潞安矿区司马煤矿15号煤层带压开采分区划分

郭瑞睿

(长治职业技术学院,山西 长治 046000)

带压开采,是指在具有承压水压力的含水层上进行的采煤[1]。在华北型石炭——二叠系煤田中,太原组煤层的带压开采是指在奥陶系灰岩(以下简称“奥灰”)含水层的水头之下进行的采煤。由于奥灰具有分布广、补给好、水量大、水压高等特点,因此奥陶系灰岩水(以下简称“奥灰水”)是普遍威胁华北各矿区太原组煤层开采的重要水害类型之一。

司马煤矿目前正在设计开采太原组15号煤层。在井田内绝大部分区域,奥灰水的水头高于15号煤层的底板标高(最大可高出250 m),因此司马煤矿未来开采15号煤层时将面临非常棘手的带压开采问题。针对潞安矿区太原组煤层带压开采问题,前人曾做过概略研究[2]。针对司马煤矿,前人先后研究过底板陷落柱阻隔水机理[3]和底板断层活化突水机理[4]。然而,长期以来一直缺乏关于司马煤矿15号煤层带压开采分区的详细研究。本文通过重新厘定井田内奥灰水位标高和15号煤层底板隔水层厚度,利用突水系数法对15号煤层带压开采分区进行了划分,对该矿未来开采15号煤层具有重要指导意义。

1 井田地质构造

井田总体呈一走向NNE,倾向NW,倾角3°～9°(局部最大为11°)的单斜构造,在此单斜构造上伴生一系列规模不等的褶曲和断层。根据钻孔及地震资料,将井田内发育的褶曲及断层简述如下:

1)褶曲。井田内褶曲主要有8条,即农机厂背斜、郝店北背斜、司马背斜、辛庄背斜、原家庄向斜、冯村东向斜、看寺向斜和鲍村向斜。这些褶曲在井田内延伸1.10 km～2.67 km,形态均较宽缓,两翼地层倾角较小(3°～6°,最大8°)。

2)断层。井田内断层共计51条(正断层48条,逆断层3条),其中落差≥10 m的有13条,落差<10 m的断层38条。其中,落差≥10 m且延深范围较长的断层主要有宋家庄断层、安城断层、看寺断层、林移逆断层、苏店断层、SF8(一)断层、SF17(一)断层、DF2(二)逆断层、DF1(三)断层、DF7(三)断层、DF8(三)断层、DF9(三)断层和DF11(三)断层等。

2 15号煤层发育特征

底板标高介于390 m～700 m,位于太原组下段,上距14号煤层约4.14 m,下距太原组底界砂岩(K1砂岩)4.98 m。煤层厚3.20 m～6.70 m(补-20钻孔厚3.20 m,21-1钻孔厚6.70 m),平均4.43 m,属厚煤层,煤层结构复杂,夹矸0～6层,一般为2～3层,夹矸平均厚0.68 m左右,岩性为泥岩或炭质泥岩。顶板一般为泥灰岩、泥岩,底板为泥岩、砂质泥岩、局部为铝质泥岩。煤厚变异系数γ=18.8%,煤层可采性指数Km=1,为全区可采的稳定煤层。

3 奥陶系水文地质特征

井田内奥陶系灰岩揭露最大厚度271.30 m(SM-1水文孔),分为峰峰组和上马家沟组。峰峰组揭露厚度161.82 m～200.00 m,平均176.21 m,上部主要为灰岩,中部为灰岩、角砾状灰岩、白云质灰岩和泥灰岩,下部为白云质灰岩、泥灰岩夹薄层石膏等,以石膏层底部作为峰峰组与上马家沟组的分界。上马家沟组揭露最大厚度94 m(SM-1水文孔),岩性主要由灰岩组成,夹有泥灰岩、白云质灰岩。

根据钻探资料,SM-3水文孔在揭露奥灰150 m左右、补-25水文孔在揭露奥灰160 m左右、SM-2水文孔在揭露奥灰29 m左右、SM-1水文孔在揭露奥灰21 m左右均发生冲洗液全漏失;而补-26、补-24钻孔揭露峰峰组地层分别为102.70 m、113.84 m,钻进中冲洗液消耗量无变化。以上表明,奥陶系峰峰组岩溶发育极不均一。

井田内奥灰水水位标高,是进行带压开采分区的重要支撑数据。据SM-1、SM-2、SM-3水文孔对奥陶系中统峰峰组和上马家沟组进行的单孔混合抽水试验,奥陶系中统水位标高636.86 m～637.18 m,含水层涌水量10.27 L/s～16.44 L/s,单位涌水量3.233 L/s·m～7.646 L/s·m,渗透系数72.618 m/d～161.281 m/d,岩溶裂隙含水层富水性强-极强, 司马煤矿奥陶系地层抽水试验统计结果如表1所示。

