陈四楼煤矿高承压水工作面水文地质特征分析

2015-12-19冉德立

西部探矿工程 2015年5期

关键词：隔水层导水突水

刘洲，冉德立

（河南能源化工集团永煤公司陈四楼煤矿，河南永城476600）

陈四楼煤矿高承压水工作面水文地质特征分析

刘洲*，冉德立

（河南能源化工集团永煤公司陈四楼煤矿，河南永城476600）

根据21503工作面巷道掘进揭露地质构造情况、钻场钻孔施工情况、以及结合区域地质和水文地质资料。利用综合水文地质分析的方法研究了21503工作面含水层岩性及富水性、补给条件及构造对水害发生的控制作用。利用“下三带”理论对底板突水性进行预测，并提出21503工作面防治底板突水的防治方法，为21503工作面的水害防治提供参考依据。

防治水；控制因素；底板扰动

1 概述

陈四楼煤矿位于豫、皖两省交界的河南省永城市北部，为城厢、陈集、顺和乡所辖，地势较为平坦，村庄密集，农业发达，地面标高+32～+35m，开采深度由-300～-900m。井田内部构造近东西向以断层表现为主，近南北向构造以褶曲表现为主，矿井次级褶皱发育，一般较为宽缓。

21503工作面位于十五采区，工作面标高为-509～-680m，工作面北为落差19m的Fs1及Fs20正断层，南为南十五皮带下山和南十五轨道下山及其保护煤柱，西为未开采的实体煤，东为未开采的实体煤及2502采空区。工作面外段走向长829～904m，倾斜长185m，工作面里段走向长100～126m，倾斜长469～510m。外段采用走向长壁采煤法、里段采用倾斜长壁采煤法，一次采全高，全部垮落法管理顶板。

2 21503工作面地质特征

2.1 地层及二2煤层顶、底板岩性特征

21503工作面地层从下到上为，奥陶系中统马家沟组（O2m）、石炭系中统本溪组（C2b）、上石炭统太原组（C2t）、二叠系下统山西组（P1s）、二叠系下统下石盒子组（P1x）、二叠系上统上石盒子组（P2s）、二叠系上统石千峰组（P2sh）、新生界（Cz）。

21503工作面开采二2煤层，直接顶板岩性为砂质泥岩：灰色，含植物化石碎片及煤屑，平均厚度3.8m。基本顶板为粉砂岩：灰色及深灰色，含植物化石，水平层理，平均厚度9.2m。直接底岩性为砂质泥岩，砂质分布不均，含植物化石，平均厚度2.72m；直接底板岩性为细砂岩，浅灰色，主要成分为石英、暗色岩屑及云母碎片，泥质胶结，平均厚度5.3m。

2.2 构造

21503工作面位于陈四楼向斜的东翼，属一单斜构造，地层倾角5°～25°。工作面外段揭露断层3条正断层，里段揭露9条正断层，共12条，其中大于2m的7条正断层，以近东西向为主。见表1。

3 21503工作面水文地质特征

3.1 含水层、隔水层

（1）新生界底部孔隙承压水，由于采区位于深部，该组含水层对煤层无充水影响。

（2）二2煤层顶、底板砂岩裂隙含水层，该段砂岩水以静储量为主，在巷道掘进过程中以淋水为主，是二2煤层直接充水含水层。

（3）太原组上段灰岩裂隙承压水，主要是L11、L10、L8灰岩含水层，对采掘有较大威胁。开采煤层标高-510～-680m，根据钻孔施工实测水压为3.0～4.5MPa，为二2煤层主要的间接充水含水层。

（4）断层水，21503工作面里段断层构造发育，大断层可使太灰含水层直接与煤层接触，中小型断层使二2煤底板有效隔水层厚度减小，受采动影响后，灰岩水沿断层裂隙导升，可构成工作面底板突水的主要因素。

（5）山西组底部隔水层，二2煤与太原组L11灰间距46.3～51m，一般51m左右，层位稳定。其间岩层以泥岩、砂质泥岩为主，次为砂岩，平均抗拉强度21.2MPa。泥岩与砂质泥岩累计平均厚度26.5m，直接或间接与L11接触，形成了良好的隔水层。

表1 21503工作面揭露断层基本特征表

（6）太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层埋藏在本区达到560～730m，基本不受上覆含水层越流补给，其动态变化受大气降水影响变化幅度较小，主要为侧向补给。由于G5钻场往里断层较为发育，从钻孔施工出水情况来看，断层具有导水性，且单孔涌水量最大达到80m3/h。

3.2 含水层岩性、厚度对水害发生的控制作用

3.2.1 顶板砂岩裂隙含水层

顶板砂岩裂隙含水层为中—细粒砂岩，是二2煤层的直接充水含水层，其厚度较大，分布稳定，一般为6～20m，富水性弱，地下水径流不畅，单位涌水量0.00313～0.0470L/（s·m），渗透系数0.00149～0.371m/d，水质以SO4-Na型为主，属富水弱的含水层。在巷道掘进中主要以顶板淋水为主，对采掘施工影响不大。

