水危险性评价

连会青 ，冉 伟，夏向学

(1.中国矿业大学(北京)， 北京 100083； 2.华北科技学院， 北京 东燕郊 101601 )

大远煤业煤层底板奥灰突水危险性评价

连会青1，2，冉 伟2，夏向学2

(1.中国矿业大学(北京)， 北京 100083； 2.华北科技学院， 北京 东燕郊 101601 )

煤层底板奥灰岩溶裂隙水是山西大远煤业有限公司主要水害类型之一，本文以大远煤业现主采煤层2#为例，结合井田钻孔资料分析了2#煤底板奥灰水压、奥灰水位、奥灰顶部相对隔水层厚度等因素。计算了突水系数，绘制底板承受的奥灰水压等值线图、隔水层厚度等值线图、奥灰含水层突水系数等值线图。用突水系数方法评价矿井突水危险性，并划分了井田带压开采安全区、相对安全区、相对危险区和危险区危险性分区。根据分区、突水危险性等具体条件，提出防治水建议。

奥灰；突水；危险性评价

0 引言

大远煤业经过多年开采，矿井水文地质条件相对较简单的二叠系煤层储量已趋枯竭，但占矿区总储量35%的太原组煤层由于受巨厚奥灰水的影响，开采量极小。带压开采具有成本低、不破坏地下水资源等优点，但随着矿井开采深度的增加、机械化放顶煤开采技术的应用，底板突水危险性也随之增大[1-2]。因此，煤层底板奥灰突水危险性分析工作显得尤为重要，底板突水危险性评价对矿井安全带压开采具有重要意义。我国众多学者与专家对煤层底板突水机制进行了大量的研究，提出了不同的方法，实际应用较多的评价方法主要有突水系数法[3]、“下三带”[4]理论、“薄板[5]”力学理论法及隔水层阻隔水能力定性评价等，依据煤矿防治水规定，我国在承压水体上采煤普遍采用突水系数评价理论，以突水系数作为带压开采安全与否的计算指标，进行带压开采安全性评价。

本文以山西大远煤业2#为例，采用突水系数法对井田奥灰突水危险性进行分析评价，并划分了井田带压开采安全区、相对安全区、相对危险区和危险区危险性分区，并提出防治水建议。

1 井田水文地质条件

1.1 矿区概况

山西大远煤业有限公司位于静乐县城东北方向，地处吕梁山北段东翼，属剥蚀侵蚀低中山地貌类型，地势东西高，中部沟谷低。井田内贯穿井田南北的木头沟，内有木头河，属季节性河流，平时无水或水量很小，雨季时水量较大，其余冲沟均为季节性河流，平时无水，雨季时有洪水。2#煤层为井田内主要可采煤层，上距K3砂岩3～5m，下距L3石灰岩30～50m。

1.2 奥灰岩顶面至2#煤层间隔水层

太原组下部主要可采煤层的底板隔水层厚度及其岩性组合情况，是控制底板突水条件的重要因素，这直接关系到煤层底板对于奥灰岩溶水的抗阻能力。根据已有地质钻孔和注浆孔实际揭露资料，2#煤底板到奥灰顶部的地层厚度、水压、水位统计情况见下表1：

表1 2#煤底板到奥灰顶部的地层厚度、水压、水位情况

1.3 2#煤带压开采充水条件评价

煤矿底板岩溶突水条件的正确分析与评价，需要分区综合研究下述诸因素：岩溶含水层的富水程度和区域补给条件；煤层底板承受的水头压力；底板隔水层的厚度和强度；引发底板突水通道的地质构造和矿山压力条件。

2 2#煤带压开采突水危险性评价

2.1 突水系数

根据煤矿防治水规定，突水系数计算公式为：

Ts=P/M

式中： P—煤层下隔水层底板承受水压(MPa)；

M—为隔水层的总厚度(m)；

《煤矿防治水规定》附录五中规定：临界突水系数值，“一般情况下，在具有构造破坏的地段按0.06MPa/m计算，隔水层完整无断裂构造破坏地段按0.1MPa/m计算。”

下面根据表1的数据，对井田内2#煤底板奥灰水压、2#煤底至奥灰顶界隔水层厚度以及2#煤开采底板受奥灰水压作用突水系数分别绘制了等值线图。

1)根据水位观测资料(表1)，奥灰历年最高静水位+1493.97m，近几年随着大气降水减少和工农业用水的增加，奥灰水水位已经下降，2011年下半年～2012年上半年实测奥灰水位标高为+1480～1452m。总体上看来，奥灰水位呈下降趋势，但变幅较小且部分年份稍有起伏。由钻孔及注浆孔揭露的奥灰实际水位，可以绘制2#煤底板承受的奥灰水压等值线图(图1)。

图1 2#煤底板奥灰水压等值线图

上图显示，2#煤底板承受奥灰水压高值区主要分布在井田西南部，水仓西部，最大值大于5.1MPa.

