李家楼煤矿离层水害的成因与防治
2017-03-19高飞,桑赟
高 飞,桑 赟
(太原东山李家楼煤业有限公司,山西 太原 030499)
0 引言
山西省清徐县于2016年7月连续发生了3次暴雨灾害,造成其境内的李家楼煤矿正在开采的1202工作面老空区在19 min内发生约1000 m3的突水,瞬间水量达3158 m3/h,造成险情。东山煤矿集团技术人员普遍认为水害为工作面内部的陷落柱突水所致,但由于工作面在掘进期间和开采期间揭露的陷落柱都没有发生出水现象,因此水害的确切成因难以确定。又由于井田陷落柱密集发育,对全矿大量的陷落柱的探查和治理工程巨大,有必要对该工作面的突水做进一步的研究。2017年2月我矿与华北科技学院对本工作面的水害形成条件进行了详细分析和对陷落柱充填物的详细观察,证实水害属于罕见的顶板次生离层水成因,为其他矿井总体的防治水方案的制定指明了方向。
煤层顶板离层水害在我国水文地质条件较为简单的煤矿时常发生,频频发生突水淹面,和死亡灾害,已经成为目前煤矿主要水文地质灾害之一。例如,2007年3月10日,辽宁省抚顺市老虎台煤矿发生顶板次生离层水害[1],造成29人死亡;2007年7月4日,淮北海孜煤矿发生次生离层水害[2,3],造成5人遇难;2016年4月25日,铜川照金煤矿发生顶板离层水害[4],造成12人遇难……。据文献检索,顶板离层水害是近几年方被矿井水文地质界认识的水害形式,但已成为华北型煤矿经常发生的水害形式。因此开展这一问题的研究对矿井水害类型的认识与防治具有很大的理论意义和实际价值。
1 李家楼煤矿的水文地质条件
李家楼井田位于吕梁山脉东麓,呈侵蚀性低中山区地貌,沟谷和黄土台、土梁发育,相对高差420.60 m,井田地形比较复杂。井田内主要河流有白石沟河与都沟河2条季节性河流,均发源于井田外的西北山区,均属黄河水系。
矿区年平均降水量249.5~495.7 mm,降水量多集中在7、8、9三个月。
1202工作面位于井田中南部,首采区西翼,开采山西组底部的2#煤。工作面走向长约1200 m, 倾向宽150 m,标高722.9~821.3 m,如图1所示。
图1 李家楼煤矿10202工作面平面图
对1202工作面可能造成充水的含水层有:
(1) 中奥陶统峰峰组石灰岩岩溶裂隙含水层。峰峰组灰岩水位标高837.385 m,渗透系数0.00177 m/d,单位涌水量0.0011 L/s.m,矿化度2246 mg/L, PH值7.20。根据山西煤田229队提交的《太原东山煤矿有限责任公司李家楼煤矿矿井水文地质报告》,李家楼井田位于晋祠泉域岩溶水系统的滞流区,富水性弱。根据工作面处的钻孔625资料,2#煤距离奥陶系灰岩顶界面137.97 m,承受的水压为2.65 MPa,突水系数为0.019 MPa/m。
(2) 上石炭统太原组砂页岩夹石灰岩含水层组。太原组有四层稳定的石灰岩L5、L4、K2、L1,据钻孔625钻孔水位标高919.99 m,单位涌水量0.00029 L/s.m。根据勘探报告,石炭系各含水层之间、与奥陶系灰岩之间水量联系差,富水性很弱,对矿井不构成威胁。
(3) 二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层。较强的山西组砂岩含水层位于03#煤顶板60 m——75 m的范围内,据钻孔625资料,在1202工作面内,砂岩的厚度为13 m,距离03#煤62 m。据水文孔541的资料,水位标高800.01 m,涌水量0.18 L/s,单位涌水量0.0051 L/s.m,渗透系数0.04 m/d。
与2#煤有关的隔水层主要是煤层底板和顶板隔水层。其中底板隔水层基本包括底板至奥灰之间的137.97 m的所有地层,主要岩性为本溪组铝土岩和煤系地层的泥岩和页岩;2#煤顶板上覆7.5 m为03#煤,03#煤顶板为厚度为62 m隔水层,岩性主要为粉砂岩和黏土岩。
2 1202工作面顶板离层水害成因分析
2.1 顶板离层水害的水文地质条件分析
1202工作面老空出水的可能水源为奥陶系灰岩,大气降水和次生离层。要确定确切的水源需对水文地质条件进行细致的分析。
奥陶系灰岩在区域的弧度为307 m~373 m,在工作面的水压为2.65 MPa,突水系数为0.019 MPa/m,因此如果奥灰含水层为突水水源,那么突水通道只能为陷落柱。而本矿井和工作面所揭露的38个陷落柱都不导水,即使考虑到采矿的扰动,矿压对陷落柱的破坏深度也不会大于13 m(太原东山煤矿15#的底板破坏深度为13 m),远不及奥灰的距离137.97 m。1202工作面在回采前对距离切眼35 m处的X26陷落柱进行了钻探,钻孔深度为底板下55 m,没有任何涌水现象,证实陷落柱底板破坏范围内及其深部都不导水,这样就否定了采动诱发陷落柱突水的可能性。另外根据王经明教授关于高变质煤矿区陷落柱不导水的理论[5],变质程度为无烟煤的李家楼井田的陷落柱是不导水的,因此本工作面的突水不可能是陷落柱造成的。
