磁西一号超千米深井煤层开采底板突水危险性分析

梁红书，秦万能

(贵州省有色金属和核工业地质勘查局三总队，贵州 遵义 563000)



磁西一号超千米深井煤层开采底板突水危险性分析

梁红书，秦万能

(贵州省有色金属和核工业地质勘查局三总队，贵州 遵义 563000)

磁西一号井田煤层埋藏较深，其开采主要受深部奥灰承压水的威胁，为了成功开采以解放深部呆滞煤炭资源，保障矿区可持续发展，对磁西一号矿2#煤层开采奥灰突水危险性进行了评价。文章以峰峰矿区东部和磁西一号矿水文地质条件为基础，对矿井充水因素、含水层之间水力联系、采动裂隙带有效隔水层厚度、底板抗压强度及隔水能力等进行分析研究，主要采用突水系数法对煤层底板突水危险性进行了评价，通过计算得出：带压开采2#煤层突水系数平均为0.056MPa/m，位于过渡区，突水系数具备带压开采的基本条件。由于井田内煤层埋藏深度较大的区域控制程度较低，地质、水文地质条件不清楚，开采前需要进行补充勘探，经充分论证后，方可进行试采。

超千米深井；奥灰水；突水危险性；防治水；磁西一号井

我国煤矿生产过程中，煤层底板突水事故频发，特大突水事故多与奥灰水关系密切，尤其在我国华北地区石炭二叠纪煤系基底，存有溶洞非常发育的奥陶系石灰岩，为奥灰水提供了足够的储存空间，奥灰含水层一旦突水，危害极大。近年来，国内外不少专家及学者对煤层底板突水可能性进行分析评价[1-6]，如武强、李建林等均提出了各自评价底板突水性预测的方法[7-11]，但对超千米深井煤层开采底板突水研究较少。普遍认为，煤层埋藏越深，奥灰水头压力越大，突水危险性也随之增大，本文从奥灰含水层顶部隔水层和突水系数危险性评价两方面对磁西一号矿超千米深井煤层开采底板突水危险性进行分析研究，为超千米深井煤层开采底板突水危险性研究提供借鉴。

1　矿区背景

磁西一号井田位于峰峰矿区东部，煤层埋藏深度大于1000～1500m，是峰峰矿区向深部开发的第一个井田，矿区地层由老至新分布有中上元古界长城系常州沟组；古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系地层；中生界三叠系地层及新生界第三、第四系地层。主要含煤地层为石炭系太原组及二叠系山西组，煤层埋藏深度为1000～1550m。2#煤煤层平均厚度5.52m，结构类型较简单，分布稳定，全区可采。井田初期以开采2#煤层为主，对采煤威胁较大的含水层为大青含水层和奥灰含水层。

2　区域水文地质条件

峰峰煤田地处太行山东麓南部，呈NNE向条带状展布。磁西一号井田位于黑龙洞泉群岩溶水文地质单元的深部。该水文地质单元西部为山区，基岩裸露，奥灰水主要补给来源为黑龙洞泉群岩溶水；山前附近基岩形成奥灰水的径流区，主要被煤系或第四系地层覆盖；地下水主要以泉形式排泄，纸坊至黑龙洞一带为主要排泄区，人工排泄方式以生活及工农业用水、矿坑排水为主，深部少量以潜流方式排泄。磁西一号井田位于排泄区下游，位于地下水向深部潜流的滞流区，富水性弱，径流缓慢，但水压很高。

3　矿井水文地质特征

3.1含水层特征

井田内有8个主要含水层，从上往下依次为：新生界松散含水层(Ⅰ)、刘家沟组砂岩含水层(Ⅱ)、石盒子组砂岩含水层(Ⅲ)、二叠系山西组砂岩含水层(Ⅳ)、野青(Ⅴ)、山伏青(Ⅵ)灰岩含水层、石炭系太原组大青(Ⅶ)和奥陶系灰岩含水层(Ⅷ)。其中，奥灰含水层(Ⅷ)和大青含水层(Ⅶ)对煤矿开采工作威胁较大。含煤岩系含水层组合关系见图1。

大青灰岩含水层(Ⅶ)主要由青灰、深灰色石灰岩构成，厚度5.5m左右，裂隙较为发育，充填物以方解石为主，富水性中等。水位标高为+58～+76m，水质类型为Cl-Na和Cl·SO4-Na·Ca型，单位涌水量0.00121～0.00314L/s·m，渗透系数为0.0009～0.0228m/d。据邻矿(九龙矿)实际生产资料显示，大青灰岩含水层补给条件和水力联系差，富水性较弱。

