兴盛园煤业井田突水危险性评价

郭慧蓉

(山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局，山西 太原 030045)

1 前言

霍州煤电集团兴盛园煤业有限责任公司井田内奥灰水水位标高在530m左右，井田内1号、2号煤层大部分带压，10号、11号煤层全区带压。同时，1号、2号煤层大部分又承受太灰水带压问题。而井田断裂构造发育，为矿井突水提供了潜在的突水通道，对矿井安全生产构成了一定威胁。对井田突水危险性进行评价尤为重要。

2 项目概况

霍州煤电集团兴盛园煤业有限责任公司井田位于霍州市什林镇，由山西梨树园煤业有限公司、山西霍州义桂煤业有限责任公司、山西霍州靖达煤业有限公司整合而成，生产能力为90万t/a，批准开采1号～11号煤层。整个井田构造由一宽缓的褶曲和数条正断层所控制，地层走向以北东向为主，地层倾角较小，3°～8°左右，断层附近局部达14°左右。北部边界受什林大断层影响倾角较陡，区内构造主要由3个褶曲和14条断层控制，局部发育有冲刷无煤带。井田内可采煤层为山西组1号、2号煤层和太原组10号、11号煤层。

3 突水影响因素分析

煤层底板太灰水或奥灰水是否发生突水，直接关系到矿井的安全生产。影响其突水性的因素主要有：①底板隔水层岩性组合特征；②底板隔水层厚度；③底板断层发育程度；④底板水压分布；⑤含水层富水性及岩溶发育程度等。

3.1 底板隔水层岩性组合特征

底板隔水层岩性组合直接关系着隔水底板抗压强度及隔水能力。本井田隔水层岩层组合以泥岩、砂质泥岩、铝土岩、粉砂岩为主，其次为细、中、粗粒砂岩。软质岩类与硬质岩类呈现互层状叠置组合特征，这种软、硬岩互层状的地质结构对提高底板的抗压强度及隔水能力比较有利。

井田内XK3号和XK4号钻孔采取岩石力学测试，砂岩类饱和抗压强度在50.7～86.3MPa之间，平均60.3MPa；灰岩饱和抗压强度在81.2～88.0MPa之间，平均84.4MPa；泥岩类饱和抗压强度在6.8～61.2MPa之间，平均27.4MPa。可见泥岩类抗压强度较小，而砂岩及灰岩抗压强度较大。

3.2 底板隔水层厚度

底板隔水层的薄厚是抵御底板突水的关键因素。一般而言，隔水层厚度大，底板抵御突水能力较强。反之，底板抵御突水能力差。依据本井田钻孔勘探资料，对井田上组煤(1号、2号煤层)底板相对太灰含水层顶界隔水岩层厚度，上组煤(1号、2号煤层)底板和下组煤(10号、11号煤层)底板相对奥灰顶界隔水岩层厚度进行了统计，并绘制了各煤层底板隔水层厚度等值线图。

3.3 底板断层发育程度

井田区内断裂构造发育，发育有多条规模大小不等的正断层，最大断距150～200m,最小断距4m，多在5～30m之间，井田内断层最大延伸长度3 300m,最短延伸长度为200m。

断裂构造对煤层底板岩体的破坏主要表现为：①断层形成岩体的不连续面，影响了岩体的完整性，易形成导水通道；②构造作用也导致构造带影响范围内的岩体结构的破坏，其特点是次生裂隙发育，软岩层产生塑性屈服，强度降低。

3.4 底板水压分布

底板水压是影响煤层底板突水的重要指标。根据本井田及周边勘探钻孔及水井资料，太灰水位在506～547m之间，奥灰水水位标高在521～541m之间。井田1号煤层底板标高240～550m，2号煤层底板标高230～540m，10号煤层底板标高150～450m，11号煤层底板标高140～430m。经对比分析，1号、2号煤层除西南部小面积不带压外，其余煤层底板均承受太灰和奥灰水压问题；10号、11号煤层全井田煤层底板均承受着奥灰水压问题。

3.5 含水层富水性及岩溶发育程度

底板以下太灰或奥灰含水层富水性是影响突水量大小的重要因素，表现在两个方面：①在平面上，富水性大的地段一旦发生突水，其突水量也大；②在垂向上，太灰和奥灰富水性及岩溶发育程度对突水威胁性也较大。

据井田勘探资料分析，太灰含水层除西南部为弱富水性外，其余为中等富水性；奥灰含水层(峰峰组和上马家沟组)全井田均属中等富水性含水层。

4 矿井突水危险性评价

根据本井田构造发育情况，取突水系数临界值0.06MPa/m作为划分突水分区界线，按照底板突水系数等值线进行危险性分区，可以划分为非带压区、突水相对安全区(T<0.06MPa/m)、突水危险区(0.06MPa/m0.1MPa/m)。

4.1 太灰水突水危险性评价

利用井田内现有钻孔资料，按1号、2号煤层分别计算各钻孔突水系数。然后根据突水系数数值绘制底板突水危险性评价分区图。

4.1.1 1号煤层底板太灰水突水危险性评价

经计算，1号煤层底板太灰水突水系数在0～0.126 9MPa/m之间，突水系数最大值0.126 9MPa/m，大于底板受构造破坏块段突水系数临界值0.06MPa/m，也大于正常块段突水系数临界值0.1MPa/m。非带压区分布在井田西南角，突水危险区(0.06MPa/m0.1MPa/m)分布在井田东北角，其余地区均为突水相对安全区(T<0.06MPa/m)，见图1。