3.2.2 太原组上段灰岩岩溶裂隙承压含水层

（1）L11灰岩为生物碎屑灰岩，厚度0.85～4.98m，平均2.2m。以含大量海百合茎、腕足、蜓等海相生物化石为主要特征。L10灰岩平均厚2.28m，L8灰岩平均厚10.6m。太原组上段灰岩岩溶、裂隙发育，属于富水性中等的含水层。根据21503工作面G1、G2、G5、LP1钻场施工钻孔出水情况分析，二2煤层距L11灰岩45～51m，距L10灰岩59～67m，距L8灰岩71～89m，三层灰岩钻孔出水量均在15m3/h以上，最大达到60m3/h，主要分布在G5和LP1钻场，水压在3.0～4.5MPa。主要因为G5钻场往里至工作面里段断层分布密集，太原组灰岩岩溶裂隙发育较好，富水性较强，在断层L8灰岩水进行补给。

（2）底板灰岩突水性预测：

①根据《陈四楼煤矿煤层底板扰动规律及突水预测预报研究》的结果，得到底板破坏深度(h1)和采深(H)之间的预测公式：

式中：ln——以e为底的自然对数。

工作面采深，H为542.8～713.8m，则工作面采动对底板破坏深度（h1）为13～14.8m。

②根据底板导水破坏带、完整岩层带（底板岩层保持采前的完整状态及原有阻水性能不变的部分）、太原组灰岩承压水导升带即“下三带”理论。根据经验公式：

式中：h1——底板导水破坏深度，m；

L——工作面斜长，m，外段185m，里段128m。

21503工作面二2底板导水破坏带深度工作面外段20m，工作面里段14.5m。

③有效保护层带厚度计算。

式中：h2——有效保护层带的厚度；

h——隔水层总厚度，51m；

h1——底板破坏深度，21503工作面里段取14.8m，外段取20m；

h3——承压水原始导高，根据钻孔出水情况确定为5～10m，取10m。

计算结果为工作面外段21m，工作面里段为26.2m。

④有效保护层带的阻水能力。根据《煤矿防治水规定》突水系数计算公式，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m，正常块段不大于0.1MPa/m。

T=P/M

式中：T——突水系数，MPa/m；

P——底板隔水层承受的水压，3.0～4.5MPa；

M——底板隔水层厚度（有效隔水层厚度），m。工作面外段21m，工作面里段为26.2m。

计算结果为21503工作面外段0.14～0.21MPa/m，21503工作面里段0.11～0.17MPa/m。

因此，需要对21503工作面实施全面底板改造，改造后的底板均属于无构造破坏的正常地层块段，按照突水系数按0.1MPa/m计算，临界隔水层厚度在30～45m之间；工作面外段采动对底板破坏深度取最大值20m，里段取14.8m，考虑太原组灰岩含水层的原始导高10m左右，则安全隔水层厚度应为外段60～75m，里段54.8～69.8m。L11灰距离二2煤51m，即在无褶曲、断层等构造破坏的正常地层块段内，工作面也存在底板太原组灰岩突水威胁。

3.3 断层对水害发生的控制作用

（1）根据表1（21503工作面揭露断层基本特征表）在21503工作面里段小断层较为发育，由于断层破坏了隔水层的完整性，降低隔水层的阻水强度，造成矿井易于突水的软弱带。尤其是断层密集带、断层交汇处和断层尖灭处，更容易发生突水。因为：①断层密集带、转折部位、断层交汇处，构造应力集中，岩石破坏更严重。②断层尖灭处，不是以位移使构造应力得以释放，而是以破裂变形使应力得以释放，岩石破碎、裂隙张开，抗压强度显著降低。

（2）断层使二2煤层与太原组灰岩裂隙承压含水层接近或直接接触。由于断层两盘上下错动，使上部煤层下降或下部含水层抬高，煤层与含水层距离拉近或者直接对接，成为矿井易于突水的地带。

（3）在采掘过程中，一些断层在天然条件下不含水，也不导水，由于采掘扰动、矿山压力和太原组灰岩承压含水层高静水压力的共同作用下，使原本不导水断层转变为导水断层。

①采掘工作面底板发育未穿越煤层的隐伏导水断层，在断层带发育异常导升区，在采掘扰动条件下，承压水导升带与底板扰动破断带导通形成采场突水水害，且具有一定的滞后性特点。

②采掘工作面底板发育穿越煤层的隐伏导水断层，当采掘工程直接揭露或间接扰动断层时形成导水通道，发生水害。

③在工作面煤层中发育未穿越含水层的隐伏导水断层，但断层与太原组高承压灰岩含水层导升带导通时形成采场的出水，具有一定的滞后性特点。

3.4 褶皱对水害发生的控制作用

21503工作面外段接近陈四楼向斜轴部，地层倾角10°～25°，工作面标高-600～680m，底板岩层容易形成与煤层走向一致的断裂或裂隙。造成底板岩性破碎，隔水层强度降低，并且太原组灰岩岩溶裂隙承压水受陈四楼向斜东翼及工作面北部含水层水的侧向补给。

4 防治水方法

（1）帷幕注浆。根据实际揭露断层和在工作面北部边界钻孔施工情况看，工作面北部边界东西向断层密集发育且具有导水性，对工作面里段有较强的水源补给作用。因此，在21503工作面里段北部边界断层发育密集处，实施高角度钻孔和浅层钻孔，密集钻孔布置到L8灰岩形成帷幕墙。阻断边界水源对工作面灰岩水的侧向补给，同时封堵断层导水通道。

（2）底板注浆改造。根据底板突水性分析，为确保工作面安全回采，需要对21503工作面进行全面底板注浆改造。底板注浆钻孔终孔层位确定为L8灰岩，有效底板隔水层厚度达到78～80m。满足《煤矿防治水规定》对突水系数的要求。

（3）局部疏水降压。在工作面通过注浆改造后，在工作面外段进行打孔进行局部疏放，降低水压。