张双楼矿区9＃煤层底板突水危险性分析及防治

2012-12-12宋正宇石小蒙

中国煤炭 2012年4期

陈超宋正宇石小蒙

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221116；2.徐州矿务集团有限公司张双楼煤矿，江苏省徐州市，221616）

煤层底板突水是我国石炭二叠系煤田和晚二叠系煤田的主要水害问题，也是我国矿井水文地质学研究的重大理论课题。随着开采深度的增加，煤田水文地质条件越来越复杂，开采工作面底板突水的的危险性也越大。煤层底板突水主要受充水含水层、底板隔水层防突性能、地质构造、矿压破坏发育带等因素的共同作用。其中矿压破坏发育带是煤层底板突水的诱发因素，是工作面回采后底板围岩体受采动影响形成的的产物，矿压破坏带发育深度越大，越易诱发底板突水。张双楼矿主采煤层9＃煤层主要受底板四灰水威胁，本文在考虑采动矿压的条件下对－350m水平9＃煤层底板隔水层的突水危险性进行评价研究。

1 矿区地质构造与水文地质条件

张双楼矿位于丰沛复背斜的北翼，基本上为一单斜构造。井田地层走向近EW，倾向NW，倾角18～34°。井田东为张双楼—徐庄断层（F1），西为鸳楼断层（F24），北为三河尖—姚桥断层的南下降盘，南为基岩地层隐伏露头，见图1。

本区地层属典型的华北型地层，煤系地层为石炭、二叠系，均为第四系所覆盖。区内揭露的地层有奥陶系下统肖县组（未揭穿）、马家沟组，奥陶系中统阁庄组、八陡组，石炭系中统本溪组，石炭系上统太原组，二叠系下统山西组和下石盒子组，二叠系上统上石盒子组，侏罗—白垩系，第四系。其中下二叠统山西组为本区主要含煤地层，厚79.88～143.45m，平均104.45m。7＃、9＃、17＃和21＃煤层为区内4个可采煤层，目前矿区主要开采7＃和9＃煤层。

图1 井田边界与构造纲要图

根据井田各含水层的水文地质条件及其对采矿活动的不同影响，可把各含水层划分为3组：第一组为第四系冲积层松散岩类孔隙含水层、二迭系石盒子组砂岩和山西组9＃煤层顶板砂岩裂隙含水层组，位于二叠系煤系地层上部，富水性较弱。第二组为石炭系上统太原组薄层灰岩裂隙—岩溶含水岩组，位于煤系地层下部，本地层为一套海陆交替相沉积，含薄层灰岩14层，其中四灰厚度较大，岩溶裂隙发育，见表1。局部见溶洞，补给水源充沛，富水性较强，距离9＃煤层平均41.1m，是9＃煤层开采的直接充水含水层，其他富水性普遍较弱。第三组为奥陶系石灰岩岩溶含水层组，上距9＃煤层100m以上，对9＃煤层开采影响较小，但并不能排除奥灰岩溶水通过构造、风化裂隙带从侧向补给四灰水。

表1 四灰岩溶发育情况统计表

水平方向上，井田东边界为张双楼—徐庄（F1）1000m落差的大断层，断层西升东降，对矿区补给很弱，可视为隔水边界。北部为三河尖—姚桥近东西向断层，靠近井田的南盘为下降盘，隔绝了由北向南的基岩水力联系。西界为鸳楼断层（F24），走向近NS向，西降东升，与东盘矿区煤系地层对接，为隔水边界。只有南部边界为基岩隐伏露头区，奥灰水通过基岩风氧化带对井田内的含水层有侧向补给作用，因此，南边界为透水边界。总体上看，张双楼井田是属于东、北、西三面隔水，南面进水、顶部弱透水的半封闭式的水文地质单元。该井田的补给水源主要以大气降水的垂直补给为主，补给方式是以大气降水通过第四系地层的垂直越流补给。

2 9＃煤层开采底板突水危险性评价

在煤层带压开采过程中，一旦发生底板突水，其结果是灾难性的，因此，在煤层底板承受高承压水的条件下，对煤层底板突水危险性分析预测极其重要。如2010年3月1日内蒙古神华集团骆驼山煤矿在16＃煤层回风巷掘进中，遇煤层下方隐伏陷落柱，在水压和采动应力作用下，诱发了该掘进工作面的底板底臌，承压水突破有限隔水层形成集中过水通道，导致奥灰水从煤层底板大量涌出，造成淹井。

开采9＃煤层主要受底板四灰水的威胁，煤层底板隔水层是阻抗突水的唯一因素，所以利用突水系数法对底板突水危险性进行评价是比较科学和常用的方法。

（1）《煤矿防治水规定》指出突水系数就是单位隔水层所能承受的极限水压值，即：

式中：Ts——突水系数；

P——含水层水压，MPa；

M——隔水层厚度，m。

根据《煤矿防治水规定》，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa／m，正常块段不大于0.1MPa／m，以此作为评价界限。

（2）考虑矿压对底板的破坏作用，公式修正为：

根据我国现场试验实测资料，经回归分析，已经获得方便可靠的预测底板导水破坏带深度的经验公式，计算结果如下：

Cp＝0.0085 H＋0.1664a＋0.1079L＋4.3579（3）式中：Cp——矿压破坏深度，m；

H——开采深度，m；

L——开采工作面斜长，m；

a——开采煤层倾角，rad。

根据矿井生产的实际情况，粗略计算出底板导水破坏深度Cp为16m。

（3）考虑到矿压对底板的破坏后，再考虑不同岩石岩性阻隔水的作用不同，修正公式为：

式中：ai——各分层的质量比值系数，岩石隔水－阻水作用以泥岩为标准的质量比值系数见表2。

四灰水上距9＃煤层底板41.1m，根据矿区探井资料取得底板隔水层各分层岩性及厚度见表3。将隔水层中不同岩性岩层厚度折算成相应的等效厚度累加为等值隔水层厚度，得出9＃煤层到四灰之间等值隔水层厚度为：

