古交矿区下组煤奥灰突水涌水量预测与分析

张旭庆

(西山煤电集团公司 机关党委，山西　太原　030053)



·问题探讨·

古交矿区下组煤奥灰突水涌水量预测与分析

张旭庆

(西山煤电集团公司 机关党委，山西太原030053)

通过对西山煤田古交矿区下组煤奥灰O2f与O2s富水性分析，结合矿区不同含水层充水通道与突水形式分析，认为在古交矿区奥灰O2f2和O2s2+3含水层段富水强度不同，且与下组煤距离不同，对下组煤带压开采所起的充水作用也不同，其中O2f2可能形成下组煤底鼓突水，O2s2+3形成底鼓突水可能性小，主要是集中通道导水。古交矿区开采8号煤O2f预测最大突水量为234 m3/h，O2s含水层则需重视断层、岩溶陷落柱导水性的探查，同时对可能导水的钻孔加强监测。

古交矿区；奥灰突水；涌水量；预测

1　下组煤底板充水条件

1.1奥灰富水性分析

在西山煤田古交矿区，奥灰是一个由多层含水层(段)或隔水层(段)组成的含水岩组。由于客观上奥灰上部存在两个含水层段(O2f2和O2s2+3)和一个隔水层段(O2f1)，各含水层段富水强度不同，且与下组煤距离不同，对下组煤带压开采所起的充水作用也不同。根据矿区勘探成果，O2f是距下组煤最近的含水层，其富水层位为上部的O2f2，该层段在本区各矿的平均厚度为43.91(东曲矿)～70 m(马兰矿)，与8号煤之间的隔水层厚39.93～112.87 m，是该矿区唯一可形成下组煤底板底鼓突水的奥灰含水层。

含水层的富水性强弱通常是用S=10 m、r=0.045 5 m的抽水钻孔单位涌水量表示的。根据《煤矿防治水规定》换算后，古交矿区O2f单位涌水量q为0.001～1.437 3 L/s·m，其中大多数勘探孔中O2f单位涌水量小于0.1 L/ s·m，甚至小于0.01 L/ s·m，其余大于1.0 L/s·m的孔均不在下组煤开采范围内。O2s与8号煤间距平均约187 m，由于其含水层为上部的O2s2+3，与下组之间除太原组下段和本溪组外，同时存在O2f2和O2f1.所以，正常情况下，O2s要在下组形成突水，必须突破煤层底板O2f1、O2f2、C2b和C3t下段等近200 m岩层，从理论上计算是不可能的，只能通过O2f1补给O2f2而对下组煤充水。本区O2s的钻孔单位涌水量q介于0.000 5～1.807 2 L/s·m，多数钻孔的q为0.1～1.0 L/s·m，其中有4个钻孔q=1.0～2.0 L/s·m，这些钻孔在下组煤开采范围以内，所以，从O2s的富水性来看，其含水层虽不能直接形成下组煤底鼓突水，但其一旦补给O2f2而发生突水，其危害性远高于O2f含水层。

1.2充水通道分析

对于底鼓裂隙突水，主要考虑O2f.但对于O2f来说，古交矿区存在这样的情况：当开采水平较高时，O2f的富水性较强，而底板承受的水压相对较小；而当开采水平较深时，O2f的富水性相对较弱，但这时底板突水的水压则相对较高。在分析含水层底板突水时要同时考虑其水压和富水性两个因素及含水层距开采煤层的远近。对于O2s含水层，突水通道的形成与底板含水层作用在底板的水压大小和含水层与煤层的间距之间的平衡关系没有太多的直接关系，即与底鼓裂隙通道无关，主要是集中导水通道引发的奥灰突水。其突水点与奥灰的距离或大或小，没有规律。由于集中导水通道突(导)水，不论开采煤层距奥灰多远，奥灰水都会顺通道进入工作面。奥灰引发重大水害多数是沿集中导水通道(导水陷落柱、导水断层和导水钻孔)突入矿井的。因此，对于O2s含水层突水的评价和预报不能采用含水层底鼓突水的评价方法。由于古交矿区O2s的富水性比O2f强，而富水性强弱又是决定矿井充水程度及矿井涌水量(或突水量)的主要因素，O2s虽距下组煤较远，但其一旦补给O2f突入矿井，其对生产的影响和对安全的威胁又是甚于O2f的。

