麻家梁煤礦開(kāi)采受水害影響程度分析

郝建卿

(同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司)

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麻家梁煤礦開(kāi)采受水害影響程度分析

郝建卿

(同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司)

摘要結(jié)合麻家梁煤礦地質(zhì)及礦井水文地質(zhì)資料，全面分析了礦井充水水源、充水途徑及充水強(qiáng)度等，在此基礎(chǔ)上，對(duì)各種水害影響因素進(jìn)行了分析，結(jié)合《煤礦防治水規(guī)定》，對(duì)開(kāi)采受水害影響程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為礦井防治水措施的制定提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞充水水源充水途徑充水強(qiáng)度水害影響因素防治水

近年來(lái)，隨著礦井開(kāi)采水平的延伸和開(kāi)采強(qiáng)度的日益增加，礦井開(kāi)采水文地質(zhì)條件也在不斷發(fā)生變化，水害成為影響與制約煤礦安全生產(chǎn)的主要隱患之一。礦井開(kāi)采受水害威脅程度決定了礦井防治水工作的難易程度，它關(guān)系到礦井開(kāi)拓方式的選擇和采掘系統(tǒng)的布置，近而影響到礦井的總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)[1-3]。為了杜絕水害事故的發(fā)生，2009年12月1日頒布的《煤礦防治水規(guī)定》第十二條明確要求，礦井應(yīng)對(duì)本單位的水文地質(zhì)情況進(jìn)行研究，編制礦井水文地質(zhì)類(lèi)型劃分報(bào)告。為此，開(kāi)展開(kāi)采水害影響程度分析研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

麻家梁井田位于山西省朔城區(qū)東南部，年產(chǎn)能力為1 200萬(wàn)t/a，面積約104.16 km2。礦井采用豎井開(kāi)拓方式，現(xiàn)主采4#煤層，采用綜放開(kāi)采方式。4#煤上部為砂巖含水層，開(kāi)采受到奧灰承壓水威脅，開(kāi)展開(kāi)采受水害威脅影響程度分析研究，為礦井防治水措施制定提供科學(xué)依據(jù)是十分必要的。

1井田地質(zhì)概況

1.1地層

根據(jù)鉆孔揭露和麻家梁井田外圍出露，區(qū)內(nèi)地層由老到新依次有下古生界奧陶系、上古生界石炭系、二疊系及新生界地層。其中奧陶系僅發(fā)育中、下統(tǒng)，為含煤建造基底，廣泛出露于井田南部外圍，主要由礫屑和亮晶方解石組成。石炭系中的本溪組平行不整合于奧陶系石灰?guī)r侵蝕基準(zhǔn)面之上，主要由鋁土泥巖、石灰?guī)r及泥灰?guī)r組成；太原組為本區(qū)主要含煤地層，連續(xù)沉積于本溪組地層之上，主要由煤層及砂巖、碎屑巖、泥巖及鋁土質(zhì)泥巖組成。二疊系中的山西組也是本井田的主要含煤地層，含目前麻家梁煤礦主采的4#煤層，主要由砂巖、礫巖、泥巖和煤層組成。新生界主要為第四系松散沉積，不整合于下伏地層之上，巖性以灰色、灰綠色、淺紅色、紅黃色亞砂土及砂質(zhì)黏土為主，區(qū)內(nèi)新生界厚度變化較大，一般厚150～300 m。

1.2構(gòu)造

麻家梁井田位于朔縣向斜東翼南段,基本構(gòu)造形態(tài)為一向西傾斜略有起伏的單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)地層走向在35勘探線以北總體呈NNE向，且地層傾角平緩，一般為5°左右。35線以南地層走向由NNE轉(zhuǎn)為NE方向，且地層傾角自西向東逐漸增大，可達(dá)30°以上。在此之上發(fā)育了一些與地層走向大致平行的寬緩褶曲和大小不等的斷裂構(gòu)造，主要發(fā)育有分廠向斜、麻家梁背斜、馬場(chǎng)背斜、梨園頭向斜、下石碣峪—王萬(wàn)莊向斜和F2、F20、F22、F34、F34等16條斷層，其中落差大于100 m斷層有2條。

1.3水文地質(zhì)

