深部矿井奥灰水带压开采条件评价及防治水建议

于 涵，邢 斌，田午子，苏壮壮

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201;2.唐山开滦林西矿业有限公司，河北 唐山 063104)

0 引言

某矿属华北煤田，主采煤层为石炭-二叠煤层，近年来随着采掘深度不断增加，矿井已开拓至十二水平，并预计向十三水平延伸。由于华北石炭-二叠系煤田基底奥陶系灰岩发育强承压含水层[1]，在矿井转入深部开采后，煤层与奥灰含水层间距不断缩小，底板隔水层压力不断增强，受奥灰水威胁与日俱增[2]。该矿十三水平位于矿井最深部，采掘活动造成的煤岩体破裂和应力场变化极有可能导致断层或裂隙与奥灰含水层导通使矿井发生突水事故，造成严重的人员伤亡和财产损失。所以极有必要对该矿十三水平及深部奥灰岩溶发育特征进行研究，评价突水危险性，并给出相应的防治水建议，确保矿井安全生产，降低水害风险，减少不必要的损失。

1 矿井地质概况

1.1 矿区概况

矿区东北部及井口区较高，海拔高度+50 m左右，为基岩裸露区和风化残积坡积区；西部和西南部较低，海拔高度+30～+40 m，均被第四系松散沉积物掩盖，属于山前冲击平原地貌。南部煤系地层和基底奥灰隐伏露头，基岩被第四系覆盖，为基岩裂隙含水层主要补给边界。矿井采用立井分水平分石门的开拓方式，开采方法为单一走向长壁和倾斜分层走向长壁，采区前进式，工作面后退式采煤法，顶板管理采用垮落法[3]。通风和排水系统均较为完善，符合各项规定要求。

1.2 地层

矿区地层区划属华北地层区，出露及揭露的地层由老到新有：奥陶系中统马家沟组，石炭系上统唐山组、开平组，二叠系下统赵各庄组、大苗庄组，中统唐家庄组、古冶组，上统洼里组和第四系。含煤岩系形成于石炭、二叠系，基底地层为中奥陶系石灰岩。

1.3 构造

区内褶皱，断裂构造发育。根据构造形态和井田地质资料分析[4]井田划分四个构造块段：主向斜端部构造块、某单斜构造块、背斜构造块及向斜构造块。主向斜轴煤(岩)层走向变化大，煤(岩)层倾角5～22°之间，发育有张扭性断裂，呈NNW向展布，正断层、逆断层交错出现，断层延伸方向与主向斜轴近似平行，属同生或伴生断层；单斜构造块煤(岩)层走向为NE55°，倾角16～25°，单斜区构造较简单，以小断层为主，落差0.5～5.0 m，大、中型断层少，F1断层落差0～70 m，对采区设计和采区划分与巷道施工造成很大困难。受F1影响，附近小型断裂发育，大部分为正断层；背斜构造块多为高角度正断层，多小型地垒、地堑和阶梯状构造，以及落差为20 m的断层组。该区断层落差沿走向衰减快，断层延伸距离小(30～50 m)，因而隐伏性强；向斜构造块南翼岩层由于受挤压，伴生或派生有逆断层，交面线方向多与轴线平行，落差在1.0～5.0 m之间。

1.4 含(隔)水层

井田自上而下共有七个含水层(见表1)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ含水层为矿井直接充水含水层，Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ、Ⅶ含水层为矿井间接充水含水层。

表1 某井田含水层情况

续表

图1 井田地质构造纲要图

对于该矿十三水平及深部区域，奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层为煤系地层之基底，岩溶裂隙发育，富水性强，水位高，压力大，对矿井生产活动造成较大威胁。

2 奥陶系灰岩岩溶发育特征

2.1 奥灰水补径排条件

煤系地层下伏奥陶系灰岩含水层，其水压高、水量丰富、危害大。由于其上部稳定发育中石炭统唐山组粘土岩隔水层，岩性为G层铝土岩及多层粘土岩、粉砂岩，该隔水层正常情况下阻隔了奥灰含水层向煤系含水层的补给[5]。

