朝川礦一井多因素綜合評價突水危險性

郭 萌，樂志軍

（河南省煤田地質(zhì)局四隊，河南平頂山467000）

朝川礦一井多因素綜合評價突水危險性

郭 萌*，樂志軍

（河南省煤田地質(zhì)局四隊，河南平頂山467000）

朝川礦一井?dāng)嗔褬?gòu)造發(fā)育，水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，主采煤層為二1煤層，其底板巖溶裂隙發(fā)育，含水層富水性強且補給來源豐富，歷史上曾多次發(fā)生突水事故，因此，在對朝川礦一井突水因素進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，采用有效隔水層突水系數(shù)法、多層疊加抗壓強度比值系數(shù)法和安全隔水厚度比值系數(shù)法共3種方法對礦井突水危險性進(jìn)行評價，并將朝川礦一井底板突水危險性劃分為危險性小、危險性中等、危險性較大和危險性大4個區(qū)域。

水文地質(zhì)；水害；底板突水；突水因素

眾所周知，煤礦的5大災(zāi)害為瓦斯突出、突水、粉塵爆炸、火災(zāi)、頂板冒裂，這些都嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)，也制約著煤礦的發(fā)展。而這5大災(zāi)害中煤礦突水事故是僅次于瓦斯爆炸的重大煤礦安全事故[1]。朝川礦一井水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，歷史上曾發(fā)生數(shù)次突水事故，礦井開采受水害威脅較為嚴(yán)重，并且隨著開采深度的增加，礦井開采受水害威脅日趨加劇[2]。因此，需要對朝川礦一井水文地質(zhì)條件及二1煤層底板突水危險性進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，為礦井安全開采提供依據(jù)。

1 礦井概況

朝川礦位于河南省汝州煤田中部，行政屬汝州市小屯鎮(zhèn)管轄，與寶豐縣毗鄰，北距洛陽市110km，南距平頂山市55km。朝川礦隸屬平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，現(xiàn)有一井、二井、三井共三對礦井，均具有獨立的生產(chǎn)系統(tǒng)，2006年核定生產(chǎn)能力120×104t/a。其中一井45×104t/a，開采煤層為二1煤層，斜井開拓，分水平開采，第一水平標(biāo)高-10m，第二水平標(biāo)高-250m。

2 突水因素分析

朝川礦一井水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，底板突水與諸多因素有關(guān)，并且是這些因素共同作用的結(jié)果。朝川礦一井的突水因素主要有充水水源、水壓、礦壓和導(dǎo)水通道。

（1）充水水源：朝川礦一井主要充水水源為大氣降水、老窯積水和二1煤層底板巖溶裂隙承壓含水層水。

（2）水壓：是礦井突水的動力，它與靜水位和開采水平有關(guān)[3]。朝川礦一井二1煤層底板巖溶裂隙發(fā)育，含水層富水性強，水頭壓力高，是影響礦井安全開采的重要因素之一。

（3）礦壓是誘發(fā)該區(qū)二1煤層底板充水的因素之一，尤其是隨著開采深度的增加，礦壓作用更為明顯。

（4）導(dǎo)水通道：無論是正斷層或逆斷層，張性或是壓性都具有導(dǎo)水性，但有導(dǎo)水性強弱之分。弱導(dǎo)水?dāng)鄬釉谒畨骸⒌V壓等作用下還可能變?yōu)閺妼?dǎo)水?dāng)鄬印Ｍㄟ^灰?guī)r的斷層通常為導(dǎo)水?dāng)鄬樱驗榛規(guī)r的力學(xué)性質(zhì)屬剛性，巖層性脆，形成斷層的作用力使巖層破碎，引起斷層帶及其周圍巖石產(chǎn)生的次一級斷裂構(gòu)造裂隙帶，增大了可溶性巖與地下水的接觸面，加速了巖溶發(fā)育，給地下水的儲存運移提供了條件[4]。朝川礦一井?dāng)嗔褬?gòu)造較發(fā)育，并且有落差大、延伸長度不遠(yuǎn)的特點。除斷層外，煤層底板天然裂隙或采動裂隙也是巖溶水進(jìn)入礦井的重要通道。朝川礦一井二1煤層底板隔水層厚度薄，平均不到6.0m，巖性為泥巖和砂質(zhì)泥巖，不僅存在構(gòu)造裂隙，再加上開采造成的裂隙，在底板隔水層極易形成裂隙導(dǎo)水通道，巖溶水沿各種裂隙直接進(jìn)入礦井，給生產(chǎn)造成威脅。因此，斷裂構(gòu)造及采動裂隙是朝川礦一井主要的導(dǎo)水通道，也是重要的突水因素。

（5）另外，封閉不良鉆孔及探放水鉆孔也曾導(dǎo)致礦井發(fā)生突水事故，這是因為封閉不良鉆孔和探放水鉆孔使含水層間產(chǎn)生水力聯(lián)系而構(gòu)成導(dǎo)水通道。

