赵家寨煤矿二1煤层底板含水层突水性预测

■王照亮（河南省煤田地质局一队河南新郑451150）

赵家寨煤矿二1煤层底板含水层突水性预测

■王照亮
（河南省煤田地质局一队河南新郑451150）

赵家寨煤矿随着开采深度的增加，矿井最大水害威胁在于二1煤层底板含水层突水。为了指导矿井进行煤层底板水害防治，本文采用突水系数法，对二1煤层底板含水层突水性进行预测评价，并根据二1煤层底板标高，划分出相对安全区、临界区和危险区。

二1煤层 底板采动导水破坏带 突水系数

赵家寨煤矿位于新郑市西部，行政区划属新郑市的城关镇、辛店镇和新密市的大隗镇，矿井主采二1煤层，批准开采标高为+90～～950m，生产能力为300万吨/年。本矿井水文地质类型复杂，自建井以来，井下共发生大小突水15次，其中二1煤层底板灰岩突水14次，顶板砂岩突水1次，矿井受底板灰岩水危害较大。据本矿目前掘进资料，对二1煤层开采有影响的底板含水层主要为C2tL7～8、C2tL1～4和O2m三层灰岩岩溶裂隙承压水含水层，本文根据底板采动导水破坏带和突水系数，对二1煤层底板含水层突水性进行分析预测，为矿井底板水害防治工作提供依据。

1　二1煤层底板含、隔水层特征

二1煤层下伏含、隔水层从新到老依次为二1煤层底板砂泥岩隔水层、太原组上段灰岩岩溶裂隙承压水含水层、太原组中段砂泥岩隔水层、太原组下段灰岩岩溶裂隙承压水含水层、本溪组铝土质泥岩隔水层和奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水含水层。现简要分述如下：

（1）二1煤层底板砂泥岩隔水层

系指L8灰岩顶面到二1煤层底板之间的砂、泥岩和砂质泥岩，据本区揭露该层厚度1.61～43.82m，平均厚10.96m，在自然条件下有一定的隔水作用，但在开采二1煤层条件下，基本失去隔水作用。

（2）太原组上段灰岩岩溶裂隙承压水含水层

含水层指太原组上段的石灰岩。矿井内有187孔揭露（穿）层太原组上段石灰岩，由L7、L8两层石灰岩组成，石灰岩为厚层状、隐晶质结构，厚度0～18m，一般约10m，含黄铁矿结核和燧石结核。据矿井内钻孔抽水试验资料：单位涌水量0.00357～0.6949L/s?m，渗透系数为0.1116～19.5562m/d。水化学类型以HCO3.SO4—Ca为主，次为HCO3—Ca。溶解性固体0.403～0.547g/L，水温28～29℃。八十年代天然水位标高120.85～126.65m，据该矿的长观孔水位资料，2014 年7月1210孔观测水位标高为～56.47m。该含水层为二1煤层底板直接充水含水层，对开采二1煤层影响较大。

（3）太原组中段砂泥岩隔水层

该层系指L4灰岩顶面到L7灰岩底面之间的砂质泥岩为主，夹细粒砂岩、薄煤层和不稳定的L5及L6灰岩，厚16.83～68.33m，该层层位较稳定，隔水性较好，为C2tL1～4灰岩与C2tL7～8灰岩之间的隔水层，但在断裂切割处以及背斜轴部张裂带上，将会形成上、下含水层间的水力联系。

（4）太原组下段灰岩岩溶裂隙承压水含水层

含水层指太原组下段的L1～4石灰岩。矿井内共有105个钻孔揭露（穿）太原组下段石灰岩，有1～4层灰岩，厚7.4～34.91m；平均18.79m，L1、L2常合为一层，二者一般厚10～13m。该套灰岩厚层呈块状，隐晶质结构，含黄铁矿结核与燧石结核。根据抽水试验成果表：钻孔单位涌水量1.0077～4.72L/s·m，渗透系数为10.20～36.061m/d,总体上该含水层的富水性中等。八十年代天然水位标高122.22～125.82m，由于赵家寨煤矿近年来对该含水层的主动疏放，各孔水位有不同程度的下降，据该矿的长观孔资料，2008年12月水位标高在+40m左右，而到2014年7月，该矿附近的水位标高在～77.01～～48.41m之间。水化学类型以HCO3·SO4—Ca·Mg为主，溶解性固体0.502～0.617g/L。水温28～30℃，局部断裂带水温40℃。在正常地段，该含水层为二1煤层的间接充水含水层，在断层带附近为直接充水含水层，对开采二1煤层有一定的影响。