图1 1号煤层底板太灰水突水危险性评价分区图

4.1.2 2号煤层底板太灰水突水危险性评价

经计算，2号煤层底板太灰水突水系数在0～0.164 2MPa/m之间，突水系数最大值0.164 2MPa/m，大于底板受构造破坏块段突水系数临界值0.06MPa/m，也大于正常块段突水系数临界值0.1MPa/m。非带压区分布在井田西南角，突水危险区(0.06MPa/m0.1MPa/m)分布在井田东北角，其余地区均为突水相对安全区(T<0.06MPa/m)，见图2。

图2 2号煤层底板太灰水突水危险性评价分区图

4.2 奥灰水突水危险性评价

利用井田内现有钻孔资料，按煤层分别计算各钻孔奥灰水突水系数。然后根据突水系数数值绘制底板突水危险性评价分区图。

4.2.1 1号煤层底板突水危险性评价

经计算，1号煤层底板奥灰水突水系数在0～0.033 0MPa/m之间，突水系数最大值0.033 0MPa/m，小于底板受构造破坏块段突水系数临界值0.06MPa/m。全井田除西南角小范围属非带压区外，其余均属突水相对安全区(T<0.06MPa/m)，见图3。

图3 1号煤层底板奥灰水突水危险性评价分区图

4.2.2 2号煤层底板突水危险性评价

经计算，2号煤层底板奥灰水突水系数在0～0.035 1MPa/m之间，突水系数最大值0.035 1MPa/m，小于底板受构造破坏块段突水系数临界值0.06MPa/m。全井田除西南角小范围属非带压区外，其余均属突水相对安全区(T<0.06MPa/m)，见图4。

图4 2号煤层底板奥灰水突水危险性评价分区图

4.2.3 10号煤层底板突水危险性评价

经计算，10号煤层底板奥灰水突水系数在0.027 5～0.112 3MPa/m之间，突水系数最大值0.110 3MPa/m，大于底板受构造破坏块段突水系数临界值0.06MPa/m，也大于正常块段临界值0.1MPa/m。突水高危险区(T>0.1MPa/m)分布在井田西北角，突水危险区(0.06MPa/m

图5 10号煤层底板奥灰水突水危险性评价分区图

4.2.4 11号煤层底板突水危险性评价

经计算，11号煤层底板奥灰水突水系数在0.036 6～0.175 2MPa/m之间，突水系数最大值0.175 2MPa/m，大于底板受构造破坏块段突水系数临界值0.06MPa/m，也大于正常块段临界值0.1MPa/m。突水高危险区(T>0.1MPa/m)分布在井田西北角及井田中部的补8号孔周围和补19号孔周围，突水相对安全区(T<0.06MPa/m)分布在井田南部边界，其余地区为突水危险区(0.06MPa/m

图6 11号煤层底板奥灰水突水危险性评价分区图

4.3 断层突水危险性评价

选择井田内断层落差大于20m的较大断层进行突水危险性评价。井田内较大断层有F1、F2、F7、F9、F10、F11。其中F1断层落差160～200m，对比井田内地层组段相对厚度，F1断层上盘煤系地层已与下盘奥灰岩溶含水层对接。因此，在该断层带上盘上组煤层和下组煤层均存在严重的奥灰水突水威胁，为防止奥灰水突水的重点煤层。本次对F1断层不做具体计算数值评价。

结合井田内太灰水位等值线及奥灰水位等值线，分析并推算了F2、F7、F9、F10、F11断层带所承受的水压值P，本井田B取10。按上述评价公式计算各断层承受太灰水压和奥灰水压的Ha值，计算结果见表1。

4.3.1 断层在太灰水压作用下的突水评价

井田内上组煤层1号、2号煤层底板存在太灰水带压问题，其中1号煤层底板至太灰顶界隔水层厚度一般为32～59m，2号煤层底板至太灰顶界隔水层厚度一般为23～55m，断层带上盘煤层至下盘太灰含水层间距h，其数值等于上盘煤层隔水层厚度减去断层落差，对比井田内各断层带h和Ha值，会出现h小于Ha的情况。因此说明井田内F2、F7、F9、F10、F11断层在开采上组煤层过程中存在太灰水突水危险。

表1 断层带突水评价计算数值

4.3.2 断层在奥灰水压作用下的突水评价

井田内上组煤层1号、2号煤层底板存在奥灰水带压问题，其中1号煤层底板至奥灰顶界隔水层厚度一般为102～163m，2号煤层底板至奥灰顶界隔水层厚度一般为93～152m，断层带上盘煤层至下盘奥灰含水层间距h，其数值等于上盘煤层隔水层厚度减去断层落差，对比井田内各断层带h和Ha值，Ha大于h，不会出现h小于Ha的情况。因此说明井田内F2、F7、F9、F10、F11断层在开采上组煤层过程中不会存在奥灰水突水危险。

井田内下组煤层10号、11号煤层底板存在奥灰水带压问题，其中10号煤层底板至奥灰顶界隔水层厚度一般为26～45m，11号煤层底板至奥灰顶界隔水层厚度一般为15～33m(除补19号为57m外)，断层带上盘煤层至下盘奥灰含水层间距h，其数值等于上盘煤层隔水层厚度减去断层落差，对比井田内各断层带h和Ha值，会出现h小于Ha的情况。因此说明井田内F2、F7、F9、F10、F11断层在开采下组煤层过程中存在奥灰水突水危险。

同时，也不排除落差较小的断层在矿山采动的影响下也具有突水危险性，在开采过程中应引起重视。

5 结语

煤层底板是否发生突水是由多种因素共同影响的结果。综合研究霍州煤电集团兴盛园煤业有限责任公司井田底板隔水层岩性组合特征、底板隔水层厚度、底板断层发育程度、底板水压分布、含水层富水性及岩溶发育程度等，进行煤层开采突水危险性评价，对指导兴盛园煤业有限责任公司安全生产、制定防治水措施具有实际意义。