2　下组煤奥灰突水涌水量预测

2.1O2f含水层底板突水涌水量预测

古交矿区开采8号煤受O2f影响大部分属于基本安全区(T≤0.06 MPa/m)和轻度危险区(T=0.06～1.0 MPa/m)，极少数地段属T>0.1 MPa/m的危险区。这是由古交矿区下组煤的水文地质条件决定的。O2f水压在小于5 MPa的情况下突破54.11～101.9 m是很难的，并且，本区下组煤带压开采中浅部O2f富水性相对较强的地区，8号煤承受的水压小；深部(如马兰矿向斜轴部和矿区南部)8号煤承受O2f水压大，而O2f的富水性又相对较弱。可以说，突水与否取决于承压含水层的水压大小和隔水层厚度的对应关系，而突水量的大小则主要取决于含水层的富水性强弱。通常直接充水含水层底鼓突水的机率在水压大处比水压小处要大，即深部比浅部容易发生底鼓突水。由于古交矿区8号煤与奥灰(即O2f)间的岩层以砂、泥岩为主，特别是本溪组中的铁铝质泥岩具有较好的隔水性能。所以，O2f水通过C2b+C3t底部发生渗流型的越流可能性也不大，最大的可能是通过底鼓裂隙发生突然性涌水。

由于底板突水都是底板下承压含水层通过突水口瞬时弹性释放的，无法判断突水口大小和含水层弹性能量的积聚方式，所以有效地实测和预测最大突水量难度极大，以往突水事故中，只能根据淹井过程中淹没巷道的体积和淹没时间来进行推算。

在已有的突水案例中，突水口面积最大为1 m2.因此，可假定古交矿区奥灰突水口最大面积也是1 m2，稳定突水量计算可以借鉴现有的地下水动力学公式。设想8号煤发生底鼓突水犹如刚揭穿煤层底板的一口井，该井为底板进水的不完整井，可应用相应的公式进行预测：

Q=2πrKs

式中：

Q—稳定突水量，m3/d；

r—突水口半径，假设突水口最大面积为1 m2，则

K—含水层渗透系数，m/d；

s—按计算区(点)O2f由静止水位下降至开采水平计，m.

根据我国部分突水案例的统计，瞬时最大突水量约为稳定突水量的8～15倍，求出稳定突水量后，乘以15即为瞬时最大涌水量。以马兰矿奥灰突水系数最大的GS-8-1孔和GS-8-2孔为准，因为，该两孔计算的突水系数分别为0.076 MPa/m和0.089 MPa/m，假设该两处在8号煤开采时发生突水面积为1 m2的突水，根据有关参数估算稳定突水量和最大突水量如下：

已知GS-8-1，O2f渗透系数K=0.001 03 m/d；GS-8-2，O2f渗透系数K=0.002 03 m/d；GS-8-1孔处突水时S=1 066.03-570.17=512.08 m，GS-8-2处 S=1 149.47-430.47=719 m.代入Q=2πrKs计算得：

GS-8-1孔处稳定突水量Q=1.809 m3/d

最大突水量Qmax=1.809×15=27.135m3/d

GS-8-2孔处稳定突水量Q=0.076 m3/d

该水量不足以引起矿井水害，按区内在450 m以下的O2f层段，如GS-4孔O2f埋深665～745.12 m，K=0.085 m/d；413孔O2f埋深491.51～509.00 m，K=0.024 m/d；GS-6孔O2f埋深452.8～591.00 m，K=0.213 m/d仍按Gs-8孔的条件估算，则GS-4孔附近：

Q=2π×0.564×0.085×495.06=

149.29m3/d=6.22m3/h

Qmax=149.29×15=2 239.35m3/d=93.31m3/h

413孔附近：

Q=2π×0.564×0.024×495.86=

42.15m3/d=1.76m3/h

Qmax=42.15×15=632.25m3/d=26.34m3/h

GS-6孔附近：

Q=2π×0.564×0.213×495.86=

374.09m3/d=15.59m3/h

Qmax=374.09×15=5 611.35m3/d=233.81m3/h

最大突水量为234 m3/h，不至引发重大水害。

2.2O2s含水层底板突水分析

如前所述，O2s水压不是作用在C2b的底板而是作用在O2f1的底板，而峰峰组、本溪组、太原组底部的厚度达200 m，突水系数T远小于0.06 MPa/m，在没有集中导水通道的情况下，不会发生底鼓突水。在古交矿区，O2s含水层要形成突水，必须通过O2f2，或与O2f2产生水力联系，或穿越O2f1+O2f2+C2b+C2t而直接达到煤层。这种水力联系通道(或集中导水通道)主要有导水断层、导水岩溶陷落柱和导水钻孔。