奥陶系灰岩含水层(Ⅷ)总厚度约605m，上距2#煤层大概150m。当无陷落柱或断层导通时，该含水层为间接充水含水层。本含水层水位标高约+106m，单位涌水量为0.000414～0.858L/s·m，渗透系数为0.00046～1.73m/d，富水性极不均一，水质类型为Cl-Na和Cl·SO4-Na·Ca型，矿化度最大为9190mg/L，水温最高可达40℃。分析资料显示，自然状态下，奥灰水呈相对停滞状态，径流循环差，但其储量巨大，当在矿山压力和高压水头的联合作用下，可能致矿井底鼓突水，对煤矿开采造成威胁。井田内奥灰含水层传导性好，连通性能力强。

图1　含煤地层含水层组合关系示意图

3.2隔水层特征

磁西一号矿井田内隔水层厚度稳定，隔水性能良好，通过对含水层涌水量、水质类型及水位资料分析显示，正常情况下，各个含水层之间不存在水力联系，隔水层隔水性能良好。

2#煤层顶板砂岩含水层距离下部山伏青石灰岩含水层约为75m，主要由泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、中～细粒砂岩构成。其中泥岩和粉砂岩隔水性能较好，占总含量的65%左右。山伏青灰岩含水层与小青灰岩含水层距离约为25m；小青灰岩含水层大青灰岩含水层间距约为27m，大青灰岩含水层下与奥陶系灰岩含水层之间的距离约为30m，各含水层之间由隔水能力较好的泥岩、铝土泥岩、粉砂岩及少量的细粒砂岩构成，天然条件下水力联系较弱。

3.3充水因素分析

未来矿井充水的主要来源为各含水层的地下水。开采2#煤层时，矿井充水水源主要为顶板砂岩含水层，充水形式多为顶板滴水或淋水，涌水量一般不大。但矿区以厚层奥陶系灰岩为煤系地层基底，为区域性强含水层，奥灰水可通过导水陷落柱或断层涌入巷道，引发灾难性事故，为煤层开采最具威胁的间接充水水源，磁西一号矿井设计开采2#煤层，在开采过程中，当开采至导水大断层上盘附近，在奥灰水的高水头压力作用下，有造成矿井突水的危险。以区内断层F19为例(图2)，断层落差H=200m，西盘上升导致该盘奥陶系灰岩与2#煤层对接，由45-1钻孔成果显示本溪组及奥陶系上部地层被断失，钻孔抽水试验显示，奥灰单位涌水量为0.862L/s·m，通过计算，该处涌水量可达60m3/min，富水性较强。由于磁西一号矿井与周围区域水力循环较弱，径流不畅，处于相对滞流状态，在一定范围压力下奥灰水运动缓慢，但由于其较高的水头压力，严重威胁矿井开采。

图2　F19断层剖面图

4　突水条件分析

4.1底板突水可能性分析

煤矿开采过程中发生底板突水的可能性主要受控于突水因素和隔水条件[12]，实际工作中，突水因素常常以水量、水头压力等参数来衡量，而隔水条件则依据不同矿井底板岩性组合条件而具体分析[13-15]。磁西一号井田煤层开采主要受到奥灰水和大青水的威胁。奥灰水位标高+106.82m，单孔试验单位涌水量最大达0.860L/s·m，自然条件下，奥灰水呈相对停滞状态，储量丰富；大青水位标高为+58～+76m，单位涌水量0.00121～0.00314L/s·m，渗透系数为0.0009～0.0228m/d。正常情况下，煤系地层与奥陶系灰岩为假整合接触关系，不存在水力联系，但当遇到导水陷落柱或落差较大断层，导致煤系地层与奥灰含水层对接，奥灰水则成为煤系地层的补给水源。区域内，断层导致大青灰岩多处与奥灰含水层对接，使两含水层之间发生水力联系。

4.2采动裂隙带有效隔水层厚度

当煤层开采时，采掘工作面底板岩体会发生位移变形，其应力状态也随之改变，工作面底板产生扰动裂隙带[16-18]。根据经验公式，扰动裂隙带(H)与采面斜长(L)关系式见式(1)。

H=1.86+0.11L

(1)

磁西一号矿井设计采掘工作面斜长为90～120m，依据经验公式估算采煤扰动裂隙带最大高度为14.06m。煤层底板到煤系基底奥陶系灰岩顶部之间隔水层总厚度与采煤扰动裂隙带厚度之差即为2#煤层底板有效隔水层厚度。根据钻孔测井成果统计，2#煤层底板隔水层厚度见表1。