2)奥陶系灰岩含水层构成2#煤层带压开采的主要威胁，其顶面距主采煤层2煤底板平均厚度为123.0m，隔水层厚度取值由钻孔数据插值形成取得(图2)；

图2 2#煤底板至奥灰顶界隔水层厚度等值线图

上图显示，2#煤底板至奥灰顶界隔水层厚度较薄的区域分布在井田西南部，与高水压分布区重合，构成了局部薄弱区。

3)将上述水压和隔水层厚度取值代入式3.1，可绘制2#煤带压开采奥灰含水层突水系数等值线图(见图3)。根据煤矿防治水规定，突水系数Ts<0.06MPa/m为安全区，可以带压开采；突水系数Ts在0.06～0.10MPa/m之间为过渡区，在没有构造破坏的条件下可以实施带压开采；突水系数大于0.10MPa/m为危险区，暂不宜开采。

图3 2#煤带压开采奥灰含水层突水系数等值线图

上图显示，2#煤底板奥灰水突水系数高值区分布区域也在井田西南部，与高水压、薄隔水层分布区重合，符合井田地层分布规律，构成带压开采局部薄弱区。

2.2 突水危险性评价结果分析

为保险起见，各煤层距奥灰顶面间距取最小值，结果2#煤层与奥灰之间隔水层厚度109m

计算结果如下：

2#煤，令Ts=0.06，则，掘进期间安全水压P掘安=0.06×109=6.54 MPa，为保险起见，计算时仍取历史观测最高水位+1493.97m。换算煤层底板标高：1493.97-(6.54/0.0098-109)=935.6m；回采工作面安全水压P回安=0.06×(109-15)=5.64 MPa换算煤层底板标高1493.97-(5.64/0.0098-109)=1027.5m。

令Ts=0.10，则，掘进期间突水临界水压P临=0.10×109=10.9 MPa，换算煤层底板标高1493.97-(10.9/0.0098-109)=490.7m；回采工作面突水临近水压P回安=0.10×(109-15)=9.4 MPa换算煤层底板标高1493.97-(9.4/0.0098-109)=643.8m。

根据以上计算，在防治水规定对突水系数计算的基础上，增加保险系数，底板隔水层厚度统一减去15m，综合确定如下：

2#煤开采标高在+1028m以上为安全区；+1028～+644m为过渡区；+644m以下为突水危险区，分区图见图4。

图4 大远煤业2#煤带压开采突水系数分区图

根据突水危险性分析结果，形成以下主要结论：

1)由于井田为单斜构造，突水危险性分区基本为近南北向条带，从西向东分别为安全区、过渡区、危险区；安全区和过渡区范围占据井田大部，2#煤开采标高在+1028m以上为安全区；+1028～+644m为过渡区；+644m以下为突水危险区，危险区主要在井田西北部。

2)下一生产阶段的+900m开采水平，位于安全区与过渡区的交界处，评价过程中没考虑底板裂隙破坏和构造的影响，今后生产中应严格按照探放水制度，并采取必要的防治水措施，待积累前期生产经验和资料，建议三年后重新进行评价。而+600m水平已属于危险区，需要依据积累前期防治水工作经验和实际揭露地质、水文地质资料，视情况决定是否可以开采。

3 防治水建议

依据突水危险性评价结果，2#煤防治水总体原则：

1)2#煤底板+1028m水平以上为安全区，突水系数小于0.06MPa/m，近期采掘规划中的采煤工作面基本布置在这一区域安全区。因此，本区域采煤工作面防治水措施以构造或者薄弱带探查以及治理为主，辅助配合其它勘探、超前探测、探放水、水情监测、应急等措施；

2)2#煤底板+1028～+644m为过渡区，规划的+900m～+600m生产水平绝大部分为过渡

区，因此，本区域采煤工作面防治水措施，应在安全区开采经验基础上，经过充分论证和评价，选用适当的开采方式，例如高水材料充填开采，并辅以其它方法措施配合。

3)2#煤底板+644m水平以下处于危险区内，突水系数大于0.1MPa/m，暂时不考虑开采。

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TheinrushriskassessmentofOrdovicianlimestonewaterinthecoalseamfloorinDayuancoalmine

LIAN Hui-qing1,2, RAN Wei2, XIA Xiang-xue2

(1.ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing, 100083,China； 2.NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China)

The karst water of Ordovician limestone in the coal seam floor is one of the main type of water damage in Dayuan Coal Industry Co. Ltd. in Shanxi province. The primary mineable coal bed 2#coal is taken as an example. The Ordovician limestone water pressure， Ordovician limestone water level，the relative impermeable layer thickness over Ordovician limestone and other factors are analyzed combined with drilling data in well field. We calculated the water bursting coefficient, drew the contour map of floor to Ordovician limestone water pressure to the coal floor, the contour map of impermeable layer thickness and the contour map of water bursting coefficient in Ordovician limestone aquifer water. The mine water bursting risk has been evaluated by using the method of water bursting coefficient. Finally, we divided the mining area into safety zone under high pressure, the relatively safe area, the relatively risking area. According to the specific conditions of the partition and water bursting risk, the prevention and control of water hazard has been suggested.

Ordovician limestone; water inrush; risk assessment

2015-02-03

国家自然科学基金(41072188)；新世纪优秀人才支持计划(NCET-11-0838)；973计划(2013CB227903)；“十二五”国家科技支撑计划(2012BAK04B04)；中央高校基本科研业务费(AQ2013B01)

连会青(1976-)，女,山西忻州人,博士,华北科技学院安全工程学院副教授，研究方向为：矿井水文地质。 E-mail： lhuiq345@163.com

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1672-7169(2015)02-0070-04