朝川矿一井多因素综合评价突水危险性

2015-12-17乐志军

西部探矿工程 2015年1期

关键词：隔水层突水水压

郭萌，乐志军

（河南省煤田地质局四队，河南平顶山467000）

朝川矿一井多因素综合评价突水危险性

郭萌*，乐志军

（河南省煤田地质局四队，河南平顶山467000）

朝川矿一井断裂构造发育，水文地质条件极其复杂，主采煤层为二1煤层，其底板岩溶裂隙发育，含水层富水性强且补给来源丰富，历史上曾多次发生突水事故，因此，在对朝川矿一井突水因素进行分析和研究的基础上，采用有效隔水层突水系数法、多层叠加抗压强度比值系数法和安全隔水厚度比值系数法共3种方法对矿井突水危险性进行评价，并将朝川矿一井底板突水危险性划分为危险性小、危险性中等、危险性较大和危险性大4个区域。

水文地质；水害；底板突水；突水因素

众所周知，煤矿的5大灾害为瓦斯突出、突水、粉尘爆炸、火灾、顶板冒裂，这些都严重影响煤矿的安全生产，也制约着煤矿的发展。而这5大灾害中煤矿突水事故是仅次于瓦斯爆炸的重大煤矿安全事故[1]。朝川矿一井水文地质条件极其复杂，历史上曾发生数次突水事故，矿井开采受水害威胁较为严重，并且随着开采深度的增加，矿井开采受水害威胁日趋加剧[2]。因此，需要对朝川矿一井水文地质条件及二1煤层底板突水危险性进行详细的分析和研究，为矿井安全开采提供依据。

1 矿井概况

朝川矿位于河南省汝州煤田中部，行政属汝州市小屯镇管辖，与宝丰县毗邻，北距洛阳市110km，南距平顶山市55km。朝川矿隶属平顶山天安煤业股份有限公司，现有一井、二井、三井共三对矿井，均具有独立的生产系统，2006年核定生产能力120×104t/a。其中一井45×104t/a，开采煤层为二1煤层，斜井开拓，分水平开采，第一水平标高-10m，第二水平标高-250m。

2 突水因素分析

朝川矿一井水文地质条件极其复杂，底板突水与诸多因素有关，并且是这些因素共同作用的结果。朝川矿一井的突水因素主要有充水水源、水压、矿压和导水通道。

（1）充水水源：朝川矿一井主要充水水源为大气降水、老窑积水和二1煤层底板岩溶裂隙承压含水层水。

（2）水压：是矿井突水的动力，它与静水位和开采水平有关[3]。朝川矿一井二1煤层底板岩溶裂隙发育，含水层富水性强，水头压力高，是影响矿井安全开采的重要因素之一。

（3）矿压是诱发该区二1煤层底板充水的因素之一，尤其是随着开采深度的增加，矿压作用更为明显。

（4）导水通道：无论是正断层或逆断层，张性或是压性都具有导水性，但有导水性强弱之分。弱导水断层在水压、矿压等作用下还可能变为强导水断层。通过灰岩的断层通常为导水断层，因为灰岩的力学性质属刚性，岩层性脆，形成断层的作用力使岩层破碎，引起断层带及其周围岩石产生的次一级断裂构造裂隙带，增大了可溶性岩与地下水的接触面，加速了岩溶发育，给地下水的储存运移提供了条件[4]。朝川矿一井断裂构造较发育，并且有落差大、延伸长度不远的特点。除断层外，煤层底板天然裂隙或采动裂隙也是岩溶水进入矿井的重要通道。朝川矿一井二1煤层底板隔水层厚度薄，平均不到6.0m，岩性为泥岩和砂质泥岩，不仅存在构造裂隙，再加上开采造成的裂隙，在底板隔水层极易形成裂隙导水通道，岩溶水沿各种裂隙直接进入矿井，给生产造成威胁。因此，断裂构造及采动裂隙是朝川矿一井主要的导水通道，也是重要的突水因素。

（5）另外，封闭不良钻孔及探放水钻孔也曾导致矿井发生突水事故，这是因为封闭不良钻孔和探放水钻孔使含水层间产生水力联系而构成导水通道。

3 底板突水危险性评价

根据对二1煤层底板突水的影响因素进行分析，本文分别从不同参数角度选择3种方法对突水危险性进行计算评价。然后，对每种评价结果赋值，采用多因素综合评价法己组煤层底板突水危险性进行分区评价。

3.1 有效隔水层突水系数法

（1）计算方法及其特点。考虑水压与隔水层厚度、矿压扰动带厚度等因素，采用有效隔水层突水系数TS进行评价。其涵义是每米有效隔水层所承受的水压,当超过临界水压值时就易发生突水。根据《煤矿防治水规定》提供的煤层底板突水系数公式为[5]：

