太原西山煤田楊莊井田煤層突水危險性分析

周 瑞 耿 杰 李俊杰

(1.太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024；2.山西省煤炭地質148勘查院，山西省太原市，030053；3.西山煤電集團地質處，山西省太原市，030053)

近年來，太原組下組煤底板突水正在成為華北地區礦井水害防治的研究熱點，國內外不少學者與專家對煤礦奧灰頂部相對隔水性及水文地質特征進行研究，提出了利用奧陶系頂部隔水層釋放煤層底板受奧灰水壓威脅的問題。太原西山煤田為華北煤田中規模相對較小的向斜構造盆地，由石炭系、二疊系、三疊系組成。很多學者對區內奧陶系峰峰組巖溶發育深度和賦存規律及對下組煤的安全開采的隔水作用等做了很多研究。劉建成、郝柏園等提出太原西山煤田古交礦區奧陶系峰峰組頂部近30 m 厚的古風化裂隙充填帶和峰峰組下段約70 m 厚的第一泥灰巖石膏層可分別作為隔水關鍵層；郭盛彬等利用鉆孔實際揭露奧陶系頂部巖溶發育，采用礦井瞬變電磁方法探測巖溶分布狀況，推斷西山屯蘭礦奧陶系地層自峰峰組頂部向下35 m 范圍內近乎無水；吳慧芳等研究并劃分了太原西山西峪煤礦內9#煤層帶壓開采的安全區與危險區。本文以太原西山煤田南部未開采的楊莊井田為研究對象，探討其煤系地層充水水源及上下組煤層突水危險性，以期為將來煤礦開采提供參考資料。

1 研究區水文地質概況

研究區位于古交市南部草莊頭鄉，晉祠泉域西南部弱徑流帶，處于太原西山煤田中南部的馬蘭向斜南段，地層走向近南北，向斜西翼地層較陡，東翼地層較緩，太原西山構造簡圖如圖1所示。

圖1 太原西山構造簡圖

區內主要含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組，太原組的平均厚度為95 m，山西組的平均厚度為53 m，可采煤層為山西組的02#、2#、4#煤層和太原組的6#、7#、8#、9#煤層。主要含水層組有奧陶系中統上馬家溝組及峰峰組灰巖含水層組、石炭系上統太原組灰巖含水層組、山西組砂巖含水層組、石盒子及石千峰組砂巖含水組、全新統礫石含水層。

2 充水水源

礦井充水水源主要有大氣降水、地表水、地下水。井田內河流均屬季節性溪流，受大氣降水影響，除了雨季洪水期水量大外，一般水量很小，甚至斷流。大川河為區內最大的地表水流，流經井田東部。井田內降水量小，地表水排泄暢通。上組煤頂板直接充水水源主要來自P1s地層砂巖裂隙水及P1x地層K4砂巖裂隙水，間接充水水源主要來自P1x地層K6砂巖裂隙水和P2s地層K7砂巖裂隙水，含水層裂隙不發育，富水性弱。上組煤底板直接充水水源主要來自P1s地層K3砂巖水，裂隙不發育，弱含水層；上組煤底板間接充水水源主要來自C3t灰巖(L1、K2、L4)含水層地下水。進水方式以滲入和淋水為主，屬裂隙充水礦床。該含水層砂巖富水性弱，含水層補給條件差，水力聯系弱。

下組煤6#煤層位于太原組上部，其直接充水含水層以K3砂巖及東大窯灰巖(L5)為主，山西組地層砂巖及太原組中下部灰巖含水層為其間接充水層，屬巖溶裂隙充水礦床。8#、9#煤層位于太原組的下部，頂板直接充水水源主要來自C3t灰巖(L1、K2、L4)含水層地下水，在部分地段L1灰巖為8#煤層直接頂板，富水性弱；下組煤底板間接充水水源主要來自中奧陶統O2f和O2s巖溶含水層地下水，構成了井田內富水性最強的含水結構體，且承壓水頭較高。但奧灰含水層由于含水層埋藏較深，地表水體少且小，裂隙巖溶不太發育，透水性較弱，本區水文孔抽水試驗資料表明，單位涌水量均小于0.1 L/(m·s)，屬弱富水性含水層。

3 頂板突水危險性分析

煤層頂板突水危險性是根據2009 年9 月21 日國家安全生產監督管理總局、國家煤礦安全監察局頒布的《煤礦防治水》中引用的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中煤層頂板導水裂縫帶高度計算公式計算各煤層導水裂隙帶結果。計算公式為：