麻家梁井田為神頭巖溶泉域水文地質(zhì)單元徑流區(qū)的一部分。本區(qū)6個(gè)含水層：下奧陶系巖溶裂隙含水層以溶隙、溶洞為主要巖溶形態(tài)，富水性強(qiáng)，為一巖溶裂隙承壓含水層；中奧陶系巖溶裂隙含水層巖溶裂隙發(fā)育強(qiáng)弱不等，富水性極不均一，奧灰水是下部煤層開(kāi)采的主要威脅；上石炭系裂隙含水層局部構(gòu)成9#煤層的直接頂板，裂隙發(fā)育一般，富水性弱；早二疊系下部裂隙含水層砂體厚度變化大，層位多不穩(wěn)定，裂隙發(fā)育一般，為4#煤層直接充水含水層，但由于富水性弱，補(bǔ)給條件較差，含水體較為封閉，對(duì)煤層開(kāi)采存在一定影響；新生界中、下部孔隙含水層全區(qū)分布，構(gòu)成基巖直接蓋層，富水性較弱；新生界上部孔隙含水層全區(qū)分布，富水性強(qiáng)～中等，為一孔隙潛水含水組。

麻家梁煤礦隔水層發(fā)育主要有2層：中石炭系碎屑巖隔水組巖性以泥巖、砂巖為主，全區(qū)來(lái)看，本溪組地層為一較穩(wěn)定隔水組，隔水性能較好；二疊系中下部碎屑巖隔水層巖性以泥巖為主，砂巖次之，裂隙不甚發(fā)育，富水性很弱，是一相對(duì)隔水組，隔水性能良好。

2礦井充水條件

2.1充水水源

根據(jù)4#煤層與各主要含隔水層關(guān)系圖(圖1)，對(duì)井田各主要含水層充水情況進(jìn)行分析：

(1)地表水。根據(jù)4#煤層頂板上覆地層厚度分布情況分析，煤層覆蓋層厚度均在300 m以上，而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，4#煤層回采后導(dǎo)水裂縫帶高度為137.46 m，正常情況下導(dǎo)水裂縫帶不會(huì)發(fā)育到地表，地表水對(duì)煤層回采無(wú)影響。

(2)松散層含水層(第四系沖積層含水組、第三系砂礫層含水組)。該含水層主要接受地表水和大氣降水的補(bǔ)給，富水性較強(qiáng)。根據(jù)計(jì)算，4#煤層回采頂板導(dǎo)水裂縫帶為137.46 m，結(jié)合煤層上覆基巖等厚線分布情況，煤層上覆基巖厚度一般都在200 m以上，煤層回采后一般不會(huì)溝通松散層含水層，但由于4#煤層頂板強(qiáng)度較低，膠結(jié)程度差，因此，不排除導(dǎo)水裂縫帶與之溝通，從而出現(xiàn)潰水、潰沙等災(zāi)害事故，甚至威脅礦井安全。

(3)山西組砂巖裂隙含水組。該含水層組以4#煤層頂?shù)装錕5、K4砂巖為主，厚度較大且比較穩(wěn)定，為4#煤層主要直接充水水源。根據(jù)礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)資料分析，該含水層組富水性一般較弱，主要以靜儲(chǔ)量為主，在采取一定的防治水技術(shù)措施后，含水層對(duì)煤層開(kāi)采一般不會(huì)造成威脅。但該含水層在向斜軸部和裂隙發(fā)育區(qū)段富水性相對(duì)較強(qiáng)，水量比較集中，對(duì)礦井生產(chǎn)會(huì)造成一定影響，因此，在采掘至這些區(qū)段時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)探查和探放水工作，避免水害事故的發(fā)生。

(4)太原組砂巖裂隙含水層組。該含水層組主要為K1、K2砂巖裂隙水，厚61.61～98.65 m，平均為79.32 m，裂隙發(fā)育一般，富水性較弱，對(duì)煤層開(kāi)采一般不會(huì)造成威脅。

(5)中奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。麻家梁井田地處神頭泉域奧灰水的徑流區(qū)，屬?gòu)?qiáng)含水層。據(jù)礦方提供資料，奧灰水(馬家溝組)水位標(biāo)高為+1 059～+1 062 m。根據(jù)4#煤底板等高線圖可以看出，底板標(biāo)高等值線在+620～+720 m，4#煤層相對(duì)奧灰含水層均為帶壓開(kāi)采，但從4#煤層距奧灰頂面等厚線來(lái)看，4#煤層距奧灰含水層距離較遠(yuǎn)，隔水層厚度均在100 m以上。保守計(jì)算礦井突水系數(shù)Ts=0.043 MPa/m，處于安全帶壓范圍，在完整底板情況下奧灰水對(duì)煤層回采一般不會(huì)造成威脅。