表1 司马煤矿奥陶系地层抽水试验统计表

据补-25水文孔对峰峰组抽水试验,水位标高为636.27 m,涌水量为0.454 L/s,单位涌水量0.008 L/s·m,渗透系数0.007 m/d,富水性弱;司马煤矿奥灰水长观孔的2013年初观测水位为636 m,目前水位仍然保持在636 m左右,基本没有变化。据南部相邻经坊煤矿2012-2013年奥陶系峰峰组水文地质勘查成果,JS-1、JS-2、JS-3水文孔奥灰水水位标高分别为634.559 m、634.743 m、637.507 m[5]。这三个水文孔紧邻司马煤矿矿界(最远的为JS-1水文孔,距离不超1 km),且与SM-1、SM-2、SM-3、补-25水文孔基本为同一时期施工,因此其数据较为可信。

从区域水文地质上看,司马煤矿处于辛安泉岩溶水系统的西南径流区。综合SM-1、SM-2、SM-3、补-25及奥灰水长观孔资料,结合南部经坊煤矿奥灰水水位资料及区域地下水流向,推断井田内奥灰水由西南向东北方向径流,井田范围内的奥灰水水位为635 m～638 m,司马煤矿奥灰水等水位线图见图1。较司马煤矿地质报告中的632 m～640 m,本次获得的奥灰水水位更加精确,有利于准确划分带压开采分区。

图1 司马煤矿奥灰水等水位线图

4 底板隔水层特征

隔水层厚度,是指开采煤层底板至含水层顶界面之间的厚度,是进行带压开采分区的又一重要数据。弄清具备何种特性的地层能够作为煤层底板隔水层,是判断隔水层厚度的关键。多年来,华北地区奥陶系顶部存在隔水层(或称之为相对隔水层)的理论盛行不衰。缪协兴等(2011)更是从宏观和微观上证实了奥陶系顶部碳酸岩层的隔水特性及形成机理,提出了利用奥陶系顶部碳酸岩层的隔水性以增加隔水层的总厚度和强度的观点,并报道了“潞安矿区中深部奥陶系上界面之下(最顶部)碳酸盐岩隔水层厚度60 m～120 m,其下为厚约20 m的弱含水层,其下又为厚约100 m的隔水层,直到出现上马家沟组(O2m4)含水层”。以往大多数勘查成果得出长治南部地区峰峰组岩溶裂隙发育较差,富水性弱-中等的结论,以至于个别矿井在奥灰带压开采危险性评价时甚至将其视为相对隔水层。然而,张晓亮等(2014)通过研究认为长治南部地区“峰峰组富水性普遍较强,处于主径流带附近富水性极强”,并报道“JS-1、JS-2、JS-3水文孔峰峰组单位涌水量分别为4.329、28.766、1.346 L/s·m”。而SM-3水文孔对奥陶系顶面以下100 m含水层(相当于峰峰组中上部地层)的抽水试验,单位涌水量仅为0.028 L/s·m～0.062 L/s·m,渗透系数2.92 m/d～7.94 m/d,富水性弱。由此可见,奥陶系峰峰组的富水性亦极不均一。司马煤矿井田内的奥陶系峰峰组能否作为隔水层或相对隔水层,由于暂时没有大量的峰峰组抽水试验成果加以佐证,同时为了矿井安全考虑,所以本次仍将峰峰组作为含水层。

司马煤矿15号煤层底板隔水层由本溪组和底板以下的太原组下段组成。本溪组,厚3.20 m～29.60 m,平均10.44 m,与下伏奥陶系呈平行不整合接触,本组岩性主要为灰—深灰色的泥岩、砂质泥岩,夹灰岩透镜体及薄煤层,底部含铁铝质泥岩,含菱铁矿、黄铁矿结核和大量动植物化石。15号煤层底板以下的太原组下段主要由K1砂岩、泥岩组成。K1砂岩厚度0.50 m～7.25 m,平均为3.15 m,岩性为粉砂岩、砂质泥岩;K1砂岩顶至15号煤层底之间的泥岩,厚约4.98 m,主要为灰色中厚-厚层状泥岩,含大量黄铁矿结核和植物碎片。总体上看,15号煤层底板隔水层主要由本溪组的铁铝质泥岩、砂质泥岩、泥岩和太原组的粉砂岩、砂质泥岩、泥岩组成,具有较好的隔水性能。经过统计井田内50个揭露奥陶系的钻孔数据,该隔水层厚度最小为11.40 m(1702钻孔),最大为35.02 m(21-1钻孔),平均18.57 m。司马煤矿地层柱状图见图2。

图2 司马煤矿地层柱状图

5 带压开采分区划分

5.1 突水系数计算

井田奥灰水的水位标高介于635 m～638 m之间,15号煤层底板标高为390 m～700 m,底板隔水于回采工作面且底板隔水层厚度小于50 m的情况[5],因此本次采用《煤矿防治水细则》附录五中突水系数公式对15号煤层带压开采分区进行划分。其公式为:

T=p/M.