式中：TS——突水系数，MPa/m；

P——隔水层承受的水压，MPa；

M——隔水层厚度，m。

（2）计算参数的确定：

①底板隔水层厚度M：根据钻探、测井等资料综合确定。

②底板承受太灰水压P：太灰水水位至开采煤层底板的距离，换算为水压值(MPa)。

③临界突水系数：根据《煤矿防治水规定》,在正常块段取值为0.1MPa/m；在构造破坏块段带取值为0.06MPa/m。

（3）突水系数的计算与评价。采用式（1）对煤层底板下伏寒武系灰岩突水系数进行计算，并根据计算结果绘制朝川矿一井二1煤层底板突水系数等值线图（图1），与矿区临界突水系数TS对比，矿区一井东翼水压较高，突水系数为0.05～1.05，为突水危险区，矿区西翼由于朝川矿一井长期疏水降压，效果明显，突水系数均小于0.10，为突水危险较小区域[6]。

图1 朝川矿突水系数等值线图

3.2 多层叠加抗压强度比值系数法

（1）计算方法及特点。多层叠加抗压强度比值系数法主要考虑了隔水底板软岩与硬岩组合、总体抗压强度等因素，采用多层叠加抗压强度比值系数Tjs进行评价。其涵义是水压与底板总体抗压强度的比值关系，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[7]：

式中：P——水压；

Mi——煤层底板至含水层顶板之间的i层岩石的厚度；

Ki——i层岩石的抗压强度。

（2）计算参数确定：

①分层抗压强度Ki：按表1计算确定。

②底板总体抗压强度(∑MiKi)：根据钻探、测井及岩石力学测试资料，将底板岩层综合划分为若干类(表1)，然后根据各分层的抗压强度(Ki)与厚度(Mi)叠加计算底板总体抗压强度。

③煤层底板承受太灰水压P：太灰水水位至开采煤层底板的距离，换算为水压值(MPa)。

表1 岩层等效隔水系数及抗压强度换算表

（3）抗压强度比值系数计算与评价。采用(2)式，煤层底板抗压强度比值系数计算，并根据结算结果绘制朝川矿抗压强度比值系数等值线图，见图2。矿区二1煤层底板多为泥岩—砂质泥岩—泥岩组合，沉积不稳定，厚度分布不均匀，平均厚度为8.37m。由于朝川矿东翼水压高，用多层叠加抗压强度比值系数法计算的Tjs值较大，为0.5～4.0，为突水危险区；西翼水压低，计算的Tjs值较小均小于1.2，突水危险性较小。

图2 朝川矿抗压强度比值系数等值线图

3.3 安全隔水厚度比值系数法

（1）计算方法及特点。计算方法以斯列萨列夫公式为基础，综合考虑了采掘工作面宽度、岩石抗压强度、岩石容重、水压等指标，采用安全隔水厚度比值系数Tas进行评价。其涵义是当实际隔水层厚度M小于计算的安全隔水厚度t安时，即比值大于1时就易发生突水,计算公式为[8-9]：

（2）计算参数确定：

①底板岩层抗压强度KP：同第二种方法,换算为单位(t/m2)；

②采掘工作面宽度L：依据矿井开采设计取值为90m；

③H：隔水层底板承受的水头压力，换算为单位(t/m2)；

④底板岩石的容重r：根据勘查孔岩石力学测试成果,各分层的加权平均容重为2.60t/m3。

（3）安全隔水厚度比值系数计算与评价。采用（3）、（4）式，安全隔水厚度比值系数计算，并将计算结果绘制等值线图，见图3。朝川矿一井东翼，矿区深部水压比较大，突水危险性大；矿区西部，及浅部水压小，突水危险性小。

4 底板突水危险性多因素综合评价

图3 朝川矿一井安全隔水厚度比值系数等值线图

通过以上3种方法分别对朝川矿一井二1煤层底板突水危险性进行了评价，但每种方法仅考虑到部分的影响因素，因此其评价结果有一定的局限性。综合考虑底板隔水层厚度、隔水层的岩性及其组合特征、承压水头压力、底板破坏深度和底板含水层富水性等因素的基础上，采用多因素综合分析方法对朝川矿一井二1煤层开采时底板灰岩岩溶承压水突水危险性进行评价分区。

将3次评价的结果进行划分范围并相应进行赋值(表2)。令D=Ts+Tjs+Tas，计算结果如表3所示，结合矿区实际情况，对突水危险区域进行划分，综合危险性分区图如图4所示。根据D值的大小将朝川矿一井底板突水危险性划分为底板突水危险性小、底板突水危险性中等、底板突水危险性较大和底板突水危险性大4个区域。

西翼浅部为己组煤层底板突水危险性小区域，主要是随着朝川矿一井的排水，西部二1煤层底板灰岩岩溶水位持续下降，有的区域甚至降到浅部二1煤层底板以下，故在该区为采掘二1煤理论上不会发生突水危险。