3 底板突水危險性評價

根據(jù)對二1煤層底板突水的影響因素進(jìn)行分析，本文分別從不同參數(shù)角度選擇3種方法對突水危險性進(jìn)行計算評價。然后，對每種評價結(jié)果賦值，采用多因素綜合評價法己組煤層底板突水危險性進(jìn)行分區(qū)評價。

3.1 有效隔水層突水系數(shù)法

（1）計算方法及其特點。考慮水壓與隔水層厚度、礦壓擾動帶厚度等因素，采用有效隔水層突水系數(shù)TS進(jìn)行評價。其涵義是每米有效隔水層所承受的水壓,當(dāng)超過臨界水壓值時就易發(fā)生突水。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》提供的煤層底板突水系數(shù)公式為[5]：

式中：TS——突水系數(shù)，MPa/m；

P——隔水層承受的水壓，MPa；

M——隔水層厚度，m。

（2）計算參數(shù)的確定：

①底板隔水層厚度M：根據(jù)鉆探、測井等資料綜合確定。

②底板承受太灰水壓P：太灰水水位至開采煤層底板的距離，換算為水壓值(MPa)。

③臨界突水系數(shù)：根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》,在正常塊段取值為0.1MPa/m；在構(gòu)造破壞塊段帶取值為0.06MPa/m。

（3）突水系數(shù)的計算與評價。采用式（1）對煤層底板下伏寒武系灰?guī)r突水系數(shù)進(jìn)行計算，并根據(jù)計算結(jié)果繪制朝川礦一井二1煤層底板突水系數(shù)等值線圖（圖1），與礦區(qū)臨界突水系數(shù)TS對比，礦區(qū)一井東翼水壓較高，突水系數(shù)為0.05～1.05，為突水危險區(qū)，礦區(qū)西翼由于朝川礦一井長期疏水降壓，效果明顯，突水系數(shù)均小于0.10，為突水危險較小區(qū)域[6]。

圖1 朝川礦突水系數(shù)等值線圖

3.2 多層疊加抗壓強度比值系數(shù)法

（1）計算方法及特點。多層疊加抗壓強度比值系數(shù)法主要考慮了隔水底板軟巖與硬巖組合、總體抗壓強度等因素，采用多層疊加抗壓強度比值系數(shù)Tjs進(jìn)行評價。其涵義是水壓與底板總體抗壓強度的比值關(guān)系，當(dāng)比值系數(shù)大于1時，即水壓大于底板抗壓強度時就易發(fā)生突水。計算公式為[7]：

式中：P——水壓；

Mi——煤層底板至含水層頂板之間的i層巖石的厚度；

Ki——i層巖石的抗壓強度。

（2）計算參數(shù)確定：

①分層抗壓強度Ki：按表1計算確定。

②底板總體抗壓強度(∑MiKi)：根據(jù)鉆探、測井及巖石力學(xué)測試資料，將底板巖層綜合劃分為若干類(表1)，然后根據(jù)各分層的抗壓強度(Ki)與厚度(Mi)疊加計算底板總體抗壓強度。

③煤層底板承受太灰水壓P：太灰水水位至開采煤層底板的距離，換算為水壓值(MPa)。

表1 巖層等效隔水系數(shù)及抗壓強度換算表

（3）抗壓強度比值系數(shù)計算與評價。采用(2)式，煤層底板抗壓強度比值系數(shù)計算，并根據(jù)結(jié)算結(jié)果繪制朝川礦抗壓強度比值系數(shù)等值線圖，見圖2。礦區(qū)二1煤層底板多為泥巖—砂質(zhì)泥巖—泥巖組合，沉積不穩(wěn)定，厚度分布不均勻，平均厚度為8.37m。由于朝川礦東翼水壓高，用多層疊加抗壓強度比值系數(shù)法計算的Tjs值較大，為0.5～4.0，為突水危險區(qū)；西翼水壓低，計算的Tjs值較小均小于1.2，突水危險性較小。

圖2 朝川礦抗壓強度比值系數(shù)等值線圖

3.3 安全隔水厚度比值系數(shù)法

（1）計算方法及特點。計算方法以斯列薩列夫公式為基礎(chǔ)，綜合考慮了采掘工作面寬度、巖石抗壓強度、巖石容重、水壓等指標(biāo)，采用安全隔水厚度比值系數(shù)Tas進(jìn)行評價。其涵義是當(dāng)實際隔水層厚度M小于計算的安全隔水厚度t安時，即比值大于1時就易發(fā)生突水,計算公式為[8-9]：

