冯光俊李 伍张 泳奚方喆

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏省徐州市,221116; 2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏省徐州市,221116; 3.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京市海淀区,100083; 4.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西省西安市,710054)

林西矿深部水平奥灰水带压开采突水危险性评价

冯光俊1,2李 伍1,2张 泳3奚方喆4

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏省徐州市,221116; 2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏省徐州市,221116; 3.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京市海淀区,100083; 4.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西省西安市,710054)

基于采掘揭露资料、钻孔资料、水位观测数据和抽水试验成果,对研究区构造复杂程度和奥灰水文地质条件展开研究,并采用安全水头值法、安全隔水层厚度法和突水系数法对奥灰水带压开采突水危险性进行了综合评价。结果表明:研究区下部12＃煤层开采掘进巷道基本不具突水危险;而当矿井生产延伸至深部水平时,研究区西北翼构造复杂块段12＃煤层回采工作面将面临突水威胁,届时需提前开展探水、防水工作。

带压开采 奥灰水 深部水平 突水系数 林西矿

煤层带压开采直接关系到煤层底板突水灾害,威胁矿井安全生产,而华北石炭－二叠系煤田煤系基底奥陶系灰岩(下称奥灰岩)发育为强承压含水层,下部煤层奥灰水带压开采问题尤为突出。开滦集团林西矿开采已有百余年历史,目前正向深部十二水平(－1000 m)开拓,随着开采水平的延深,各可采煤层与奥灰含水层距离不断减小,煤层底板隔水层承受的水压不断增大,相应的带压开采风险也日益增高,对矿井深部水平带压开采突水危险性评价势在必行。以林西矿最下部稳定可采煤层12＃煤层为研究对象,从构造复杂程度、奥灰岩发育展布特征、奥灰水位、水压特征及底板隔水层特征等方面展开研究,并对研究区12＃煤层开采掘进巷道及回采工作面奥灰水带压开采突水危险性进行预测评价,提出相应防范措施,为矿井安全高效生产提供参考。

1 矿井地质概况

林西矿位于开平向斜转折端的南东翼,北与赵各庄矿毗邻,西南部与吕家坨矿相接。井田地势平坦、构造简单,可划分为四个构造块段,发育有以开平向斜形态为主格局的次一级褶曲杜军庄背斜和黑鸭子向斜;断层仅F1、F1′发育规模较大,落差约30～50 m,小型断层比较发育,多为高角度正断层,常发育在褶曲部位;揭露呈岩墙状展布的岩浆岩有三条,如图1所示。研究区地层属华北型沉积,煤系地层石炭—二叠系不整合接触于奥灰之上,主要可采煤层有7＃、8＃、9＃、11＃、12＃煤层,分布于上石炭统赵各庄组和下二叠统大苗庄组,第四系沉积物直接覆盖其上。

图1 研究区构造纲要图

带压开采危险性评价与构造发育情况密切相关,相同含、隔水层条件下,构造复杂区域带压开采危险性更大,更易发生突水事故。为此,依据揭露的12＃煤层底板断层和岩浆岩发育情况,基于分形分维思想,在计算机VC＋＋6.0程序语言编程和AutoCAD软件辅助下,采用网络覆盖法统计、计算分维值对12＃煤层构造复杂程度进行定量评价。12＃煤层底板构造复杂程度分形分维评价见图2,可见井田中部及东北局部构造相对复杂,影响带压开采突水危险性评价。

图2 12＃煤层底板构造复杂程度分形分维评价图

2 奥灰水文地质特征

2.1 奥灰岩发育展布特征

研究区主要补给水源为大气降水和地表水,煤系主要充水含水层为奥灰岩溶裂隙含水层与第四系底部松散孔隙含水层,其中奥灰含水层伏于煤系地层之下,厚约600～800 m,岩溶裂隙发育,含水量丰富。根据林西矿及相邻井田奥灰钻孔资料、抽水试验成果和水位观测数据,绘制了研究区奥灰顶界等高线及奥灰等水位线,如图3所示,可见受开平向斜主体构造控制,奥灰岩空间展布特征与煤层展布特征相似,自NW向斜轴部往SE埋深不断变浅,在井田东南边界外出现奥灰露头。