圖1　井田主采煤層與主要含隔水層關(guān)系示意

但是，由于麻家梁井田斷層比較發(fā)育，斷層大大縮短了煤層和奧灰含水層之間的距離，有的甚至成為奧灰含水層與上部含水層發(fā)生水力聯(lián)系的導(dǎo)水通道，在采掘過(guò)程中，斷層一旦被揭露就可能發(fā)生水害事故，因此，在礦井防治水工作中，應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造探查工作，重點(diǎn)預(yù)防構(gòu)造突水，確保礦井安全。

山西組砂巖裂隙水為4#煤直接充水水源，中奧陶系灰?guī)r含水層為煤層間接充水水源。由于4#煤層頂板巖性的特殊性，松散層水也有可能成為煤層的間接充水水源。

2.2充水途徑

結(jié)合麻家梁煤礦礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件分析，礦井充水途徑大概有以下幾種情況：

(1)頂?shù)装宀蓜?dòng)裂隙導(dǎo)水。煤層回采后，頂板受到破壞，采動(dòng)裂隙發(fā)育高度延伸上百米左右，將直接與煤層頂板及上覆基巖含水層溝通，從而影響礦井生產(chǎn)，甚至造成水害事故；同樣開(kāi)采擾動(dòng)也會(huì)破壞底板隔水層，縮短煤層與下覆含水層的距離，有可能誘發(fā)構(gòu)造突水或造成底板突水。

(2)封閉不良鉆孔導(dǎo)水。麻家梁礦井由于前期勘探鉆孔較多，并且許多鉆孔封孔質(zhì)量不詳，如果鉆孔封閉不良，這些鉆孔都可能成為各個(gè)含水層特別是奧灰含水層的水力聯(lián)系通道，采動(dòng)過(guò)程中一旦被揭露，將會(huì)造成突水事故。所以，在今后的開(kāi)采過(guò)程中要引起高度重視，做好日常鉆孔臺(tái)帳工作，避免封閉不良鉆孔引發(fā)突水。

(3)斷層導(dǎo)水。斷層發(fā)育、分布較密是麻家梁井田的一大特點(diǎn)。根據(jù)地震勘探資料，井田內(nèi)存在16條斷層，使主采煤層與各主要充水含水層距離縮短甚至對(duì)接，造成斷層破碎帶有可能成為各含水層的導(dǎo)水通道，引發(fā)突水，因此，對(duì)斷層突水必須引起高度重視。

(4)陷落柱導(dǎo)水。井田內(nèi)目前還未揭露和發(fā)現(xiàn)陷落柱，但隨著井田開(kāi)拓面積的不斷擴(kuò)大，在井田內(nèi)不排除存在陷落柱的可能，因此，在礦井采掘之前應(yīng)對(duì)采掘區(qū)段進(jìn)行地面三維地震和井下精細(xì)構(gòu)造探查，預(yù)防發(fā)生陷落柱水害事故。

(5)褶曲構(gòu)造裂隙導(dǎo)水。麻家梁井田褶曲發(fā)育，較大的褶曲有5個(gè)。在這些褶曲的軸部一般裂隙比較發(fā)育，且相對(duì)富水，當(dāng)采掘過(guò)程中通過(guò)這些部位時(shí)有可能發(fā)生構(gòu)造裂隙突水事故，因此，在礦井防水工作中也應(yīng)引起重視。

2.3充水強(qiáng)度

根據(jù)礦井資料分析，礦井水文地質(zhì)條件中等，主要受4#煤層頂板砂巖裂隙水和奧灰水的影響。由于奧灰水距煤層較遠(yuǎn)，正常情況下不會(huì)對(duì)煤層開(kāi)采造成威脅，重點(diǎn)預(yù)防構(gòu)造突水，而目前直接影響礦井生產(chǎn)的為煤層頂板砂巖裂隙水。從礦井涌水量統(tǒng)計(jì)資料看，礦井涌水主要由井筒淋水、煤層頂板砂巖裂隙水及巷道和工作面探放水(亦為頂板砂巖裂隙水)組成。根據(jù)礦井資料分析，4#煤層上部山西組和太原組含水層單位涌水量為0.001 62～0.003 51 L/(s·m)，均為弱含水層，即使在部分區(qū)段相對(duì)富水，但一般都以靜儲(chǔ)量為主，采掘前采取對(duì)含水層進(jìn)行提前探放等技術(shù)措施后，對(duì)礦井安全生產(chǎn)不會(huì)造成大的影響。礦井采掘整體充水強(qiáng)度一般。而真正對(duì)礦井安全生產(chǎn)存在潛在威脅的為奧灰水，也是今后礦井防治的工作重點(diǎn)。

