曹村煤礦十采區(qū)水文地質(zhì)條件與突水危險(xiǎn)性分析

王玉海,李曦濱,李 茸,王寶琛

(1.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西霍州031400;2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第四水文地質(zhì)隊(duì),河北邯鄲056001)

曹村煤礦位于臨汾盆地北部霍州礦區(qū),赤峪斷層?xùn)|側(cè)上升盤,礦區(qū)總體為走向NW,傾向NE的撓折式單斜構(gòu)造。含煤地層為石炭紀(jì)太原組和二疊系山西組,共含煤15層,其中山西組2#煤和太原組9#、10#、11#煤層(下組煤)為本區(qū)主采煤層。隨著礦井開(kāi)采范圍的擴(kuò)大,礦井水文地質(zhì)條件日趨復(fù)雜,特別是礦井下組煤開(kāi)采面臨底板奧灰?guī)r溶水的嚴(yán)重威脅。

1 礦井水文地質(zhì)特征

礦井水文地質(zhì)特征主要受到霍山斷層和赤峪斷層構(gòu)造的控制,自上而下主要有四個(gè)含水巖組:第四系沖洪積層孔隙含水巖組;二疊系風(fēng)化裂隙、砂巖裂隙含水巖組;石炭系層間巖溶裂隙含水巖組;奧陶系巖溶裂隙含水巖組。其中K9、K8等砂巖含水層,富水性相對(duì)較強(qiáng),對(duì)2#煤層開(kāi)采有較大影響;下組煤上部存在K2、K3、K4灰?guī)r,底板下部為O2厚層灰?guī)r含水層,O2灰?guī)r水靜水位標(biāo)高約+520m,開(kāi)采煤層承壓達(dá)3.5MPa。

1.1 礦井主要充水水源

通過(guò)對(duì)礦井主要充水水源和含水層的分析研究,查明K8砂巖含水層、富水性相對(duì)較強(qiáng),是2#煤直接充水含水層;基巖風(fēng)化裂隙含水層和第四系孔隙含水層是2#煤間接充水含水層。K2灰?guī)r含水層是下組煤的直接充水含水層,奧灰為下組煤的間接充水含水層。其中以?shī)W灰水對(duì)采煤威脅最大,是防治水工作的重點(diǎn)研究對(duì)象[1-4]。

1.2 礦井主要充水途徑

對(duì)礦井主要充水途徑進(jìn)行分析研究表明,頂板冒落裂隙通道和奧灰水通過(guò)斷裂帶及底板突破通道為礦井主要的充水途徑。

1.3 礦井涌水量預(yù)算

在研究中,對(duì)十采區(qū)開(kāi)采2#煤、10#煤和 11#煤的礦井正常涌水量、最大涌水量進(jìn)行預(yù)算。開(kāi)采2#煤正常涌水量為120.36m3／h,最大涌水量為144.43m3／h;開(kāi)采 10#煤正常涌水量為217.55 m3／h,最大涌水量為258.10m3／h;開(kāi)采 11#煤正常涌水量為217.55m3／h,最大涌水量為258.10 m3／h,奧灰水突水量一般為445.87m3／h。

根據(jù)含水層埋深、巖溶發(fā)育程度、富水性、水質(zhì)、地下水位動(dòng)態(tài)及水動(dòng)力條件,將奧灰水文地質(zhì)條件分為3個(gè)區(qū):Ⅰ區(qū):奧陶系巖溶水強(qiáng)富水區(qū),q＞1L／s?m;Ⅱ區(qū):奧陶系巖溶水中等富水區(qū),q=0.1～1L／s?m;Ⅲ區(qū):奧陶系巖溶水弱富水區(qū),q ＜0.1 L／s?m 。

2 礦井突水危險(xiǎn)性分析

2.1 頂板危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分析

采空區(qū)頂板巖體破壞在剖面上可以分為“三帶”,即第Ⅰ帶為冒落帶;第Ⅱ帶為裂隙帶;第Ⅲ為整體移動(dòng)帶。

十采區(qū)2#煤層老頂K8砂巖含水層平均厚度5.24m,下距2#煤層平均4.46m,通過(guò)計(jì)算開(kāi)采2#煤頂板冒裂帶高度為43.07m,因此形成K8砂巖含水層通過(guò)頂板冒裂帶對(duì)2#煤層的連續(xù)補(bǔ)給,成為2#煤層的直接充水水源。