有效隔水层为35.14－16＝19.14m。

表2 不同岩石的质量比值系数

表3 隔水层各层岩性及其厚度

根据以上罗列的3种方法对9＃煤层受底板水威胁作出评价见表4。

由计算结果结合矿区以往实测资料得出，四灰含水层水位为－65m，－350m水平的9＃煤层底板承受四灰水压为2.35MPa。由于少量的探井资料具有局限性，为安全起见，全部选取底板受构造破坏的安全水头值作为研究对象。式（1）中M取值为隔水层厚度，即煤层底板至承压含水层顶面之间的实测厚度，计算出的安全水头值为2.466 MPa，高于实测值2.35MPa，说明现行条件可以安全开采，但根据矿区生产的实际，如此高的水压下产生过突水事故，而且我国华北型煤田开采时都会对煤层底板产生破坏作用，隔水层厚度选取值得商榷；考虑矿压破坏作用计算出的安全水头值为1.506MPa，低于实测值，说明现行条件下开采9＃煤层是不安全的，需要对四灰水进行疏放降压；以上2种计算方法考虑的都是实测隔水层厚度，而没有考虑我国华北型煤田二叠系下统山西组下组煤与石炭系上统太原组薄层灰岩裂隙——岩溶含水岩组间的岩层，它不是单一岩性、隔水性良好的泥页岩，而是不同岩性的岩石组合层，依据岩石隔水－阻水作用以泥岩为标准的质量比值系数表计算出有效隔水层厚度，进而计算出的安全水压为1.148 MPa，远低于实测值，需要对四灰水进行大力度的疏放降压。矿区资料表明，最高成功带压开采的压力为1.65MPa，其他情况都低于此压力（注：由于9＃煤层底板接近四灰水处为砂质泥岩，所以“下三带”理论中的底板承压水导高带此矿区几乎不存在），故根据修正公式（4）计算出的安全水压值虽然很保守但与实际情况更为接近，用以指导矿井安全生产其安全度更高，相应的防治水措施也更具有针对性。

表4 9＃煤层受底板水威胁评价表

综合上述分析，认为，从安全角度出发，在同等条件下，采用较保守的分析预测结论作为煤层底板突水的预测预报结论，对矿井采掘安全是非常必要的。采用突水系数修正公式（4）对煤层底板突水性进行分析预测，更有利于矿井带压开采安全。

3 9＃煤层底板四灰水疏放降压可行性分析与预防措施

根据钻孔资料与井巷揭露情况统计，四灰－500m以上同层异处水力联通性较好。其中，－350m以上四灰岩溶发育，为强岩溶发育带，－350～－550m为中等岩溶发育带，四灰水位随放水孔增多而不断下降，但放水量基本没有变化。井下先后施工了7组放水孔。四灰放水量为223～263m3／h，平均242m3／h。随着放水孔的不断增多，四灰水位不断下降，但总放水量基本稳定。这表明了四灰灰岩水具有可疏降的特点，故可对底板四灰水进行疏放降压。

依据以上3种计算结果分析疏放水量得出：采用《煤矿防治水规定》的计算方法求得的安全水压高于实测值，属于安全区，现行条件下可对9＃煤层进行开采，无需对四灰水进行疏放，不符合矿区实际，值得商榷；考虑矿压破坏作用计算出来的安全水压为1.506MPa，低于实测值0.844MPa，需要将四灰水位降低84.4m；考虑矿压与不同岩性阻隔水的差别，计算出的安全水压为1.184MPa，低于实测值1.166MPa，需要将四灰水位降低116.6m。第三种方法相对于前两种需要疏放大量水，加大了工程量，但在同一采区不同探井所取得地质资料有差别的实际情况下，再结合以往矿区的经验，采取第三种相对保守方案进行疏放降压，可以保证矿区的生产安全。

考虑到四灰水可疏干性强，但水压高、水量较为丰富的特点，经过多次研究论证和反复比较，最后决定在－350m水平采用“由浅到深，分水平、分采区，地面施工直通式四灰放水孔，井下配合施工四灰放水平孔，进行大流量、大降深联合放水降压”的方案。具体做法为：先在地面施工一直通式四灰放水孔（放水1号孔），该放水孔施工至四灰含水层。在东一轨道上山－279m水平掘一条放水平巷，进行第一阶段较浅水平的四灰放水试验，当四灰水位降至一定水平后，再在井下－500m运输大巷施工四灰放水平孔。由于进行了第一阶段的放水降压，该水平孔施工安全有了保障。水平孔施工完毕后，进行多孔联合放水。考虑到井下采区生产的需要，放水1号孔在东一采区较浅部位施工，平孔分别布置在东一、东二、西一和西二采区。

放水结果表明了东二至西二采区四灰水位下降明显，影响范围广，疏降水量从开始的826.976 m3／h，稳定在233.716m3／h，空间上呈一不规则的“盆形”；水位成功降至安全值，解放了受水害威胁的煤层，保证了矿区的安全生产。