图3 研究区奥灰顶界面等高线及等水位线

2.2 奥灰水位特征

奥灰水位能够直观反映含水层对隔水层的水压大小。研究区处于径流带,地下水从开平向斜北西翼高处补给,南东翼低处排泄;赵各庄矿深部水平开采利用其四、七水平疏放水基地进行疏水降压,形成地下水降落漏斗,影响了局部地下水流场。受益于赵各庄矿疏水降压,林西矿范围内水位也同时发生降落,奥灰水位整体较低,分布在－70～15 m,如图3所示,推算底板隔水层承受水压约2.85～15.24 MPa。奥灰水位自SE至NW向赵各庄矿一侧不断降低,且降幅不断增大,表现为等水位线密集,水力梯度增大,其中井田西北翼的ZK7孔观测水位明显较低,为－64.54 m。而在井田东北部奥灰水位变化不大,且浅部奥灰水观测孔“林O－1”水位降落不明显,水位为1.84 m。分析原因为林西矿北部与赵各庄矿边界处发育有隐伏构造,隔断了局部水力联系,导致井田东北部水位降落不甚明显。

2.3 煤层底板隔水层特征

底板隔水层阻抗能力的大小取决于隔水层厚度、岩石力学性质及岩性组合关系等,软硬岩层交替组合层序越多,隔水层越厚,阻水效果越好。研究区下部12＃煤层与奥灰之间地层主要由泥岩、薄层灰岩、砂岩互层组成,隔水性能相对较好。由钻孔资料显示,12＃煤层底板至奥灰顶界面之间隔水层厚度一般为138.49～188.86 m,在全区变化稳定,大体上自W至E呈现不断增大的趋势,这与12＃煤层的埋深变化趋势近似相反,意味着12＃煤层不断向深部开采的过程中其底板距奥灰顶界面距离及隔水层厚度均不断减小。因此,随着矿井生产水平不断向深部延伸,带压开采突水危险性将不断增大。

3 带压开采突水危险性评价

带压开采突水问题受多种因素叠加控制,国内外学者及相关行业规范提出了多种评价方法,斯列萨列夫公式推导出的安全水头值法、安全隔水层厚度法和突水系数法得到了广泛应用,其中前两者主要适用于掘进巷道突水危险性评价,而后者对掘进巷道和回采工作面均适用。为此,在上述理论方法和实测数据的支撑下对研究区下部煤层奥灰水带压开采突水危险性进行多角度评价。

3.1 掘进巷道突水危险性评价

3.1.1 安全水头值法

根据《煤矿防治水规定》(2009)推荐的安全水头值计算公式,当底板隔水层承受的实际水头值超过安全水头计算值时,掘进巷道底板即存在突水危险。

式中:P——底板隔水层能承受的安全水压, MPa;

t——隔水层厚度,m;

L——巷道宽度,m;

γ——底板隔水层的平均重度,MN/m3;

Kp——底板隔水层的平均抗拉强度, MPa。

由林西矿实际生产资料可知,巷道宽度L为4.5 m,底板隔水层的平均容重γ取0.027 MN/m3,底板隔水层的平均抗拉强度Kp取0.4 MPa。由各钻孔隔水层厚度值计算得到底板隔水层所能承受的安全临界水压为761.43～1414.21 MPa,而全区底板隔水层承受的奥灰水压最大值仅为15.24 MPa,远低于安全水压值。因此,初步评价认为目前的奥灰水头值不足以对12＃煤层开采掘进巷道构成突水威胁。

3.1.2 安全隔水层厚度法

根据《煤矿防治水规定》(2009)推荐的安全隔水层厚度计算公式,当底板隔水层实际厚度小于计算值时,则掘进巷道受奥灰水突水威胁。

式中:t——安全隔水层厚度,m;

L——巷道宽度,m;

γ——底板隔水层的平均重度,MN/m3;

Kp——底板隔水层的平均抗拉强度,MPa;

P——底板隔水层承受的水头压力,MPa。

将上节参数带入式(2),计算得到掘进巷道安全隔水层厚度值为8.16～19.30 m。据目前钻孔资料,研究区12＃煤层底板隔水层厚度最小为138.49 m,远大于安全隔水层厚度计算值,表明底板隔水层足以阻抗目前奥灰水产生的水压,确保12＃煤层开采掘进巷道安全。

综上所述,林西矿范围内奥灰水对底板隔水层产生的实际水压整体在安全水压值之下,下部煤层12＃煤层底板隔水层厚度也均满足安全隔水层厚度要求,初步认为在开拓过程中掘进巷道基本不存在突水危险。但是在构造发育区域,断层、陷落柱等构造破坏了隔水层完整性,破碎的岩体结构致使隔水层平均抗拉强度Kp减小,相应的阻抗能力下降;同时这些构造可能导通含水层形成储水空间,缩短煤层与奥灰含水层的距离,相当于减小了隔水层厚度。这些因素将导致安全水头值减小,安全隔水层厚度增大,从而可能使掘进巷道面临突水威胁。因此,当深部水平掘进经过井田中部及东北局部构造复杂区域时,应加强构造探测,及时更新带压开采危险性评价,重点预防构造破碎带突水。