3開(kāi)采受水害影響程度評(píng)價(jià)

3.1煤層采掘擾動(dòng)破壞計(jì)算

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》[4]，4#煤層頂板巖層抗壓強(qiáng)度為41.6～82.8 MPa，采用下面公式對(duì)跨落帶和導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)行計(jì)算。

跨落帶高度為

(1)

式中，Hm為垮落帶高度，m；ΣM為累積采厚，6.32 m。

經(jīng)計(jì)算，垮落帶高度Hm約為24.09 m。

導(dǎo)水裂隙帶高度為

(2)

式中，Hli為裂縫帶高度，m；ΣM為累積采厚，6.32 m。

經(jīng)計(jì)算，導(dǎo)水裂縫帶高度Hli為74.84 m。

對(duì)于綜放采煤條件下導(dǎo)水裂縫帶的預(yù)計(jì)，目前采用相似條件比擬法計(jì)算比較合理。國(guó)內(nèi)相關(guān)礦井綜放開(kāi)采條件下的研究成果對(duì)評(píng)價(jià)麻家梁礦井頂板“兩帶”發(fā)育高度具有重要的借鑒意義。在水體下采用綜采放頂煤開(kāi)采時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行試驗(yàn)開(kāi)采，最好選用本礦區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算方法，經(jīng)地面鉆液漏失量觀測(cè)、鉆孔水位長(zhǎng)觀、頂板覆巖數(shù)值模擬、工作面涌水及地面水位動(dòng)態(tài)變化等資料綜合分析，礦井4#煤層在綜放開(kāi)采條件下裂高采厚比為21.75，所以導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度取137.46 m。

3.2礦井主要含水層影響分析

(1)根據(jù)上面計(jì)算，上組煤層回采后頂板裂縫帶高度為137.46 m，而從煤層頂板基巖厚度分布情況可以知道，煤層上部基巖厚度均在200 m以上，煤層回采后頂板裂縫帶一般不會(huì)與松散層水溝通，正常情況下地表水及松散層水對(duì)礦井不會(huì)造成威脅。

(2)根據(jù)分析，影響煤層采掘的主要為煤層頂板砂巖裂隙含水層，一般富水性較弱，在采掘過(guò)程中采取一定的探放水等技術(shù)措施后，對(duì)煤層開(kāi)采不會(huì)造成太大影響。

(3)奧灰水(馬家溝組)水位標(biāo)高在+1 059～+1 062 m。4#煤底板等高線在+620～+720 m，4#煤層相對(duì)奧灰含水層均為帶壓開(kāi)采，但4#煤層距奧灰含水層較遠(yuǎn)，隔水層厚度均在100 m以上，突水系數(shù)Ts=0.043 MPa/m，處于安全帶壓范圍，在底板完整情況下奧灰水對(duì)煤層回采不會(huì)造成威脅，但應(yīng)重點(diǎn)預(yù)防構(gòu)造突水。

3.3大氣降水及地表水影響分析

煤層覆蓋層厚度均在300m以上，而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，4#煤層回采后導(dǎo)水裂縫帶高度為137.46m，正常情況下導(dǎo)水裂縫帶不會(huì)發(fā)育到地表，大氣降水及地表水對(duì)煤層回采無(wú)影響。

4結(jié)論

本文分析了麻家梁煤礦的礦井充水條件，對(duì)開(kāi)采受水害影響程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。綜合分析認(rèn)為，麻家梁煤礦目前主要受煤層頂板較弱的砂巖裂隙含水層影響，條件相對(duì)簡(jiǎn)單。但由于煤層相對(duì)奧灰含水層均為帶壓開(kāi)采，井田構(gòu)造相對(duì)發(fā)育，因此，存在構(gòu)造突水的可能，這給礦井防治水工作帶來(lái)一定難度，對(duì)礦井安全開(kāi)采存在一定的潛在威脅。所以，在開(kāi)采過(guò)程中，要嚴(yán)格按照“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),有掘必探,先探后掘,先治后采”的十六字方針進(jìn)行礦井防治水，保障生產(chǎn)安全。

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(收稿日期2016-01-29)

郝建卿(1984—)，男，助理工程師，036000 山西省朔州市。