(1)

式中：Hli——導水裂縫帶高度，m；

M——煤層平均采厚，m。

經計算山西組02#煤層導水裂隙帶最大高度為29.80 m，上距K4砂巖平均5.90 m，溝通了山西組頂部及下石盒子組中下部的砂巖裂隙含水層。2#煤層導水裂隙帶最大高度為34.41 m，上距02#煤層平均僅12.92 m，裂隙帶能夠導通上部采空區積水，4#煤層導水裂隙帶最大高度為41.43 m，上距2#煤層平均12.43 m，裂隙帶能夠導通上部采空區積水，開采2#、4#煤層時必須對上部采空積水進行超前探放，防止發生淹工作面甚至淹采區的嚴重后果。未來開采上組煤層時，涌水形式主要表現為上組煤層的頂板淋滴水，礦井正常生產時，涌水初始量較大，而后逐漸趨于穩定，經采掘出水可逐年疏干。正常情況下，02#煤層距離地表較遠，不會溝通地表，但在斷層及陷落柱附近及井田西部邊界煤層露頭、淺埋區，導水裂隙帶存在導通淺層地表水的可能。將來礦井開采時，在雨季應做好地面塌陷及地裂縫的填充工程，防止雨水潰入礦井，引起灌井事件。

太原組上部6#煤層導水裂隙帶最大高度為31.26 m，大于6#煤層與4#煤層的間距17.12 m，導水裂縫帶可能達到上部采空區積水，對煤層開采帶來嚴重影響。太原組下部8#煤層導水裂隙帶最大高度為42.68 m，大于6#煤層與8#煤層的間距36.05 m，但8#煤層導水裂隙帶最大高度小于其與4#煤層間距53.17 m，且小于其與2#煤層間距65.60 m，開采8#煤層時，導水裂縫帶一般不會到達2#、4#煤層采空區積水處，僅可能溝通4#、6#、8#煤層間的含水層。另外，開采8#煤層，沿頂板掘進將貼近L1灰巖，或因褶曲小斷層而破壞L1灰巖，頂板灰巖水泄入巷道。9#煤層導水裂隙帶最大高度為38.21 m，大于8#煤層和9#煤層的間距11.90 m，導水裂縫帶會到達上部采空區積水處，因此開采下組煤層時必須對上部采空積水進行超前探放。下組煤層頂板充水因素主要為本組灰巖巖溶裂隙水，其次為砂巖裂隙水。石灰巖由于埋藏深，補給有限，富水性弱，隨開采時間延長，礦井涌水量將趨于減弱。

4 底板突水危險性分析

4.1 底板隔水層厚度

9#煤層底板至奧灰頂面之間的巖層為阻擋奧灰巖溶承壓水向上部含水層和煤層充水的主要隔水層，厚度為51.86～81.10 m，平均厚度為66.65 m，裂隙不發育且呈閉合狀。9#煤層底板至奧灰界面厚度等值線圖如圖2所示。其中本溪組地層厚度為20.70～52.78 m，平均厚度為34.52 m，巖性由深灰、淺灰及灰色細—中粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖、鋁質泥巖、石灰巖組成，平行不整合于峰峰組之上。底部主要為山西式鐵礦，厚度不穩定，以黃鐵礦為主；下部鋁質泥巖較穩定；中、上部為1～3層泥巖及淺海相薄層石灰巖，具較好的隔水作用。尤其本溪組下段鋁土質泥巖其厚度穩定，可以作為很好的疏水降壓層。這種泥質巖類與砂巖、石灰巖硬脆性巖類的良好組合，既具有隔水性能又具有一定的力學強度，對抵抗巖溶水壓是有利的。這一相對隔水巖層的存在導致巖溶承壓水與石炭系煤系圍巖水位有很大的水位差。

圖2 9#煤層底板至奧灰界面厚度等值線圖

此外，區內奧灰峰峰組上段巖性以含石膏泥質灰巖及泥灰巖為主，中夾白云質灰巖，粘土含量顯著增大，石膏一般以薄層狀、脈狀與泥灰巖交織在一起，通常稱第一泥灰巖石膏帶。據水文孔資料顯示本段地層巖芯較完整，裂隙不發育，簡易水文觀測資料表明水位及消耗量無變化或變化很小，說明巖溶裂隙不發育，隔水性能良好，一般可視為隔水層，正常情況下，亦可以阻隔奧灰含水層與太灰含水層之間的水力聯系。