根据“三下开采规程”给出的冒裂带高度计算公式:
式中,Hli为导水裂隙带高度,m;M为煤层开采厚度,m,现已知1202工作面煤层开采的最大厚度为3.65 m,上覆03#煤的开采厚度为1.8 m。采用复合煤层顶板裂隙高度的计算方法,计算得到导水裂隙带高度为56 m,小于03#煤层顶板隔水层厚度62 m,大气降水不会进入工作面。另外工作面的涌水量一直稳定在15 m3/h作用,和大气降水关系不大。即使上覆隔水层局部被破坏,大气降水也应该造成工作面的涌水逐渐增大,而不应该是瞬间爆发。
这样,唯一的水害成因只能是储存于顶板离层带内的地下水突然释放。依据如下:
(1) 顶板具备离层的形成条件:据钻孔625和钻孔348资料,2#煤上覆7.5 m处为03#煤,03#煤顶板为厚度为62 m的黏土岩隔水层,再上为厚度为11.2 m的中粒砂岩。上述计算结果显示,尚有6 m厚的隔水层没有遭到导水裂隙带的破坏,而位于弯曲沉降带的底部,弯曲沉降的过程中,强硬的厚层砂岩必将与软弱页岩将发生离层。
(2) 离层带底板岩层的隔水性:根据钻孔625和348,离层带的底板为黏土岩,遇水膨胀,具有良好的隔水性。且开采显示,工作面在里段,尚有约480 m顶底板没有发育陷落柱,顶板保持完好,隔水性没有被破坏。
(3) 水源:据气象记载,2017年7月22日至8月5日,矿区共发生了3次大到暴雨级的降雨,雨量一次为40 mm,2次为50 mm,总降雨量为140 mm,连续的大暴雨为离层带内储水提供了充足的水源。
底板的泥岩遇水而膨胀,将原有的裂隙封堵,使得离层带的水得以保存。当离层带顶板发生断裂后,对离层水体造成猛烈冲击,离层带底板发生破裂形成突水。
2.2 顶板离层水害的离散元数值模拟
为了再现离层水的形成过程和证实§2.1的水文地质条件分析,采用了UDEC软件对工作面进行了模拟。模拟的煤层采高2.5 m (1202工作面的平均采高)。模拟老顶断裂步距10 m。上边界载荷按300 m深岩石自重施加,底边界固定,左右边界水平方向固定,力学参数见表1,以自然垮落的顶板管理方法模拟开采。
表1 745工作面次生离层水数值模拟参数表
模拟发现,工作面推进了200 m时厚层砂岩顶板下尚未出现明显的离层,见图2;当工作面推进了250 m和300 m时,顶板在砂岩与煤系地层之间出现了明显的离层现象,见图3。UDEC的模拟结果符合顶板关键层理论[6,7]。从岩性可知,1202工作面顶板岩层存在着3个亚关键层(3个3 m厚的细砂岩层)和一个主关键层(03#煤层上方62 m处的厚层长石石英砂岩)。模拟显示离层首先在最下面的亚关键层下界形成,当第一个关键层断裂后,离层出现在第二个关键层下,然后向上发展到第三个关键层下,最后终止于主关键层,见图4。显然,随着工作面的推进,离层空间越来越大。模拟显示采矿造成顶板的离层是显著的,关于离层带形成的水文地质条件分析是符合实际情况的。
图2 煤层回采200 m时顶板离层离散元模拟图
图3 煤层回采250 m时顶板的离层情况离散元模拟图
图4 煤层回采300 m时顶板离层离散元模拟图
图5 离层水疏干工程布置剖面图
3 李家楼煤矿离层水害的防治方法
由于1202工作面突水水源是储存于2#煤上覆地层的离层空间内的,采用预疏干技术是防治此类水害的最佳方法,具体方法是在雨季,在工作面的巷道内迎着推进方向以一定间距施工钻孔至离层带,如图5所示,使储存于离层带的地下水及时排出。为了保证钻孔在开采过程中不发生破坏,可在钻孔内安装花管,这样即可疏干离层带内的积水,避免离层水害发生。
4 结论
通过对太原东山煤矿集团公司李家楼煤矿1202工作面顶板水害的调查、水文地质分析和数值模拟,得到以下结论:
(1) 1202工作面的水害为顶板离层水所致,而不是陷落柱导水造成的。
(2) 1202工作面的顶板离层水是由于煤层上方沉降带底部的为坚硬的长石石英砂岩,下部软弱泥岩和黏土岩,在不均匀弯曲条件下形成了离层空间,在此期间发生了较强的降雨,使离层空间充入了大量水,离层带底板的黏土岩隔水层遇水膨胀确保了地下水的聚集。离散元模拟试验再现了次生离层水害的形成过程,证实了水文地质条件分析的准确性。
(3) 提供了预疏干的离层水防治方法,即在雨季时,迎着掌子面向煤层顶板离层带施工一组钻孔,并下花套管的疏干技术。
[1] 李铁,蔡美峰,左艳,等.采矿诱发地震的震源机制特征-以辽宁省抚顺市老虎台煤矿为例[J].地质通报,2005,24(2):137-143.
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[4] 《中国应急管理》编辑部.陕西铜川耀州区照金煤矿"4·25”重大透水事故应急处置工作情况[J].中国应急管理,2016(4):67-68.
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