趙家寨煤礦二1煤層底板含水層突水性預測

■王照亮（河南省煤田地質局一隊河南新鄭451150）

趙家寨煤礦二1煤層底板含水層突水性預測

■王照亮
（河南省煤田地質局一隊河南新鄭451150）

趙家寨煤礦隨著開采深度的增加，礦井最大水害威脅在于二1煤層底板含水層突水。為了指導礦井進行煤層底板水害防治，本文采用突水系數法，對二1煤層底板含水層突水性進行預測評價，并根據二1煤層底板標高，劃分出相對安全區、臨界區和危險區。

二1煤層 底板采動導水破壞帶 突水系數

趙家寨煤礦位于新鄭市西部，行政區劃屬新鄭市的城關鎮、辛店鎮和新密市的大隗鎮，礦井主采二1煤層，批準開采標高為+90～～950m，生產能力為300萬噸/年。本礦井水文地質類型復雜，自建井以來，井下共發生大小突水15次，其中二1煤層底板灰巖突水14次，頂板砂巖突水1次，礦井受底板灰巖水危害較大。據本礦目前掘進資料，對二1煤層開采有影響的底板含水層主要為C2tL7～8、C2tL1～4和O2m三層灰巖巖溶裂隙承壓水含水層，本文根據底板采動導水破壞帶和突水系數，對二1煤層底板含水層突水性進行分析預測，為礦井底板水害防治工作提供依據。

1　二1煤層底板含、隔水層特征

二1煤層下伏含、隔水層從新到老依次為二1煤層底板砂泥巖隔水層、太原組上段灰巖巖溶裂隙承壓水含水層、太原組中段砂泥巖隔水層、太原組下段灰巖巖溶裂隙承壓水含水層、本溪組鋁土質泥巖隔水層和奧陶系灰巖巖溶裂隙承壓水含水層。現簡要分述如下：

（1）二1煤層底板砂泥巖隔水層

系指L8灰巖頂面到二1煤層底板之間的砂、泥巖和砂質泥巖，據本區揭露該層厚度1.61～43.82m，平均厚10.96m，在自然條件下有一定的隔水作用，但在開采二1煤層條件下，基本失去隔水作用。

（2）太原組上段灰巖巖溶裂隙承壓水含水層

含水層指太原組上段的石灰巖。礦井內有187孔揭露（穿）層太原組上段石灰巖，由L7、L8兩層石灰巖組成，石灰巖為厚層狀、隱晶質結構，厚度0～18m，一般約10m，含黃鐵礦結核和燧石結核。據礦井內鉆孔抽水試驗資料：單位涌水量0.00357～0.6949L/s?m，滲透系數為0.1116～19.5562m/d。水化學類型以HCO3.SO4—Ca為主，次為HCO3—Ca。溶解性固體0.403～0.547g/L，水溫28～29℃。八十年代天然水位標高120.85～126.65m，據該礦的長觀孔水位資料，2014 年7月1210孔觀測水位標高為～56.47m。該含水層為二1煤層底板直接充水含水層，對開采二1煤層影響較大。

（3）太原組中段砂泥巖隔水層

該層系指L4灰巖頂面到L7灰巖底面之間的砂質泥巖為主，夾細粒砂巖、薄煤層和不穩定的L5及L6灰巖，厚16.83～68.33m，該層層位較穩定，隔水性較好，為C2tL1～4灰巖與C2tL7～8灰巖之間的隔水層，但在斷裂切割處以及背斜軸部張裂帶上，將會形成上、下含水層間的水力聯系。

（4）太原組下段灰巖巖溶裂隙承壓水含水層

含水層指太原組下段的L1～4石灰巖。礦井內共有105個鉆孔揭露（穿）太原組下段石灰巖，有1～4層灰巖，厚7.4～34.91m；平均18.79m，L1、L2常合為一層，二者一般厚10～13m。該套灰巖厚層呈塊狀，隱晶質結構，含黃鐵礦結核與燧石結核。根據抽水試驗成果表：鉆孔單位涌水量1.0077～4.72L/s·m，滲透系數為10.20～36.061m/d,總體上該含水層的富水性中等。八十年代天然水位標高122.22～125.82m，由于趙家寨煤礦近年來對該含水層的主動疏放，各孔水位有不同程度的下降，據該礦的長觀孔資料，2008年12月水位標高在+40m左右，而到2014年7月，該礦附近的水位標高在～77.01～～48.41m之間。水化學類型以HCO3·SO4—Ca·Mg為主，溶解性固體0.502～0.617g/L。水溫28～30℃，局部斷裂帶水溫40℃。在正常地段，該含水層為二1煤層的間接充水含水層，在斷層帶附近為直接充水含水層，對開采二1煤層有一定的影響。