3.2 回采工作面突水危险性评价

突水系数法是评价煤层带压开采简单有效的方法,随着认识深入,突水系数计算公式不断修正完善,根据最新颁布的《煤矿防治水规定》(2009)推荐的计算公式,结合调研我国煤矿生产资料表明,底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m,正常块段突水系数不大于0.1 MPa/m,尚可评价为安全区。

式中:T——突水系数,MPa/m;

P——底板隔水层承受的水压,MPa;

M——底板隔水层厚度,m。

根据研究区及周边井田的钻孔实测数据计算得到突水系数,并结合前述研究区构造复杂程度情况绘制12＃煤层奥灰水带压开采突水危险性评价图,如图4所示,对研究区下部12＃煤层带压开采突水危险区域作出预测。

图4 研究区12＃煤层奥灰水带压开采突水危险性评价图

评价表明,研究区突水系数大致分布在0.02～0.09,目前生产水平十一水平(－850 m)突水系数均在0.06以下,回采工作面不具突水危险。但后期当矿井生产延深至十二水平(－1000 m)及更深水平时,研究区西北翼构造复杂块段突水系数值超过0.06,下部12＃煤层回采工作面将面临突水风险,届时需提前预防,采取疏水降压、注浆加固等相应措施防范底板奥灰水威胁。

4 奥灰水防范措施

根据评价结果,针对研究区中部及东北局部构造复杂区域掘进巷道及西北翼深部水平构造复杂块段回采工作面可能存在的突水危险,提出以下几方面措施防范奥灰水。

(1)加强构造探测,采用三维地震、顺变电磁等物探方法结合钻探验证查明构造规模、导水性及破碎带影响范围等。浅部不导水的构造在深部须引起重视,重要巷道及采面布设应避免穿过构造发育区,在临近构造区域留设防水煤柱。

(2)在含水层和隔水层条件方面,进行疏水降压相当于减小奥灰水对底板含水层产生的水压,进行注浆加固相当于增加底板隔水层厚度和提高底板隔水层阻抗水能力,均可有效地降低奥灰突水危险。

(3)完善排水系统,在深部水平增设强排水泵房,进行多阶段排水,提高排水能力,更好地应对可能发生的水害。

(4)补充奥灰水文地质勘探,增加抽、放水试验,不断完善研究区奥灰水位、水压、底板隔水层厚度等奥灰水文地质资料,及时更新有关带压开采方面的研究。

5 结论

(1)构造复杂程度评价表明研究区中部及东北局部构造相对复杂,影响带压开采危险性评价。受开平向斜主体构造控制,研究区奥灰岩自SE至NW埋深不断增大;奥灰水位整体较低,为－70～15 m,自SE至NW水位不断降低,底板隔水层承受的水压约2.85～15.24 MPa;12＃煤层底板隔水层阻抗能力较好,厚约138.49～188.86 m,大体上自W至E厚度不断增大。

(2)安全水头值法和安全隔水层厚度法评价显示林西矿深部水平12＃煤层开采掘进巷道基本不具突水危险;但井田中部及东北局部构造复杂区域受构造破坏作用可能面临突水威胁,掘进经过时应注意预防。突水系数法对回采工作面突水危险性评价表明目前生产水平回采工作面不具突水危险;后期矿井生产延深至深部水平时,研究区西北翼构造复杂块段12＃煤层回采工作面将面临带压突水威胁,届时需布设相关探水、防水工程。

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(责任编辑 郭东芝)

Water inrush risk evaluation on mining under pressure of Ordovician limestone water at the deep level in Linxi Mine

Feng Guangjun1,2,Li Wu1,2,Zhang Yong3,Xi Fangzhe4
(1.School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology, Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 2.Key Laboratory of Coalbed Methane Resource&Reservoir Formation Ministry of Education, China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 3.School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 4.Xi＇an Research Institute,China Coal Technology&Engineering Group,Xi＇an,Shaanxi 710054,China)

Based on the data of exploration,borehole,water level observation and pumping test results,research on the tectonic complexity and hydrogeological conditions of Ordovician limestone water in the research area was carried out.Water inrush risk on mining under pressure of Ordovician limestone water was evaluated synthetically by secure hydraulic head method,safe aquifuge thickness method and water bursting coefficient method.The results showed that it was generally safe in the mining and excavation roadway of No.12 coal seam.Nevertheless,the working face of No.12 coal seam in the complex structure block located the northwest of research area would be faced with water inrush threat when the mining area extended to the deep level,so water detection and prevention work should be carried out in advance.

mining under pressure,Ordovician limestone water,deep level,water bursting coefficient,Linxi Mine

P641 TD745

A

冯光俊(1992－),男,安徽滁州人,硕士研究生,研究方向为煤与油气地质。