刘璐琦,黄红国,潘益清

(中晋环境科技有限公司,山西 太原 030031)

1 井田基本概况

1.1 井田位置

该井田位于陕北石炭二叠系煤田府谷矿区的北部,井田三面环水,北边界为皇甫川,东边界为黄河西岸沿黄公路,紧邻黄河,南边界紧邻清水川。

1.2 主要工作量

利用了井田以往地质勘探资料(含80个钻孔的煤层综合成果),在此基础上对井田首采区进行了水文地质补勘,施工了7个水文孔(均揭露奥陶系灰岩),总进尺2 977.41 m,共进行13次抽水试验。

1.3 含煤地层

井田内含煤地层主要为石炭系太原组和二叠系山西组。山西组厚度26.10～84.28 m,平均厚度55.01 m,含煤层3层,自上而下编号为2、3、4号,煤层累加厚度3.78～14.57 m,平均8.39 m。太原组厚度53.95～106.05 m,平均厚度84.95 m,含煤层4～13层,其中可采煤层9层,自上而下编号为5、6、7、8、9-1、9-2、10-1、10-2、11号煤层,煤层累加厚度7.46～27.70 m,平均17.33 m。

1.4 可采煤层

可采煤层为3、4、5、6、7、8、9-1、9-2、10-1、10-2、11号煤层,其中,主要可采煤层为4、8、9-2号煤层,3、5、6、7、9-1、10-1、10-2、11号煤层为次要可采煤层。

1.5 水文地质

井田含水层主要为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙承压水(O2m)。井田9-2号煤层以上含水层以砂岩裂隙水充水为主,由于井田三面环水,水文地质边界较复杂,水文地质类型确定为二类二型;9-2号以下煤层,井田变为以奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层充水为主的矿床,水文地质类型确定为三类一型。井田工程布置及奥陶系岩溶水等水位线图见图1。

图1 井田工程布置及奥陶系岩溶水等水位线图

2 奥灰突水危险性评价

2.1 影响因素

威胁煤层开采的含水层主要为奥陶系灰岩含水层,含水层富水性、煤层底板隔水层抗压强度及隔水能力、构造发育程度以及矿压扰动带与有效隔水层厚度等[1]是影响奥灰突水的主要因素。

2.1.1 隔水底板地层

隔水底板为软岩与硬岩组合,软弱岩层主要是煤和铝土泥岩,较软弱岩层主要是泥岩、粉砂岩,较坚硬岩层主要是砂岩及薄层灰岩,一般软、硬岩互层状地层的抗压强度及隔水能力较好。

2.1.2 底板抗压强度、隔水能力

一般刚性岩石隔水性差,抗压强度大;柔性岩石隔水性好,抗压强度小。刚性岩石的等效隔水系数约是泥岩的0.4倍,而柔性岩石的等效抗压强度系数约是刚性砂岩、灰岩的0.5～0.7倍。根据标准岩石的等效隔水系数和等效抗压强度系数进行换算。

2.1.3 矿压扰动带及隔水层厚度

1)矿压扰动带

在采动影响下,煤层底板一定深度范围岩体的应力状态发生变化,岩体产生位移变形,一般可分为矿压扰动破坏带、侵水带和潜越导水带。通常可选用现场试验观测法、室内模拟实验观测法、经验公式法来确定煤层矿压破坏深度。本次采用经验公式估算了井田内各钻孔8号煤、11号煤层底板的矿压破坏深度。经计算,8号煤层底板矿压破坏深度17.42～20.18 m;11号煤层底板矿压破坏深度17.37～20.18 m;本次底板矿压破坏带深度计算仅供参考,突水系数计算公式中按经验值取10 m。

2)隔水层厚度

隔水层的隔水能力与隔水层的厚度、强度和岩性组合有关,隔水层的厚度对煤层底板突水起着抑制作用。按照《煤矿防治水规定》,本次评价中直接采用部分钻孔的隔水层厚度。

2.1.4 构造发育程度

一方面,断层破坏了岩体的完整性,从而形成导水通道,若构造面与构造面边缘煤柱内的剪切带相连或重叠时,会引起煤层底板突水;另一方面,构造作用破坏了岩体结构,使得次生裂隙发育,降低了岩石的抗压强度。