下組煤(9#、10#、11#煤層)頂板為K2灰?guī)r含水層,下組煤頂板冒裂帶高度為49.69m,形成K2灰?guī)r為下組煤直接充水含水層,含水層通過(guò)頂板冒裂帶的連續(xù)補(bǔ)給。開(kāi)采11#煤層頂板冒裂帶高度為27.6m。與其上10#煤層間距為9.08m,顯然10#煤層采空區(qū)在11#煤層頂板冒落斷裂帶高度范圍內(nèi),因此11#煤回采中必須對(duì)10#煤采空區(qū)積水采取防治水措施。

2.2 底板危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分析

在采礦過(guò)程中,由于煤層底板或斷層應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了變化,承壓水的入侵高度沿?cái)鄬訋Щ蚱茢嗟牡装逑蛏习l(fā)展產(chǎn)生遞進(jìn)導(dǎo)升現(xiàn)象,以致造成突水。因此,突水過(guò)程具有巖體應(yīng)力、滲透性變化、水壓升高、涌水量增大等一系列前兆[2]。

依據(jù)“下三帶理論”煤層底板在開(kāi)采的影響下,受到礦壓及巖溶水的共同作用,自上而分為三個(gè)帶:即礦壓擾動(dòng)破壞帶、有效隔水帶和潛越導(dǎo)升帶[3](如圖1)。為了確定“下三帶”的厚度,進(jìn)行了礦壓擾動(dòng)破壞帶深度和潛越導(dǎo)水帶的注水試驗(yàn),根據(jù)注水試驗(yàn)資料分析計(jì)算,并參考以往經(jīng)驗(yàn)確定礦壓擾動(dòng)破壞帶深度為14m,潛越導(dǎo)水帶高度為0m,合計(jì)為14m。因此,11#煤、10#煤底板有效隔水層平均厚度分別是6.99m和23.53m。

底板危險(xiǎn)性分析選擇有效隔水層突水系數(shù)法、多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)法、安全水壓比值法三種評(píng)價(jià)方法對(duì)奧灰突水危險(xiǎn)性進(jìn)行了定量計(jì)算,通過(guò)相互驗(yàn)證,各種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致,即十采區(qū)+250m水平下組煤開(kāi)采標(biāo)高在+460m～+170m范圍內(nèi),按開(kāi)采煤層的位置(標(biāo)高)不同分屬于突水威脅性中等、突水威脅性較大和突水威脅性大三個(gè)等級(jí),開(kāi)采11#煤底板突水系數(shù)均大于0.10MPa／m。可見(jiàn),11#煤必須采取有效的防治水措施才能進(jìn)行安全開(kāi)采。有效隔水層突水系數(shù)法的評(píng)價(jià)成果(見(jiàn)表1、圖2)。

表1 突水威脅性分區(qū)評(píng)價(jià)表Tab.1 Venture zoning evaluation of water inrush

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)對(duì)本區(qū)充水含水層的分析研究,認(rèn)為K8灰?guī)r、第四系砂巖空隙含水層和第四系基巖風(fēng)化帶是2#煤開(kāi)采時(shí)的主要充水含水層;對(duì)于十采區(qū)開(kāi)采下組煤主要受到頂板K2含水層和底板奧灰突水的影響,其中K2含水層的水量較小以疏干的方式即可解除對(duì)開(kāi)采下組煤的影響。對(duì)于奧灰水由涌水量預(yù)測(cè)可知奧灰單點(diǎn)突水量為445.87m3／h,而進(jìn)行疏水降壓排水量則高達(dá)1 432.86-1 610.63m3／h。根據(jù)突水危險(xiǎn)性分區(qū),在Ⅰ區(qū)突水危險(xiǎn)性較小,應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)Ⅱ、Ⅲ區(qū)探測(cè)和監(jiān)測(cè)工作,應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)奧灰頂部灰?guī)r裂隙發(fā)育程度和富水性探測(cè)工作,對(duì)局部富水地段進(jìn)行注漿加固,以增加隔水底板的有效厚度和強(qiáng)度,達(dá)到防治突水和減少疏降排水量的目的。

[1]李曦濱.曹村煤礦十采區(qū)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告[R].2008.

[2]黃樹(shù)衛(wèi),程 晉.礦井突水研究進(jìn)展[J].科協(xié)論壇,2009(9):122-124.

[3]董書(shū)寧.對(duì)中國(guó)煤礦水害頻發(fā)的幾個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的探討[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(1):66-71.

[4]李世峰.晉城礦區(qū)城莊井田水文地質(zhì)條件分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2000,27(增刊):51-53.