根据勘探资料，受向斜主体构造控制，矿井奥灰水位由西北向东南部逐渐升高，在井田东南边界外出现奥灰露头。

图2 奥灰含水层水位等值线图

受益于临矿深部水平开采利用四、七水平疏放水基地进行疏水降压，形成了地下水降落漏斗，影响了局部地下水流场，矿井范围内奥灰水位同时发生降落，整体水位较低。奥灰水位自东南向西北临矿一侧不断降低，且降幅不断增大，表现为等水位线密集，水力梯度增大。其中井田西北翼ZK7观测孔水位明显较低，为-31.57 m。而井田东北部奥灰水位变化不大，浅部奥灰水观测孔“O2-1”水位降落不明显，水位为1.84 m。分析原因为矿井北部与临矿边界处由隐伏构造，隔断了局部水力联系，导致井田东北部水位降落不明显。

图3 2016～2019年奥灰含水层深部水位标高曲线图(ZK7)

图4 2016～2019年奥灰含水层浅部水位标高曲线图(O2-1、O2-4)

2.2 奥灰岩性及矿物学特征

奥陶系石灰岩在矿区范围内主要包括下统的冶里组及亮甲山组，中统的马家沟组。

冶里组：上部以层状豹皮灰岩为主，下部以薄层竹叶状灰岩为主，底部有厚约0.5 m的同生砾岩，本组溶蚀裂隙发育。本层下伏寒武系上统薄层灰岩。

亮甲山组：上部为中厚层状白云岩和白云质灰岩，下部为中厚层状白云质灰岩，溶蚀孔隙和裂隙发育。

马家沟组：岩性以中厚至巨厚层状豹皮灰岩为主，其次为中厚至巨厚层状同生砾岩和巨厚层状灰岩，含大量燧石结核。溶蚀裂隙及溶洞发育。其上覆地层为厚度10～20 m的古风化壳，岩性为铝土岩或铝土质泥岩，具有隔水性。

2.3 奥灰岩溶发育规律

根据十三水平及附近已有的地面奥灰孔LS5、ZK7、ZK1和O2-1(图5)绘制地质剖面图(图6、图7)可以得出各煤层和奥灰岩相互关系及埋藏分布趋势。

图7 LS5—ZK1—O2-1奥灰孔地质剖面图

图6 LS5—ZK7—O2-1奥灰孔地质剖面图

图5 井田十三水平及深部范围和钻孔平面位置图

由剖面图分析，奥灰岩层的走向趋势与煤层的走向趋势基本一致。LS5奥灰孔处，奥灰顶界面标高-1469.69 m，ZK7奥灰孔处，奥灰顶界面标高-1310.54 m，ZK1奥灰孔处，奥灰顶界面标高-1492.53 m，O2-1奥灰孔处，奥灰顶界面标高-754.2 m。由剖面图可以看出，研究区由西南部向北东部奥灰岩层顶面埋深由深到浅。

3 奥灰水突水危险性评价

根据国家煤矿安全监察局《煤矿防治水细则》(2018)附录五，奥灰含水层突水系数计算如下：

T=P/M

(1)

式中，T为突水系数，MPa·m-1；P为底板隔水层承受的奥灰水头压力，MPa；M为底板隔水层厚度，m。

根据LS5、ZK7、ZK1及O2-1钻孔资料得出奥灰含水层突水系数，具体见表2～表5。

表2 LS5钻孔煤层带压开采情况

表3 ZK7钻孔煤层带压开采情况

表4 ZK1钻孔煤层带压开采情况

表5 O2-1钻孔煤层带压开采情况

根据以上数据做出12煤突水系数等值线图，如图8所示。

图8 井田12煤突水系数等值线图

根据《煤矿防治水细则》，正常地段突水系数不大于0.1 MPa·m-1，底板受构造破坏段突水系数一般不大于0.06 MPa·m-1 [6]。由突水系数等值线图得出，研究区内12煤仅东北部部分区域奥灰突水系数小于0.06 MPa·m-1，其余部分奥灰水突水系数均大于0.06 MPa·m-1但小于0.1 MPa·m-1，可以得出，研究区域受奥灰水威胁较大，开采时需要进行构造探查与奥灰水治理工作。