根据三维地震勘探资料,发现隐伏断层13条,这些断层有可能成为煤层开采的直接充水通道,改变煤层底板隔水层的水文地质状况,降低周边岩体工作面底板的整体隔水性能。煤矿应加强对隐伏构造的探测力度,防止断层、陷落柱等导水通道对煤层开采的影响。

2.1.5 隔水底板下伏奥灰水压分布

根据已有钻孔资料,煤层底板奥灰水压随其埋深变化较大,总的来说,在补勘范围内,各煤层底板的奥灰水压均自东向西随煤层埋深增加而逐渐增大。

2.1.6 奥灰富水性及充填带岩溶发育程度

强富水区岩溶裂隙发育且富水性强,易发生大规模突水事故;弱富水区岩溶裂隙不发育且富水性弱,理论上发生突水事故的可能性及规模要小。井田内揭露奥灰马家沟组含水层主要发育石灰岩及白云质灰岩,厚度较厚,现在仅揭露奥灰上马家沟组100 m左右,富水性弱。但不能排除区内局部富水性较强或极强的情况。因此,未来在带压开采地段应加强井下探放水工作,特别是垂向导水通道(导水断层、陷落柱、导水裂隙带)的探查,避免因此而导致突水事故。

2.2 突水系数计算

区内大部分区域奥灰承压水水头均高于煤层底板。采用临界突水经验公式计算突水系数,从而预测其突水的可能性,判定奥灰承压水对煤层开采是否造成威胁。依据《矿床水文地质工程地质勘探规范》中推荐的突水系数公式[2],即:

(1)

式中:Ts为底板突水系数(MPa/m);P为水头压力(MPa);M为底板隔水层厚度(m);Cp为采矿对底板隔水层的扰动厚度(m)(采用经验值10 m)。

在具有构造破坏的地段(首采区井田西南边界断层附近500 m范围)临界突水系数取0.06 Mpa/m,其余地段(隔水层完整无断裂构造破坏),临界突水系数取0.10 Mpa/m。

对各煤层底板突水系数进行计算,以判别其突水的可能性。本次分别计算了井田首采区内7、8、9-1、9-2、10-1、10-2、11号煤层的底板突水系数。井田内奥灰承压水水头标高在843.17～856.26 m之间,平均值849.63 m,因煤层底板岩性为砂泥岩互层,隔水性能较好,不必对其它岩石进行隔水层等效厚度计算。总隔水层厚度为本溪组底至各煤层底板厚度,用各钻孔水头高出本溪组底板高度折算水头压力。以10-1号煤层底板突水系数计算为例,计算结果见表1。

表1 10-1号煤层底板突水系数统计表

2.3 突水危险性评价

处在奥灰水含水层水位以上的区域,为非突水危险区,不存在底板灰岩水的突水危险性;处在奥灰水含水层水位以下的区域,为带压开采区,具有突水风险性,根据突水系数临界值划分为突水威胁区和突水危险区。突水威胁区:Ts<临界突水系数,突水风险性相对较小,开采相对安全;突水危险区:Ts≥临界突水系数,突水风险性较大。各煤层突水危险分区结果如下:

7号、8号煤层:突水系数除首采区边界ZK4611、ZK4400孔及ZK4301孔外,其余Ts<0.06 Mpa/m,且紧靠断层的500 m范围内绝大多数Ts<0.06 Mpa/m,基本均为突水威胁区,对首采区影响较小。

9-1号煤层:Ts<0.10 Mpa/m。紧靠断层F1范围500 m处,0.06≤Ts<0.10 Mpa/m,面积约0.63 km2,为突水危险区,其余范围Ts<0.10 Mpa/m,为突水威胁区。该煤层局部可采,突水危险区面积较小,对首采区影响较小。

