高水压灰岩含水体上煤层安全开采充水条件分析*

许继影， 夏青森

(宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)



高水压灰岩含水体上煤层安全开采充水条件分析*

许继影， 夏青森

(宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

近年来，矿井突水事故频发，高水压灰岩含水体对煤层的安全开采带来极大的威胁.本文以袁店煤矿10煤层底板太原组灰岩上段含水层为例，在收集钻孔和抽水试验等相关资料基础上，从充水水源、充水通道及涌(突)水量预计三个方面，进行充水条件分析.研究结果表明该含水层段存在突水的可能，对进一步防治水设计提供参考依据.

充水通道;突水;隔水性能

前言

矿井突水灾害是在采矿活动影响下，承压水沿隔水层中的通道涌入矿井的一种动力现象[1].目前，在华北煤田开采过程中，下组煤底板的石炭系太原组灰岩含水岩组或奥陶系灰岩含水岩组，通常具有水压大、突水系数高、涌(突)水量大等特点，为矿井安全开采带来极大的危险[2,3].本文以淮北煤田袁店煤矿开采10煤层为例，对10煤层底板的太原组灰岩水体，从充水水源、充水通道及涌(突)水量预计三个方面，进行充水条件分析，分析的结果对于矿井防治灰岩水设计具有指导意义.

1 矿井地质条件

袁店井田位于安徽省濉溪县与涡阳县的交界处，井田范围内未见基岩裸露.钻孔揭露含煤地层为二叠系的山西组、下石盒子组和上石盒子组，可采煤层有32、51、63、72、81、82、10等7层.其中下组煤最低层10煤位于山西组的中部，下距太原组一灰顶界面约43 m左右.煤层厚0～6.19 m，平均厚3.84 m，属中厚-厚煤层，以厚煤层为主.

井田共有62个钻孔揭露太原组地层，太原组地层由石灰岩、泥岩、粉砂岩及薄煤层组成，以石灰岩为主，有10～12层石灰岩.岩溶裂隙发育的程度是影响富水性的主要因素，石灰岩岩溶裂隙在浅部较发育，向深部逐渐减弱.当岩溶裂隙发育时富水性较强，反之就弱.对于浅部的一～四灰来说，一～二灰厚度不大，难以构成大的地下水储导体系，有利于分层疏降；三～四灰为中厚层灰岩，具体厚度值见表1.岩溶裂隙发育，储导水能力强，构成太灰主要的地下水储导体系.

表1 太原组上段一～四灰厚度值统计表

一～四灰岩溶裂隙发育，水动力条件好，含水丰富，且各段之间距离仅数米，故将其视为一个含水层.因此在开采10煤时一～四灰水是其主要的补给水源.以下针对太灰水上段即一～四灰进行充水条件分析.

2 充水条件分析

2.1 充水水源

袁店矿太原组灰岩抽水成果见表2，从表中可以看出，一～四灰含水层单位涌水量在0.009 792～0.147 5 L/s.m，按煤矿防治水规定，为弱富水～中等富水含水层.渗透系数在0.037 67～0.591 3 m/d，属弱透水含水层.

但是,灰岩长观孔均位于远离开采区域的灰岩隐伏露头部位，是古岩溶发育地段，含水层富水性相对较强.而位于煤系之下的灰岩埋藏区的勘探钻孔和井下钻孔均反映灰岩富水性弱.随着灰岩含水层埋藏条件的改变，富水性指标存在较大差异.

表2 袁店煤矿太原组灰岩抽水试验成果表

2.2 充水通道

2.2.1 底板隔水特征

1)隔水层厚度

隔水层厚度及组合情况与底板阻水性联系密切，一般来说,隔水层厚度大，底板阻水能力好突水的可能性就小；反之,隔水层厚度薄，底板阻水能力弱突水的可能性就大.据统计矿井内揭露一灰钻孔，10煤底板到一灰顶其正常间距(真厚)为28.95～61.30 m，平均值为44.18 m.研究区大部分范围内隔水层厚度较大，仅在部分采区发育较薄.在正常情况下开采10煤，此层段隔水性能较好，但在局部地段，由于受断层影响，导致间距缩短，其隔水性能较差，有可能造成底鼓或断层突水.

2)隔水底板岩性组成

根据钻孔揭露情况，得出10煤至一灰间岩性柱状对比图(图1).多数钻孔揭露一灰直接顶是砂岩，仅有3个钻孔揭露一灰直接顶是泥岩，其中10煤层底板至一灰顶正常间距(真厚)为28.95～56.50 m，泥岩段厚度为0～54.50 m，砂岩段厚度为2.00～44.23 m，砂泥比为0.04～147.43.从透过和给出水能力大小分析，砂岩段的渗透性要大于泥岩段，传输的性能好[4].