4 深部奥灰水防治建议

4.1 奥灰水突水因素分析

根据华北煤田深部奥灰水有关研究[7]和现有资料说明，基底奥灰含水层水对矿井十三水平及深部采掘工程构成较大威胁，针对林西矿奥灰水突水因素进行分析，以便于更好地进行构造探查和区域治理工作。

(1) 含水层富水性及水头

含水层对底板隔水层水压大小是底板突水的主要原因，富水性决定了突水的危害程度。研究区奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层作为含煤岩系的基底承压含水层，水位高、压力大，属强富水性含水层，对上覆煤层的安全回采形成了较强的威胁。

(2) 隔水层岩性组合及厚度

底板隔水层阻抗能力大小决定隔水层是否能有效阻隔承压水导升和导水裂隙扩展，在某井田范围内，奥陶系灰岩与12煤之间地层由泥岩、薄层灰岩、砂岩互层组成，正常情况下奥陶系灰岩含水层水对采掘工程不构成直接威胁。

(3) 构造

井田内主要断层、裂隙等破坏隔水层的完整性，进而形成导水通道和储水空间，使各充水水源进入矿井生产通道造成突水事故。研究区仅有F1断层为较大不导水断层，但随着采掘工程的延伸，断层承受基底奥灰水压力将逐渐增加，易导致奥灰水与断层破碎裂隙导通威胁矿井生产安全，因此浅部不导水断层在深部有可能造成突水事故。

(4) 陷落柱

根据该矿历年资料，该矿从建矿至今未发现陷落柱，此因素对研究区不具备突水威胁。

4.2 奥灰水防治建议

根据有关规程规定的相关要求，结合矿井地质、水文地质条件和防治水工作现状，该矿防治水工作应该遵循“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的基本原则，物探、钻探、化探技术相结合，加强深部水平下部煤层掘进巷道及回采工作面的探查治理工作。建议采取以下技术措施：

(1) 采区、采面及巷道布置应充分考虑构造及水文地质条件，在临近构造区域留设防水煤柱。

(2) 井下延深水平开拓巷道掘进前，采用直流电法、瞬变电磁法等超前探测物探方法，对前方的隐伏地质构造及导(含)水性构造等进行超前探测和相互印证，并按照井下探放水规定进行钻探验证。

(3) 工作面掘进前，根据前期综合勘探成果和采掘实际揭露资料，编制工作面水文地质情况分析报告。

(4) 井下巷道掘进前进行老空区积水超前探测，对于影响工作面安全的老空水等水体及探测出来的水文异常区，按照井下探放水规定布置钻孔进行探放老空水和钻探验证。

(5) 回采工作面圈定后，采用坑透等手段探测，并结合上、下工作面采掘资料及风运道实际揭露资料，编制专门水文地质情况报告，对水文地质异常情况进行及时治理。

(6) 回采过程中，加强工作面涌水量及水文参数不间断连续观测，发现异常及时处置。

矿井正在向深部延伸，奥灰水威胁日趋明显，除以上矿井生产过程的技术措施外，还应加强以下方面：

(1) 井田深部奥灰孔数量较少，补充奥灰水文地质勘探，增加抽、放水试验，建立健全地下水文观测网。

(2) 加强深部陷落柱等构造探测，查清断层陷落柱规模、性质及导(疏)水性、破碎带影响带，开展深部开采奥灰突水机理及预防研究。

(3) 完善防排水系统，依据涌水量预测增设深部排水泵房。

(4) 加强深部带压开采研究，强化防治奥灰突水的综合技术措施。

5 结论

(1) 研究区属于深部岩溶水区域，奥灰具有水位高、压力大、不均一、强富水、埋深大的特点，西南部向北东部奥灰岩层顶面埋深由深到浅，在井田东南边界外出现奥灰露头。

(2) 研究区12煤仅东北部部分区域奥灰突水系数小于0.06 MPa·m-1，其余部分奥灰水突水系数均大于0.06 MPa·m-1，但小于0.1 MPa·m-1，开采时需要进行构造探查与奥灰水治理工作。

(3) 该矿应通过补充奥灰水文地质勘探、深部构造探测、深部带压开采研究及完善防排水系统等措施加强深部奥灰水防治工作，确保矿井深部安全带压开采。