9-2号煤层:0.034≤Ts≤0.14 Mpa/m。Ts<0.06 Mpa/m区域分布在首采区中部,大致沿ZK3907孔和ZK4205孔一线以南,面积约11.36 km2,为突水威胁区;Ts≥0.1 Mpa/m区域分布在首采区西部,范围大致沿ZK4308孔、ZK4209孔、ZK4510孔,北西向延伸,面积约4.86 km2,为突水危险区;0.06≤Ts<0.1 Mpa/m区域面积约4.54 km2,其中紧靠断层F1范围500 m内,Ts≥0.06 Mpa/m区域大致沿ZK3907孔和ZK4113孔南,面积约0.88 km2,为突水危险区,其余区域面积约3.66 km2,为突水威胁区。该煤层突水危险区面积合计约5.74 km2,大部分区域为突水威胁区,对首采区影响较小。

10-1号煤层:突水系数在0.040≤Ts≤0.213 Mpa/m。Ts<0.06 Mpa/m区域分布在首采区东南角,大致沿ZK3608孔、ZK4004孔一线以南,分两块,ZKBSK02孔附近面积1.29 km2,ZK4004孔附近面积2.17 km2,合计3.46 km2,为突水威胁区;Ts≥0.1 Mpa/m区域分布在首采区中北部,大致沿ZK4112孔、ZK4204一线以北,面积约10.06 km2,为突水危险区;0.06≤Ts<0.1区域面积6.80 km2,其中紧靠断层F1范围500 m内,Ts≥0.06 Mpa/m区域大致沿ZK3607孔、ZK4011孔一线以西,面积约1.32 km2,为突水危险区,其余区域面积约5.48 km2,为突水威胁区。该煤层突水危险区面积合计约11.38 km2,近一半面积为突水危险区,对首采区影响较大。

10-2号煤层:0.041≤Ts≤0.242 Mpa/m。Ts<0.06 Mpa/m区域分布在首采区东南部,大致以ZK3607、SZK4103孔连线以东,分两块,其中BSK02孔附近面积约0.98 km2,ZK4004孔附近面积约0.71 km2,合计1.69 km2,为突水威胁区;Ts≥0.1 Mpa/m区域,大致以ZK3607、SZK4103孔连线以西,面积约13.86 km2,为突水危险区;0.06≤Ts<0.1区域面积约5.13 km2,其中紧靠断层F1范围500 m内,Ts≥0.06 Mpa/m区域面积约0.97 km2,为突水危险区,其余区域面积约4.16 km2,为突水威胁区。该煤层突水危险区面积合计约14.83 km2,绝大部分区域为突水危险区,对首采区影响较大。

11号煤层:0.05≤Ts≤0.353 Mpa/m。Ts<0.06 Mpa/m区域分布在首采区东南角,大致为ZK3801孔、ZK4004孔、ZK4000孔所围,面积约0.23 km2,为突水威胁区;Ts≥0.1 Mpa/m区域分布在首采区几乎全部,大致以ZK3804孔、ZK4007、ZK4204孔连线所围以西,面积19.7 km2,为突水危险区;0.06≤Ts<0.1区域零星分布有三块,ZK3811附近面积约0.07 km2,BSK02孔与ZK3504孔附近面积约0.48 km2,SZK4103孔附近面积1.31 km2,合计面积1.86 km2,均分布在构造不发育区段,为突水威胁区。该煤层绝大部分区域为突水危险区,且该煤层距奥陶系灰岩顶面较近,底板隔水层较薄,突水危险性大,对首采区影响较大。

3 结语

首采区内奥灰岩溶水水头均高于各煤层底板标高,通过对煤层底板突水系数计算,9-1、9-2号煤可采煤层大部分底板突水系数均小于临界值,随着煤层埋深的增大,各钻孔突水系数也逐步增大,10-1、10-2、11号煤层大部分区域突水系数均大于临界值,开采该煤层时必须引起足够的重视,应针对底板奥灰突水危险性做专门开采可行性研究,并采取底板注浆、疏水降压等措施使突水系数降到安全范围以内,方可开采。