4.2 水頭壓力、突水系數及危險性分析

井田內發育巨厚的奧陶系灰巖含水層，為一區域含水層，具有統一的地下水位，根據抽水試驗資料確定區內奧灰水位在+820～+920 m之間。下組9#煤層底板突水系數等值線圖見圖3。

由于含水層埋藏較深，地表水體少且小，水源補給較差，巖溶裂隙不發育，但水壓較高，為本區主要含水層，區內水文孔抽水試驗資料顯示單位涌水量均小于0.1 L/(m·s)，屬弱富水性含水層。在確定水頭壓力時，采用奧陶系峰峰組巖溶水位標高減去揭穿奧灰鉆孔的奧灰頂面標高作為煤層底板承受的水壓力，經計算水頭壓力為1.29～2.99 MPa，井田內絕大部分地段煤層底板標高低于奧灰水位，僅在西部P16、Y5-1、Y8-01鉆孔連線以西地段煤層不帶壓，其中井田中部Y5-3、Y7-5鉆孔附近水頭壓力較小，小于2 MPa,其余地段均大于2 MPa，總的來看，區內煤層底板承受水壓變化相對平緩。

圖3 下組9#煤層底板突水系數等值線圖

為合理評價開采煤層的突水危險性，采用突水系數法，參照《煤礦防治水規定》中的相關要求，底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06 MPa/m(相對安全區)，正常塊段不大于0.10 MPa/m(突水危險區)的規定。突水系數計算公式為：

(2)

式中：T——突水系數，MPa/m；

P——底板隔水層承受的水壓，MPa；

M——底板隔水層厚度，即煤層底板至奧灰頂面的距離，m。

根據區內鉆孔資料，實際穿過整個煤系地層進入奧陶系灰巖的鉆孔為22個。按2#、8#、9#煤層底板標高與奧灰頂面標高值，確定各鉆孔隔水層的厚度，代入式(2)計算，結果見表1。經計算，2#煤層帶壓區奧灰突水系數0.009～0.019 MPa/m，8#煤層帶壓區奧灰突水系數0.018～0.044 MPa/m，9#煤層帶壓區奧灰突水系數0.020～0.051 MPa/m，具體見突水系數等值線圖，如圖3所示。

表1 煤層突水系數一覽表

井田奧灰突水系數分布具有從西到東逐漸增大的趨勢，最高值位于井田東北部。可見區內各可采煤層奧灰突水系數值均小于0.06 MPa/m，帶壓開采危險性小，屬于相對安全區。需要說明，突水系數計算僅考慮了水壓及隔水層厚度，而沒有考慮隔水層的抗張強度及隔水性能，如果隔水層的抗張強度小，隔水性能差，或者某些部位本溪組及峰峰組巖層的裂隙較發育，其隔水性能也會受到影響。即使在上述劃分的安全區，在遇有導水斷層、陷落柱情況下，奧灰巖溶水具有沿構造薄弱部位上升的可能性，導致煤層底板突水事故的發生。建議在生產中密切關注回采工作面情況、涌水量變化和奧灰含水層的水位變化，發現異常及時上報并利用物探、鉆探綜合探查手段，探查隔水層薄弱地段、富水區段和潛在導水通道。

5 結論

(1)上組02#煤層導水裂隙帶能夠溝通山西組頂部及下石盒子組中下部的砂巖裂隙含水層。2#、4#煤層導水裂隙帶能夠導通上部采空區積水，下組6#、8#、9#煤層導水裂隙帶均大于其上煤層間距。下組煤回采后，導水裂縫帶可能達到上部采空區積水，對太原組煤層開采帶來嚴重影響。另外井田西部邊界煤層淺埋區，導水裂隙帶存在導通淺層地表水的可能。在隱伏斷層及陷落柱附近及井田西部邊界煤層露頭、淺埋區，導水裂隙帶存在導通淺層地表水的可能。

(2)區內各煤層絕大部分地段都為帶壓開采，僅在西部P16、Y5-1、Y8-01鉆孔連線以西地段煤層不帶壓，其中井田中部Y5-3、Y7-5鉆孔附近水頭壓力較小，小于2 MPa,其余地段均大于2 MPa，帶壓地段奧灰突水系數值均小于0.06 MPa/m，帶壓開采危險性小，屬于相對安全區，帶壓開采雖然可行，但應在加強礦井防治水工作的前提下進行帶壓開采，特別是加強構造導水性的探測工作。

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