式中:T为突水系数,MPa/m;p为底板隔水层承受的实际水头值,MPa;M为底板隔水层厚度,m。

为了安全考虑,奥水水水位标高取井田内的最大值638 m,直接将奥陶系顶界面视为含水层的顶界面。通过统计上述50个钻孔的15号煤层底板标高,仅位于东南角的2102钻孔(693.38 m)高于640 m(即不带压),其它49个钻孔的15号煤层均处于带压区域。经过计算,带压区域内15号煤层的突水系数为0.010 MPa/m～0.181 MPa/m,最大值位于补-11钻孔处。

5.2 带压开采分区划分

国家安全监管总局、国家煤矿安监局在安监总煤调〔2015〕64号文件中明确提出了带压开采分区的要求——煤矿企业要认真分析评估矿井受承压水的威胁程度,评价矿井突水危险,划分出非突水危险区、突水威胁区、突水危险区。然而,随后施行的《煤矿安全规程》(2016)、《煤矿防治水细则》等规章均未明确带压开采分区的具体划分标准。

尤其是在底板受构造破坏的地段,断层封闭与否、是否错断至奥灰含水层以及陷落柱的胶结程度好坏,是决定其是否成为奥灰水导水通道的重要因素,也是带压开采分区划分的重要参考指标。目前,司马煤矿井田内断层共计51条(正断层48条,逆断层3条),陷落柱总计71个。已有研究成果[6-7]表明:司马煤矿井田内的断层、陷落柱具有一定的阻隔水能力,但阻隔水能力较弱。为了安全起见,同时根据《煤矿防治水细则》“就全国实际资料看,底板受构造破坏的地段突水系数一般不得大于0.06 MPa/m,隔水层完整无断裂构造破坏的地段不得大于0.1 MPa/m”的规定,本次采用如下带压开采分区标准,如表2所示。

本次使用Surfer软件自动生成突水系数等值线,并以突水系数0、0.06、0.10值为界线,同时考虑15号煤层底板隔水层的完整性,将全矿井分为非突水危险区(即不带压区)、突水威胁区(底板不受构造破坏的地段T<0.10 MPa/m,底板受构造破坏地段T<0.06 MPa/m)和突水危险区(底板不受构造破坏的地段T≥0.10 MPa/m,底板受构造破坏地段T≥0.06 MPa/m),15号煤层带压开采分区图见图3。

5.3 防治对策

由图3可以看出,司马煤矿15号煤层几乎全井田面临带压开采问题,以突水威胁区为主,突水危险区次之,非突水危险区最小。未来开采15号煤层时,防治奥灰水的重点应放在突水威胁区和突水危险区。

1)突水威胁区的奥灰水防治。在该区域内,奥灰含水层与15号煤层之间的隔水层能够承受的水头值大于实际水头值,可以进行带压开采,但应制定专项安全技术措施,由煤炭企业总工程师组织审批。

奥灰直接突水都是由于集中导水通道引起的,华北煤矿1920-2004年发生的30起重大奥灰突水事故中由导水断层、导水陷落柱引起的分别占20起、8起[8]。因此,有断层、陷落柱等发育的薄弱地段,尤其发育较大落差断层和较大规模陷落柱的地段,是该区域奥灰水防治的重点部位。在该区域作业时,必须提前采取“物探+钻探”的方式探查清楚构造的富(导)水性,必要时留设防隔水煤(岩)柱或进行底板注浆加固,防止对采掘作业造成不利影响,甚至诱发滞后突水。

2)突水危险区的奥灰水防治。在该区域内,不论是隔水层完整的正常地段,还是受断层、陷落柱等构造破坏的薄弱地段,奥灰含水层与15号煤层之间的隔水层能够承受的水头值均小于实际水头值。根据矿井实际,可采取地面区域治理、井下注浆加固底板或者改造含水层、疏水降压、充填开采等防治措施。

图3 司马煤矿15号煤层带压开采分区图

6 结论

通过收集司马煤矿及周边矿井以往地质、水文地质资料,对司马煤矿15号煤层带压开采分区进行了划分,取得了以下两点成果:

1)重新确定了井田内的奥灰水水位标高为635 m～638 m,并绘制了司马煤矿奥灰水等水位线图。

2)计算了15号煤层突水系数为0.010 MPa/m～0.181 MPa/m,根据突水系数和底板完整性将司马煤矿全井田划分为非突水危险区、突水威胁区和突水危险区,并绘制了司马煤矿15号煤层带压开采分区图。