（5）本溪組鋁土質泥巖、砂泥巖隔水層

位于奧陶系灰巖頂面至一1煤層底面之間，厚度1.87～33.84m，該層層位較穩定，巖性致密，隔水性良好。

（6）奧陶系灰巖巖溶裂隙承壓水含水層

礦井有101孔揭露（穿）了奧陶系，奧陶系厚25.33～79.95m，平均厚度54.70m。奧陶系該層上部為厚層狀石灰巖，下部為泥質灰巖。有11個孔遇溶洞、裂隙漏水，占揭露鉆孔總數的10.89%，鉆孔涌、漏水量0.35～36.96m3/h。巖溶裂隙主要發育于斷裂帶，滹沱背斜軸部及露頭帶附近，溶洞高度0.15～3.00m，富水地帶分布在上述部位，多有鋁土質泥巖或粘土充填。據鉆孔抽水試驗資料，單位涌水量為0.03099—2.486L/s.m,滲透系數為0.01073～59.934m/d,水化學類型為SO4·HCO3—Ca·Na·Mg，溶解性固體0.532g/L，水溫23～29℃。上世紀八十年代，奧陶系巖溶裂隙水的天然水位標高+121. 59～+122.36m，據該礦的長觀孔水位資料，2014年7月1426孔觀測水位標高為～54.26m，814孔觀測水位標高為～57.83m。在正常地段，該含水層為二1煤層的間接充水含水層，在斷層附近為直接充水含水層，因此它對二1煤層的開采也有較大影響。

2　二1煤層底板含水層突水性預測

2.1太原組上段（C2tl7～8）灰巖巖溶裂隙承壓水突水性預測

開采二1煤層時，由于采動礦壓的作用，底板巖層遭到連續性破壞，導水性能發生明顯改變，形成底板采動導水破壞帶。該帶的厚度即為“底板破壞深度”，該帶內一般存在平行和垂直層面的裂隙，平行層面裂隙主要是底板受到礦壓作用，底板經過壓縮膨脹而產生反向彈性變形所造成，一般在淺部較發育。垂直層面的裂隙是由剪切作用和層向拉力造成。當二1煤層底板隔水層厚度小于底板采動導水裂隙帶厚度時，該裂隙可將底板巖溶裂隙水導入礦坑。依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》（煤行管字〔2000〕第81號）附錄六，只考慮工作面斜長，底板采動導水破壞帶深度可采用下述統計公式：

式中：

h1—底板采動導水破壞帶深度m；

L—壁式工作面斜長，m；

本礦工作面斜長按200m計算，代入上述公式：

經計算，二1煤層底板采動導水破壞帶深度為22.28m和21.00m，大于二1煤層底板隔水層平均厚度10.96m，太原組上段（C2tl7～8）灰巖巖溶裂隙承壓水可通過底板采動導水破壞帶進入礦井。

2.2太原組下段（C2tL1～4）和奧陶系（O2m）灰巖巖溶裂隙承壓水突水性預測

本礦二1煤層底板標高～800m～～100m，根據L1～4灰巖長觀孔1120孔2014年7月13日觀測資料，含水層水位標高為～48. 41m，開采二1煤層為帶壓開采，本文采用突水系數法對太原組下段和奧陶系灰巖巖溶裂隙承壓水突水性進行預測評價。采用《煤礦防治水規定》〔國家安全生產總局監督管理總局（第28號）〕附錄四中的公式，其公式為：

式中T—突水系數，MPa/m；

p—隔水層承受的水壓，MPa/m；

M—底板隔水層厚度（取區內二1煤層底板至含水層頂板的平均厚度）。

根據煤礦防治水規定，煤層底板受構造破壞塊段突水系數臨界值取0.06MPa/m，正常塊段突水系數臨界值取0.1MPa/m。本文確定以下帶壓開采分區標準：

T＜0.06相對安全區

0.06≤T＜0.1臨界區

T≥0.1危險區

當突水系數取0.06 MPa/m，反算得出隔水層承受的水壓（P）為3.3468MPa，煤層底板標高為～334.14m；當突水系數取0.1MPa/m，反算得出隔水層承受的水壓（P）為5.578MPa，煤層底板標高為～561. 81m。見表1。

表1　二1煤層安全開采標高計算表

從表1及圖1中可以看出，當本礦二1煤層開采標高在～334. 14m以淺時，太原組下段和奧陶系灰巖水突水系數小于0.06MPa/m，屬相對安全區；二1煤層開采標高在～561.81m～～334. 14m之間時，太原組下段和奧陶系灰巖水突水系數大于0.06MPa/m，而小于0.1MPa/m，屬臨界區，構造破壞塊段發生突水可能性較大，構造不發育塊段仍是相對安全的；二1煤層開采標高在～561.81m以深時，突水系數大于0.1MPa/m，屬危險區，太原組下段和奧陶系灰巖水突水可能性極大（見表2）。

圖1　太原組下段和奧陶系灰巖水突水系數與二1煤層底板標高關系圖

表2　二1煤層突水性預測評價表

3　結語

根據計算底板采動導水破壞帶深度，預測了太原組上段灰巖巖溶裂隙承壓水可通過底板采動導水破壞帶進入本礦井。采用突水系數法，預測了本礦二1煤層開采標高在～334.14m以淺時，屬相對安全區；二1煤層開采標高在～561.81m～～334.14m之間時，屬臨界區，構造破壞塊段發生突水可能性較大，構造不發育塊段仍是相對安全的；二1煤層開采標高在～561.81m以深時，屬危險區，太原組下段和奧陶系灰巖水突水可能性極大。此次預測公式選用合理，預測結果可作為礦井底板水害防治的參考依據，但是本次預測所用突水系數臨界值只是全國實際資料的綜合數據，是否適合本礦井，還有待礦井開采中實際驗證。

[1]國家安全生產監督管理總局、國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定【M】.北京：煤炭工業出版社.2009.

[2]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程【M】.北京：煤炭工業出版社.2000.

TD324[文獻碼]B

1000～405X（2016）～4～147～2

孟瑋（1985～），女，畢業于中國石油大學（華東），地質學碩士，工程師，研究方向為地質勘查。