奥灰顶部相对隔水性及其在底板突水评价中的应用

常海雷

(辽宁工程技术大学，辽宁省阜新市，123000)

近年来随着煤炭资源逐渐向深部开采，华北地区石炭二叠系煤田受奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层的威胁越来越严重，国内外学者从各自的领域出发，结合现代科学的先进理论和技术，在煤矿底板突水机理、预测预报和防治等方面取得了丰富的成果。武强等提出了主控指标体系建设方法、脆弱性指数法，缪协兴、白海波等提出了隔水关键层原理，施龙青提出了“下四带”理论等。近年来随着白海波等提出奥陶系灰岩顶部存在隔水层并可作为隔水关键层的观点后，张伟杰、孙亚军、武强等开展了奥陶系灰岩顶部隔水层的成因理论和隔水性能测试等研究，证实了奥陶系灰岩顶部普遍存在一层相对隔水层，为下组煤层开采安全评价提供了依据。本文以沁水煤田王坡煤矿为例，分析研究奥灰顶部相对隔水层厚度及15#煤层底板突水危险性评价，旨在为安全开采受奥灰岩溶水威胁的15#煤层提供一定的科学依据。

1 矿井概况

王坡煤矿位于太行断块沁水块坳的东翼南段，区域地表水系属黄河流域沁河水系，区域水文地质单元为延河泉域，主要含水层为中奥陶厚层状石灰岩，水位标高+527～+533 m。目前主采煤层为二叠系山西组3#煤层，拟配采石炭系太原组15#煤层。

15#煤层位于石炭系太原组下部，标高范围+290～+490 m，上距3#煤层底板平均87 m，煤层平均厚度3.4 m，属全区可采的稳定煤层，保有资源储量1.1亿t；下距奥陶系灰岩平均8.89 m，受奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层影响，属带压开采煤层。

2 奥灰顶部岩层相对隔水性及其厚度研究

为探测奥灰峰峰组顶部围岩是否具有隔水性，以王坡煤矿为研究对象，在井下3#煤层巷道中向奥陶纪地层施工钻孔，施工至109 m时进入奥陶纪地层，接着在奥陶纪地层中继续施工至159 m。采用电子窥视法、钻孔声波法和吕荣法压水试验进行围岩裂隙发育规律探测，自奥灰顶部开始进行裸孔测试，测试段全长50 m，如图1所示。

2.1 电子窥视法

本次观测采用小孔径测试电子窥视仪，对在钻窝中的钻孔进行奥陶系峰峰组顶部钻孔探测并采集有效数据和图片。根据现场实际情况对测试段采用不同深度的裸孔测试，全孔观测。

通过窥视总体上看，峰峰组顶部50 m岩层以灰岩、泥质灰岩和角砾灰岩为主，层状、厚层状构造，局部裂隙有发育，多处可见方解石细脉。岩体整体完整性较好，未见断裂和溶洞。

2.2 声波测试法

现场采用CLC1000型超声波围岩裂隙探测仪，通过岩石钻孔测出“声波波速差-孔深”曲线来判定钻孔围岩裂隙变化规律。超声波测试时，钻孔中充满水耦合声波传播，测量声波沿孔壁滑行的速度，测点间距为10 cm，用1 m长带有10 cm刻度值的电缆线垂直送入并控制点距。

图1 钻孔结构图

全程获取观测数据测点位为496个。由观测数据可知，声波波速差在中下部10 cm测点间的传播时间明显减慢，声波波速也减慢，声波波速差值较低，结合钻孔窥视数据可知，测点间存在裂隙发育现象，尤其在128.5～129.5 m存在连续发育的裂隙。但总体而言，声波波速在全程裸孔测试段没有出现声波断点、数据消失和异常值，说明测试段不存在明显的构造异常区，如断层和溶洞等。

2.3 压水试验

本次试验采用吕荣法作为压水试验方法，选择2.5 m作为本次压水试验的试段长度，试验最大压力P3为1 MPa，其余两级压力P1为0.3 MP、P2为0.6 MPa。试验阶段采用三级压力5个阶段进行，逐级升压至最大压力，然后按原压力逐级下降，即P1-P2-P3-P2-P1。累计测试20个循环。试验段透水率采用第三阶段压力P3和流量Q3按下式计算：

(1)

式中：q——试验段透水率，Lu；

L——试验段长度，m；

Q3——第三阶段的计算流量，L/min；

P3——第三阶段的试验段压力，MPa。

计算结果见表1。

表1 压水试验各试验段透水率计算表

根据表1可以看出，峰峰组顶部50 m岩层透水率介于0.39～1.94 Lu之间，说明峰峰组顶部50 m范围内岩体的渗透性较弱。根据岩土渗透性分级标准，峰峰组顶部50 m范围内渗透等级为微透水岩体，可起到一定的隔水作用。