底板突水的第一个集中导水通道是断层。从古交矿区勘查成果看，区内断层多属压扭性正断层，勘查和矿井生产过程中均未揭露过充水或导水的断层。尽管如此，由于不同断层的落差不同，地层对接关系不同和承受的水压不同，不同断层或同一断层的不同部位导水性可能不同，在今后的勘查和矿井生产过程中，仍需重视断层导水性的探查。特别是那些落差大，煤层与对盘奥灰接近的断层。底板突水的第二个集中导水通道是岩溶陷落柱。古交矿区岩溶陷落柱较发育，马兰矿2009年在南一下组煤18306工作面揭露一岩溶陷落柱时发生了奥灰突水，突水量10 m3/h，后通过注浆进行了封堵。根据相关资料，18306陷落柱突水水源为O2f水，不是O2s水。岩溶陷落柱导水问题仍然是要重点探查和预防的一项工作。底板突水的第3个集中导水通道是导水钻孔，当采掘过程中揭露和接近导水钻孔时，高压水同样会沿导水钻孔突入矿井，造成水害。根据古交矿区2009年统测水位的分析，在古交矿区可能存在这样的导水钻孔。古交矿区采掘工作面可能导通O2s水的导水钻孔主要存在于下述情况：1) 揭露O2s，对O2s和O2f未进行止水隔离，现在仍在利用其观测水位和供水的钻孔，如J11孔、TL-3孔、GS-5、GS-16孔、白一井、李一井和ZS-1、ZS-2、ZS-3孔等。2) 井下长观孔，目前在漏水的孔口，特别是O2f和O2S进行分层放水时，两个试验层段间未留隔水岩柱的钻孔，如GS-15，以及GS-10，和GS-11等。3) 其它封堵孔不良的钻孔，特别是打穿O2f1，揭露了O2s并且封孔不良的钻孔(包括水文地质孔与地质孔)。这些钻孔都可能成为人为的导水通道，对沟通O2s与O2f的水力联系起重要作用，从统测水位的成果看，部分钻孔O2s水位的上升，并且升幅较大，可能就是O2s、O2f已发生水力联系的征兆。

针对上述3种类型的集中导水通道不能用预测底鼓突水的突水系数法来进行评价预测，根据目前的技术水平还很难预测哪条断层，哪个岩溶陷落柱或哪个钻孔是导水的，实际工作中主要是依靠水文地质信息(水位、水量、水温、水质)的监测分析和物探先行、钻探验证方法进行探查来加以确定。在这些方法中，最简单可行的是对矿区范围内已施工的奥灰水文孔与地质孔，特别是已揭露了O2s的水文孔进行逐一排查，寻找疑点，在发现疑点的基础上，在钻孔周围留煤柱，或在工作面接近疑是导水钻孔处进行探放水或对导水钻孔重新封堵。

3　结　论

1) 在古交矿区奥灰存在两个含水层段(O2f2和O2s2+3)，各含水层段富水强度不同，且与下组煤距离不同，对下组煤带压开采所起的充水作用也不同，其中O2f2可能形成下组煤底鼓突水，O2s2+3由于距下组煤较远，隔水层厚度大，形成底鼓突水可能性小。

2) 古交矿区开采8号煤受O2f影响大部分属于基本安全区，根据区域勘探钻孔资料，结合我国不同矿区奥灰突水案例，预测O2f最大突水量为234 m3/h.

3) O2s在没有集中导水通道的情况下，不会发生底鼓突水，而集中导水通道突水不能采用预测底鼓突水的突水系数法来进行评价预测，需重视断层、岩溶陷落柱导水性的探查，同时对可能导水的钻孔加强监测。

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Prediction and Analysis of Ordovician Limestone Water Inrush Water Inflow in Gujiao Diggings Lower Group Coal

ZHANG Xuqing

Analyzes the watery of Ordovician limestone O2f and O2s in Gujiao diggings lower group coal, combining with the analysis of different aquifer water channels and water inrush form, considers that water intensity of Ordovician limestone O2f2and O2s2+3aquifer sections in Gujiao diggings are different, and the distance from the lower coal group are different. So the water filling function of lower coal group with mining above confined aquifer is also different. Among them, O2f2may form lower coal group heaving floor water inrush, and the possibility of O2s2+3forming heaving floor water inrush is small. It is mainly centralized channel water. It predicts that the maximum water inrush of mining No.8 coal seam O2f in Gujiao diggings is 234 m3/h, O2s aquifer should be paid attention to search the fault, water conductivity of karst collapse column, at the same time to strengthen monitoring to drilling of might guide water.

Gujiao diggings; Ordovician limestone water inrush; Water inflow; Forecast

2016-01-19

张旭庆(1982—)，男，山西长治人，2006年毕业于中国矿业大学，工程硕士研究生，工程师，主要从事矿井水文地质勘探和预测预报工作(E-mail)61914798@qq.com

TD742

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1672-0652(2016)03-0047-03