（2）計算參數(shù)確定：

①底板巖層抗壓強度KP：同第二種方法,換算為單位(t/m2)；

②采掘工作面寬度L：依據(jù)礦井開采設(shè)計取值為90m；

③H：隔水層底板承受的水頭壓力，換算為單位(t/m2)；

④底板巖石的容重r：根據(jù)勘查孔巖石力學(xué)測試成果,各分層的加權(quán)平均容重為2.60t/m3。

（3）安全隔水厚度比值系數(shù)計算與評價。采用（3）、（4）式，安全隔水厚度比值系數(shù)計算，并將計算結(jié)果繪制等值線圖，見圖3。朝川礦一井東翼，礦區(qū)深部水壓比較大，突水危險性大；礦區(qū)西部，及淺部水壓小，突水危險性小。

4 底板突水危險性多因素綜合評價

圖3 朝川礦一井安全隔水厚度比值系數(shù)等值線圖

通過以上3種方法分別對朝川礦一井二1煤層底板突水危險性進(jìn)行了評價，但每種方法僅考慮到部分的影響因素，因此其評價結(jié)果有一定的局限性。綜合考慮底板隔水層厚度、隔水層的巖性及其組合特征、承壓水頭壓力、底板破壞深度和底板含水層富水性等因素的基礎(chǔ)上，采用多因素綜合分析方法對朝川礦一井二1煤層開采時底板灰?guī)r巖溶承壓水突水危險性進(jìn)行評價分區(qū)。

將3次評價的結(jié)果進(jìn)行劃分范圍并相應(yīng)進(jìn)行賦值(表2)。令D=Ts+Tjs+Tas，計算結(jié)果如表3所示，結(jié)合礦區(qū)實際情況，對突水危險區(qū)域進(jìn)行劃分，綜合危險性分區(qū)圖如圖4所示。根據(jù)D值的大小將朝川礦一井底板突水危險性劃分為底板突水危險性小、底板突水危險性中等、底板突水危險性較大和底板突水危險性大4個區(qū)域。

西翼淺部為己組煤層底板突水危險性小區(qū)域，主要是隨著朝川礦一井的排水，西部二1煤層底板灰?guī)r巖溶水位持續(xù)下降，有的區(qū)域甚至降到淺部二1煤層底板以下，故在該區(qū)為采掘二1煤理論上不會發(fā)生突水危險。

表2 突水系數(shù)及比值系數(shù)賦值表

表3 突水危險性綜合評價成果表

東翼淺部為二1煤層底板突水危險性中等區(qū)域，自2006年1月朝川礦-250m水平東泄水巷以來，東翼巖溶水水位也有所降低，到2008年水-1孔水位已降至-80m，大大降低了東翼淺部二1煤開采的危險性。

礦區(qū)西翼深部為二1煤層底板突水危險性較大區(qū)域，西翼二1煤層底板灰?guī)r巖溶水也隨著朝川礦一井的排水下降。但隨著開采范圍向北部延伸，二1煤層深度增加，水壓增大，煤層底板隔水層厚度分布不均勻，阻水能力有限，該區(qū)為底板突水危險性較大區(qū)域。

礦區(qū)北部和東翼為二1煤層底板突水危險性大區(qū)域，礦區(qū)東翼比西翼水壓高出近1.6MPa，其突水危險性也較西翼高出很多。礦區(qū)北部己組煤層埋深較大，底板灰?guī)r水水壓大，在開采二1煤過程中危險大。

結(jié)合礦區(qū)實際情況分析，本次評價結(jié)果基本可靠，可作為礦區(qū)防治水工作的依據(jù)。在開采二1煤層過程中，一定要加強突水危險性較大和突水危險性大兩區(qū)域的防治水工作，保證礦井安全生產(chǎn)。

[1]張光德,李棟臣,胡斌，等.礦井水災(zāi)防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[2]葉建，樂志軍，葉利峰.河南朝川礦一井突水因素分析[J].中國煤炭地質(zhì)，2011（23）:28-29.

[3]張京順，丁樹生.淄博煤田石谷井田底板水害分析及防治水對策[J].中國煤炭地質(zhì)，2009（4）:45.

[4]龐渭舟，劉維周.煤礦水文地質(zhì)學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1980：64.

[5]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[S].煤炭工業(yè)出版社，2009.

[6]周衛(wèi).朝川礦水文地質(zhì)規(guī)律及己組煤層底板突水危險性評價[D].河南理工大學(xué)，2009.

[7]萬軍偉，沈繼方.高壩洲地區(qū)巖溶水系統(tǒng)的研究方法與意義[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1998，25（6）：1-4.

[8]中國煤田地質(zhì)總局.中國煤田水文地質(zhì)學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[9]劉其聲.關(guān)于突水系數(shù)的討論[J].煤田地質(zhì)與勘探，2009,37（4）：35.

TD74

A

1004-5716(2015)01-0151-04

2014-02-13

郭萌（1988-），女（漢族），陜西商南人，助理工程師，現(xiàn)從事煤田地質(zhì)勘查和水文地質(zhì)工作。