2.4 峰峰组顶部相对隔水层厚度的确定

以王坡煤矿安全开采为研究对象，综合考虑影响峰峰组隔水性能的各种不利因素以及多种不利因素叠加效应，并选取一定的安全储备系数K作为对峰峰组顶部相对隔水层厚度的调整。

(1)当K取0.8时，认为各种对构成峰峰组隔水性不利的组合因素影响有互相消减的可能，此时计算得出的安全储备最小安全厚度为62.5 m，取整为63 m。

(2)当K取1.5时，此时安全储备最小安全厚度为33.3 m，取整为33 m。

(3)当K取2时，考虑各种对构成峰峰组隔水性不利的组合因素可能互相叠加，此时计算得出安全储备最小安全厚度为25 m。

所以，在取一定的安全储备系数后，王坡煤矿峰峰组顶部相对隔水层厚度的取值应该在25～63 m之间，结合沁水煤田已做相关研究的龙湾井田为40 m，寺河井田为35 m，成庄井田为40 m，为了安全起见一般考虑相对隔水层的最小厚度为33 m。

3 开采15#煤层奥灰突水危险性评价

3.1 评价方法及分区标准

本次研究采用《煤矿防治水规定》推荐的突水系数法对开采15#煤层奥灰突水危险性进行评价。突水系数法考虑了煤层底板承受的奥灰水压力和煤层底板隔水层的厚度两个因素。计算公式为：

(2)

式中：T——突水系数，MPa/m；

P——煤层底板承受水压，MPa；

M——底板隔水层厚度，m。

就全国实际资料来看，底板受构造破坏段突水系数一般不大于0.06 MPa/m，正常块段不大于0.1 MPa/m。本次研究参照该标准，结合山西省防治水分区管理标准，相对分区标准为：

(1)当T≤0.06 MPa/m时，突水威胁性小，属可采区；

(2)当0.06 MPa/m≤T≤0.1 MPa/m时，突水威胁性中等，属缓采区；

(3)当T≥0.1 MPa/m时，突水威胁性大，属禁采区。

3.2 突水危险性分区

选取煤层底板隔水层厚度时分为考虑奥灰峰峰组相对隔水层厚度M1和不考虑奥灰峰峰组相对隔水层厚度M2两种情况进行计算对比，结果见表2。表2中T1为考虑奥灰峰峰组相对隔水层厚度时的突水系数，T2为未考虑奥灰峰峰组相对隔水层厚度时的突水系数。

根据表2计算结果可以看出，将奥灰峰峰组顶部33 m作为相对隔水层进行计算，王坡煤矿15#煤层突水威胁性小，均属于可采区；若不考虑奥灰峰峰组顶部相对隔水层的情况下，王坡煤矿15#煤层大部分区域属突水威胁性大，按照山西省防治水分区管理标准属禁采区。因此利用奥灰峰峰组顶部作为相对隔水层即可释放15#煤层全部煤炭资源约1.1亿t。未考虑和考虑奥灰顶部相对隔水层15#煤层突水危险性分区对比如图2所示。

表2 15#煤层底板突水系数计算基础数据表

孔号奥灰水位标高/m底板隔水层厚度M1/m底板隔水层厚度M2/m底板标高/m隔水层底板承受水压P/MPa突水系数T1/MPa·m-1突水系数T2/MPa·m-1ZK0-352740.477.47382.711.440.0360.193ZK0-452736.583.58350.811.760.0480.492ZK0-552739.266.26310.782.160.0550.345ZK0-652744.1111.11319.552.070.0470.187ZK1-552839.986.98482.020.460.0120.066ZK1-652841.268.26375.351.530.0370.185ZK1-752842.199.19309.102.190.0520.238ZK2-752943.2610.26467.420.620.0140.060ZK2-852942.669.66472.240.570.0130.059ZK2-952940.527.52420.751.080.0270.144ZK2-1152946.4513.45332.831.960.0420.146ZK3-752941.988.98498.240.310.0070.034ZK3-852940.437.43454.380.750.0180.100ZK3-952940.487.48417.221.120.0280.149ZK3-1052940.937.93365.231.640.0400.207ZK4-353059.2426.24430.790.990.0170.038ZK4-453038.985.98417.691.120.0290.188ZK4-553142.719.71427.981.030.0240.106ZK4-653147.1214.12322.132.090.0440.148ZK5-253140.087.08490.690.400.0100.057ZK5-353242.437.43482.810.490.0120.066

图2 未考虑和考虑奥灰顶部相对隔水层15#煤层突水危险性分区对比示意图

4 结论

(1)采用电子窥视法、钻孔声波法和吕荣法压水试验进行峰峰组顶部50 m范围内围岩裂隙发育规律探测，进一步验证了华北型煤田奥灰顶部存在隔水层的观点，为王坡煤矿15#煤层开采防治水工作提供了科学依据。

(2)经过对王坡煤矿开采15#煤层突水危险性评价对比，将奥陶系顶部划分为相对隔水层，使缓采区和禁采区转换为可采区，从而释放15#煤层煤炭资源1.1亿t。

(3)认识到峰峰组富水性弱，顶部岩层可作为相对隔水层的同时，应重视煤层底板隔水层薄弱带的防范与治理，主要防范区域为断层、陷落柱、裂隙密集发育区。对峰峰组阻水能力的利用应建立在对薄弱带的改造基础上。