图1 10煤层底板隔水层岩层柱状对比图(砂岩段、泥岩段)

2.2.2 断层导、含水性分析

开采10煤层的采区内存在较大断距的五沟～杨柳断层和F4断层，针对04-82孔和06-9孔分别对两断层进行抽水试验，具体分析为：

1)五沟～杨柳断层：据04-82孔对五沟～杨柳断层破碎带抽水试验，q=0.003 013L/s.m，k=0.011 39 m/d，水化学类型为HCO3.SO4～Na+Mg型水，对抽水结果进行了长时间的水位恢复，水位恢复十分缓慢，最终没有恢复到抽水前的静止水位高度，而太原组石灰岩岩溶裂隙含水层(段)水质类型为HCO3～Na或Cl·HCO3～Na型，进一步证明断层是不导水的.

2)F4断层：据06-9孔对F4断层破碎带抽水试验q=0.007 904 L/s.m，k=0.014 793 m/d，水化学类型为HCO3～Na型.对抽水结果进行了长时间的水位恢复，水位恢复十分缓慢，而且最终也没有恢复到抽水前的静止水位高度，F4断层富水性弱、导水性差.

根据简易水文观测资料和抽水试验资料分析，断层破碎带一般含水性弱，导水性亦差.正常情况下对矿井开拓无较大突水的可能，但在井巷穿过上述主要断层时，仍需超前探明其含、导水情况.

2.3 涌(突)水量预计

当工作面开拓因断层影响使主采煤层与太灰间距缩短或“对口”，可能引起太灰水突入矿井.现把一～四灰当做一个含水层组，考虑研究区内最大可能灰岩水涌水量.

利用地下水动力学公式法计算涌水量，采用井底进水的非完整井公式[5]

(1)

“大井”引用半径计算公式(不规则圆形，a/b<2～3)

(2)

“大井”引用影响半径计算公式

R0=R+r0

(3)

水位降低S值采用本矿井两次太灰抽水水位标高平均值即：(15.41+22.33)/2=18.87(m)与矿井一水平平均标高-499 m的差值，即S=517.87 m.

采用上述各参数、利用公式(1)、(2)、(3)估算太灰的可能突水量，估算结果见表3.估算结果，太灰的可能突水量为155.10 m3/h.

表3 太灰岩溶裂隙含水层的可能突水量估算结果表

3 结论

通过对袁店煤矿太原组一～四灰含水层的充水水源、充水通道及涌(突)水量预计的分析，得出：该含水岩组富水性为弱～中等；10煤层底板多数为透水性较好的砂岩段，存在受断层切割使10煤层与太灰对接的可能，发生突水；太原组含水层可能突水量预计为155.10 m3/h，因此,在实际施工过程中应采取预防措施，加强维护，以防突水事故的发生.

[1]杨永国, 黄福臣. 非线性方法在矿井突水水源判别中的应用研究[J]. 中国矿业大学学报, 2007, 36(3):283-286.

[2]朱国维, 丁雯, 武彩霞. 华北煤田底板矿井水分布及突水机理浅析[J]. 中国煤炭, 2008, 34(2):9-11.

[3]李永军, 彭苏萍. 华北煤田岩溶陷落柱分类及其特征[J]. 煤田地质与勘探, 2006, 34(4):53-57.

[4]冯梅梅, 茅献彪, 朱庆华. 底板隔水层岩性组合特征对隔水性能的影响[J]. 采矿与安全工程学报, 2010, 27(3):404-409.

[5]李伟, 左伟, 徐建伏. 改进大井法在富含水层下采煤涌水量预测的应用[J]. 矿业研究与开发, 2010(4):74-77.

[6]尹尚先, 张祥维, 徐慧,等. “大井法”中渗透系数及含水层厚度的优化[J]. 煤田地质与勘探, 2015, 43(5):53-56.

Analysis of Water Filling Conditions for Safe Mining of Coal Seam in High Water Pressure Limestone Aquifer

XU Ji-ying, XIA Qing-sen

(School of Resources and Civil Engineering, Suzhou University, Suzhou Anhui 234000, China)

In recent years, the mine water inrush accidents occur frequently. Limestone aquifer with high pressure has a great threat to safe mining of coal seam. Taken upper limestone aquifer under No.10 coal seam of YuanDian coal mine as an example and based on the collection of drilling and pump test data, water-filled conditions was analyzed from water filled source, channel and estimation of water discharge. The research results show that the water inrush in the aquifer is likely to provide a reference for the further prevention and control of water design.

water filled channel; water inrush; water-resisting function

1673-2103(2016)05-0083-04

2016-08-03

宿州区域发展协同创新中心开放课题(2015SZXTZXKF03)；宿州学院校级科研项目(2014YKF03)；国家大学生创新创业训练项目(20151039019)

许继影(1986-)，女，安徽淮北人，硕士，助教，研究方向：水文地质与工程地质.

TD163

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