（5）本溪组铝土质泥岩、砂泥岩隔水层

位于奥陶系灰岩顶面至一1煤层底面之间，厚度1.87～33.84m，该层层位较稳定，岩性致密，隔水性良好。

（6）奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水含水层

矿井有101孔揭露（穿）了奥陶系，奥陶系厚25.33～79.95m，平均厚度54.70m。奥陶系该层上部为厚层状石灰岩，下部为泥质灰岩。有11个孔遇溶洞、裂隙漏水，占揭露钻孔总数的10.89%，钻孔涌、漏水量0.35～36.96m3/h。岩溶裂隙主要发育于断裂带，滹沱背斜轴部及露头带附近，溶洞高度0.15～3.00m，富水地带分布在上述部位，多有铝土质泥岩或粘土充填。据钻孔抽水试验资料，单位涌水量为0.03099—2.486L/s.m,渗透系数为0.01073～59.934m/d,水化学类型为SO4·HCO3—Ca·Na·Mg，溶解性固体0.532g/L，水温23～29℃。上世纪八十年代，奥陶系岩溶裂隙水的天然水位标高+121. 59～+122.36m，据该矿的长观孔水位资料，2014年7月1426孔观测水位标高为～54.26m，814孔观测水位标高为～57.83m。在正常地段，该含水层为二1煤层的间接充水含水层，在断层附近为直接充水含水层，因此它对二1煤层的开采也有较大影响。

2　二1煤层底板含水层突水性预测

2.1太原组上段（C2tl7～8）灰岩岩溶裂隙承压水突水性预测

开采二1煤层时，由于采动矿压的作用，底板岩层遭到连续性破坏，导水性能发生明显改变，形成底板采动导水破坏带。该带的厚度即为“底板破坏深度”，该带内一般存在平行和垂直层面的裂隙，平行层面裂隙主要是底板受到矿压作用，底板经过压缩膨胀而产生反向弹性变形所造成，一般在浅部较发育。垂直层面的裂隙是由剪切作用和层向拉力造成。当二1煤层底板隔水层厚度小于底板采动导水裂隙带厚度时，该裂隙可将底板岩溶裂隙水导入矿坑。依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（煤行管字〔2000〕第81号）附录六，只考虑工作面斜长，底板采动导水破坏带深度可采用下述统计公式：

式中：

h1—底板采动导水破坏带深度m；

L—壁式工作面斜长，m；

本矿工作面斜长按200m计算，代入上述公式：

经计算，二1煤层底板采动导水破坏带深度为22.28m和21.00m，大于二1煤层底板隔水层平均厚度10.96m，太原组上段（C2tl7～8）灰岩岩溶裂隙承压水可通过底板采动导水破坏带进入矿井。

2.2太原组下段（C2tL1～4）和奥陶系（O2m）灰岩岩溶裂隙承压水突水性预测

本矿二1煤层底板标高～800m～～100m，根据L1～4灰岩长观孔1120孔2014年7月13日观测资料，含水层水位标高为～48. 41m，开采二1煤层为带压开采，本文采用突水系数法对太原组下段和奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水突水性进行预测评价。采用《煤矿防治水规定》〔国家安全生产总局监督管理总局（第28号）〕附录四中的公式，其公式为：

式中T—突水系数，MPa/m；

p—隔水层承受的水压，MPa/m；

M—底板隔水层厚度（取区内二1煤层底板至含水层顶板的平均厚度）。

根据煤矿防治水规定，煤层底板受构造破坏块段突水系数临界值取0.06MPa/m，正常块段突水系数临界值取0.1MPa/m。本文确定以下带压开采分区标准：

T＜0.06相对安全区

0.06≤T＜0.1临界区

T≥0.1危险区

当突水系数取0.06 MPa/m，反算得出隔水层承受的水压（P）为3.3468MPa，煤层底板标高为～334.14m；当突水系数取0.1MPa/m，反算得出隔水层承受的水压（P）为5.578MPa，煤层底板标高为～561. 81m。见表1。

表1　二1煤层安全开采标高计算表

从表1及图1中可以看出，当本矿二1煤层开采标高在～334. 14m以浅时，太原组下段和奥陶系灰岩水突水系数小于0.06MPa/m，属相对安全区；二1煤层开采标高在～561.81m～～334. 14m之间时，太原组下段和奥陶系灰岩水突水系数大于0.06MPa/m，而小于0.1MPa/m，属临界区，构造破坏块段发生突水可能性较大，构造不发育块段仍是相对安全的；二1煤层开采标高在～561.81m以深时，突水系数大于0.1MPa/m，属危险区，太原组下段和奥陶系灰岩水突水可能性极大（见表2）。

图1　太原组下段和奥陶系灰岩水突水系数与二1煤层底板标高关系图

表2　二1煤层突水性预测评价表

3　结语

根据计算底板采动导水破坏带深度，预测了太原组上段灰岩岩溶裂隙承压水可通过底板采动导水破坏带进入本矿井。采用突水系数法，预测了本矿二1煤层开采标高在～334.14m以浅时，属相对安全区；二1煤层开采标高在～561.81m～～334.14m之间时，属临界区，构造破坏块段发生突水可能性较大，构造不发育块段仍是相对安全的；二1煤层开采标高在～561.81m以深时，属危险区，太原组下段和奥陶系灰岩水突水可能性极大。此次预测公式选用合理，预测结果可作为矿井底板水害防治的参考依据，但是本次预测所用突水系数临界值只是全国实际资料的综合数据，是否适合本矿井，还有待矿井开采中实际验证。

[1]国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定【M】.北京：煤炭工业出版社.2009.

[2]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程【M】.北京：煤炭工业出版社.2000.

TD324[文献码]B

1000～405X（2016）～4～147～2

孟玮（1985～），女，毕业于中国石油大学（华东），地质学硕士，工程师，研究方向为地质勘查。