高水壓大采深礦井突水危險性評價研究

錢增江

（開灤集團趙各莊礦業有限公司，河北省唐山市，063101）

開灤趙各莊礦為全國最深礦井之一，開拓已至十四水平，標高為－1200m，埋深1254m，隨著礦井的不斷延伸，存在水、瓦斯、頂板、礦壓等多種災害威脅。礦井深部十四水平的水文地質特征雖然仍然延續礦井的總體特征，但由于埋深的增加，奧灰承壓含水層水壓高達12 MP a，高水壓對礦井的安全開采構成了極大威脅，因此有必要對底板奧灰含水層和斷層作進一步研究，開展突水危險性評價，為深部區域的安全開采提供保障。

1 礦井水文地質特征

趙各莊礦煤系地層的基底為奧陶系石灰巖（簡稱奧灰），厚度約600～800m，為一巨大的含水體，也是礦井的最強含水層。最下一個可采煤層（12＃煤層）距離奧灰120～180m，正常情況下煤層開采對奧灰不造成直接破壞。井田范圍內地層產狀變化極大，地質構造比較復雜，構造形式以斷層為主，發育東Ⅲ等數十條大中型斷層。礦井為一獨立的水文地質單元，東部為弱補給邊界，其余為隔水邊界，具備疏水降壓條件。

1.1 礦井主要充水因素

（1）煤系地層頂底板含水層：5＃、7＃煤層頂板砂巖裂隙含水層含水性較強，特別是在構造發育部位涌水量較大，對生產有一定影響；9＃、12＃煤層底板及14＃煤層頂板含水層含水性較弱，在工程揭露斷裂或裂隙發育地點會有少量滲水乃至涌水，對采掘和開拓施工影響不大。

（2）奧灰巖溶裂隙含水層：礦井深部開采受煤系地層基底高壓奧灰水的威脅，存在奧灰水突水的危險性。1972年3月九水平東翼一石門開采時，曾發生奧灰水突水事故。

（3）鉆孔因素：本區域涉及原116勘探隊施工的趙103、趙105和趙107共3個地面下探孔，根據該隊提供的資料，上述鉆孔在深部煤系地層段均進行了水泥砂漿封孔，但無封孔質量報告。

（4）地質構造：根據上巷實際揭露資料，井田內已揭露并延展到十四水平的大中型斷層，除東Ⅲ斷層外，其余斷層均不導水和含水。但東Ⅲ斷層在九水平東翼一石門開采12＃煤層第二分層時，由于采動對煤層底板及斷層帶的影響，使奧灰水經斷層破碎帶及煤層底板裂隙進入巷道和工作面，發生突水事故，最大涌水量52.71m3／m in。

（5）采空區積水：雖然煤系地層含水性較弱，工作面巷道布置采用由上山向兩翼按一定坡度爬坡的形式，老塘內一般無大量積水。但在西翼及東翼邊界區域水文地質條件復雜，且屬大水區域，其老塘內會有一定量的積水，對安全、生產有一定影響。

1.2 礦井深部水平涌水量預計

采用經驗比擬法對礦井十四水平涌水量進行預測。根據礦井已采水平的歷史涌水量與開采深度的統計分析，確定出八水平以下各水平涌水量高峰期內的正常涌水量（每個水平在高峰涌水量期間內的平均值）與開采深度的相關關系為：

式中：s——各水平的采深，m；

Q——單位時間涌水量，m3／m in。

按式（1），根據十四水平的采深（1254m），計算出十四水平正常涌水量為4.98m3／m in。由于涌水量受多種因素的影響，在不同階段及不同季節會有所不同。根據回風巷涌水量資料統計，最大涌水量可達穩定涌水量的2倍，故仍采用經驗比擬法將正常涌水量的2倍作為最大涌水量，即預計十四水平最大涌水量為9.96m3／m in。以上為正常情況下的涌水量預測，未考慮突水等災變因素。從礦井涌水量變化規律來看，隨著開采水平的向下轉移，上水平涌水量會逐步減小，礦井總體涌水量變化不大，預計十四水平投入后，礦井總涌水量最大為35.62m3／m in。

2 礦井深部開采突水危險性評價

根據上水平的成功開采經驗和多項科研研究成果，采用多種方法對底板帶壓（奧灰水）突水危險性進行了評價。

2.1 用突水系數評價

根據上巷帶壓開采的經驗，仍采用突水系數方法衡量底板奧灰水的威脅程度，突水系數大于0.1 MP a／m的區域留作防水煤柱。如果奧灰水位按±0m計，底板破壞深度按10m計，奧灰的原始導高帶按0m計，十四水平（－1100～－1200m）12＃煤層東翼大部及西翼局部的突水系數大于0.1MP a／m，其余區域及其它煤層突水系數小于0.1MP a／m。十多年來，礦井在十三水平（－1100 m）以上突水系數小于0.1MP a／m的多個工作面進行了安全開采。在已采工作面中，1232工作面最大突水系數達0.088 MP a／m，2132工作面達0.0995 MP a／m，1132、3132工作面局部突水系數接近0.1 MP a／m。說明在正常底板條件下，通過采取疏水降壓（將奧灰水位控制在－150m以下）和在斷層區域根據具體水文地質條件按規程留設防水煤柱的措施，在突水系數小于0.1 MP a／m（奧灰水位按±0計算）的區域是可以實現安全開采的。

2.2 底板有效隔水層阻水能力評價

通過現場和室內圍巖水力壓裂試驗，在底板正常區，奧灰水位按±0m計，－1200m標高的最大水壓PW＝11.76 MP a，而使巖體破裂時的臨界水壓為Pb＝13.3 MP a，Pb＞PW。所以在－1200m處，水壓不可能壓裂巖層；通過對正常區12＃煤層底板有效隔水層阻水系數的計算和阻水能力的研究，－1200m標高的有效隔水層的阻水能力為20.772MP a，大于PW，故能有效地阻抗奧灰水壓。12＃煤層底板隔水層的隔水性能良好，井田深部奧灰巖溶發育程度較弱。在正常底板條件下，足以阻抗以裂隙網絡形式儲存的灰巖巖溶水，不會發生底板破壞性突水。在煤層底板正常區域，十四水平開采是安全可行的。

3 評價結論

通過以上兩種方式評價得出，十四水平礦井突水系數小于0.1MP a／m的區域正常開采；凡是突水系數大于或等于0.1 MP a／m的留做防水煤柱，暫不開采。在斷層區域根據具體斷層性質對東Ⅲ、東Ⅶ、東Ⅷ斷層留設煤柱。目前以上煤柱均已按煤礦防治水規定進行留設，并得到批準。

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