4.3煤层底板抗压强度和隔水性

煤层开采时底板的隔水能力和抗压强度与围岩性质紧密相关，柔性岩石隔水性能好，但其抗压强度弱；而刚性岩石隔水性能差，但抗压强度强[19-21]。一般情况下，泥岩的等效隔水层系数是刚性岩石的2.5倍；而刚性岩石的抗压强度系数则约为柔性岩石的2倍(表2)。据换算，2#煤层底板等效泥岩隔水层厚度为97.16m，总体抗压强度约为7.72MPa，岩层抗压强度及等效隔水层厚度如表3所示。井田大部分地区均可抵御奥灰水头压力。

表1　2#煤层底板隔水层厚度统计表

表2　岩层抗压强度和等效隔水系数换算表

表3　岩层抗压强度及等效隔水层厚度表

4.4煤层底板突水危险性分析

采动条件下，在导水构造、水压和矿压的共同作用下，奥灰水在高水头压力下有突破煤层底板引发突水事故的危险，对矿井开采构成严重威胁。依据《煤矿防治水规定》，主要采用突水系数对煤层底板突水危险性进行评价。依据邻矿区九龙矿2004～2009年的奥灰水位观测资料，奥灰水位在+90.05～+116.8m之间变化。选取近年来奥灰最高水位+116.8m作为突水系数计算中奥灰水位标高，依据钻孔资料和参考和勘探线剖面图确定隔水层厚度，突水系数计算见式(2)。

(2)

式中：T为突水系数，MPa/m；M为底板隔水层厚度，m；P为底板隔水层承受的水压，MPa。

2#煤层底板与奥灰含水层之间平均距离为140.00m，通过突水系数公式计算，可得带压开采2#煤层突水系数平均为0.056MPa/m。根据《煤矿防治水规定》中的突水系数临界值，(正常块段突水系数临界值为0.1MPa/m，底板受构造破坏块段突水系数临界值为0.06MPa/m)，2#煤层位于过渡区，突水系数具备带压开采的基本条件。

井田内煤层埋藏深度较大的区域，因控制程度较低，地质、水文地质条件不清楚，开采前需要进行补充勘探，经充分论证后，方可进行试采。

5　结　论

1)磁西一号井田位于峰峰矿区深部相对滞流区域，奥灰岩溶地下水位于排泄区下游，但奥灰含水层水头压力大，富水性强，且断层多处导致大青灰岩与奥灰含水层对接，使两含水层之间发生水力联系。

2)通过对磁西一号矿井区域水文地质钻孔出水段和漏水情况分析，验证了奥灰含水层顶部相对隔水层的存在。为矿井煤层开采防治水工作提供借鉴。

3)采煤过程中，为了避免突水灾害发生，应对井田内断层、陷落柱全部留设防水煤柱，并严禁开采断层保护煤柱。开采-1150m以下煤层时受奥陶系灰岩含水层突水威胁严重，推荐采取疏降和底板加固增强煤层底板抵抗水压能力的方法进行开采。

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Analysis of the possibility of water inrush from carbonic limestone during the coal seam mining in the Cixi 1#mine with the depth over 1000m

LIANGShu-hong，QINWan-neng

(TheThirdTeam，NonferrousandNuclearIndustryGeologicalProspectingBureauinGuizhou，Zunyi563000，China)

Thecoal-bedsareburieddeeplyintheCixi1#mine；andtheminingismainlymenacedbyconfinedwaterwithinordovicianlimestone.Inordertoexploitthedeepcoalresourcessuccessfullyandensuresustainabledevelopmentofminingarea，theordovicianlimestonewaterinrushdangerisevaluatedfor2#coalseam.OnthebasisofhydrogeologyconditionintheeastofFengfengminingareaandCixi1#mine，theminewaterfillingfactor，hydraulicconnectionbetweenaquifers，effectiveconfiningbedthicknessofminingfissurezone，floorcompressivestrengthandwater-insulatingcapabilityarestudied，thewaterinrushdangerisevaluatedwithwaterburstingcoefficientmethod.Thecalculationsshowthattheaveragewaterburstingcoefficientlocatedinthetransitionzoneis0.056MPa/minminingunderpressure，anditconformstotheconditionsofunderpressureminingbasically.Howeverthecoal-bedsareburieddeeplyandregionalcontrollevelislow，geologicalandhydro-geologicalconditionsarenotclear，supplementexplorationmustbecarriedoutbeforemining.

minewiththedepthover1000m；theordovicianlimestonewater；thewaterinrushdanger；preventionandcontrolofwater；Cixi1#mine

2016-02-12

梁红书(1972-)，男，贵州绥阳人，汉族，本科学历，高级工程师，主要从事岩土工程方面的研究、设计与治理。

TD824.6+2

A

1004-4051(2016)08-0108-04