奧灰頂部相對隔水性及其在底板突水評價中的應用

常海雷

(遼寧工程技術大學，遼寧省阜新市，123000)

近年來隨著煤炭資源逐漸向深部開采，華北地區石炭二疊系煤田受奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層的威脅越來越嚴重，國內外學者從各自的領域出發，結合現代科學的先進理論和技術，在煤礦底板突水機理、預測預報和防治等方面取得了豐富的成果。武強等提出了主控指標體系建設方法、脆弱性指數法，繆協興、白海波等提出了隔水關鍵層原理，施龍青提出了“下四帶”理論等。近年來隨著白海波等提出奧陶系灰巖頂部存在隔水層并可作為隔水關鍵層的觀點后，張偉杰、孫亞軍、武強等開展了奧陶系灰巖頂部隔水層的成因理論和隔水性能測試等研究，證實了奧陶系灰巖頂部普遍存在一層相對隔水層，為下組煤層開采安全評價提供了依據。本文以沁水煤田王坡煤礦為例，分析研究奧灰頂部相對隔水層厚度及15#煤層底板突水危險性評價，旨在為安全開采受奧灰巖溶水威脅的15#煤層提供一定的科學依據。

1 礦井概況

王坡煤礦位于太行斷塊沁水塊坳的東翼南段，區域地表水系屬黃河流域沁河水系，區域水文地質單元為延河泉域，主要含水層為中奧陶厚層狀石灰巖，水位標高+527～+533 m。目前主采煤層為二疊系山西組3#煤層，擬配采石炭系太原組15#煤層。

15#煤層位于石炭系太原組下部，標高范圍+290～+490 m，上距3#煤層底板平均87 m，煤層平均厚度3.4 m，屬全區可采的穩定煤層，保有資源儲量1.1億t；下距奧陶系灰巖平均8.89 m，受奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層影響，屬帶壓開采煤層。

2 奧灰頂部巖層相對隔水性及其厚度研究

為探測奧灰峰峰組頂部圍巖是否具有隔水性，以王坡煤礦為研究對象，在井下3#煤層巷道中向奧陶紀地層施工鉆孔，施工至109 m時進入奧陶紀地層，接著在奧陶紀地層中繼續施工至159 m。采用電子窺視法、鉆孔聲波法和呂榮法壓水試驗進行圍巖裂隙發育規律探測，自奧灰頂部開始進行裸孔測試，測試段全長50 m，如圖1所示。

2.1 電子窺視法

本次觀測采用小孔徑測試電子窺視儀，對在鉆窩中的鉆孔進行奧陶系峰峰組頂部鉆孔探測并采集有效數據和圖片。根據現場實際情況對測試段采用不同深度的裸孔測試，全孔觀測。

通過窺視總體上看，峰峰組頂部50 m巖層以灰巖、泥質灰巖和角礫灰巖為主，層狀、厚層狀構造，局部裂隙有發育，多處可見方解石細脈。巖體整體完整性較好，未見斷裂和溶洞。

2.2 聲波測試法

現場采用CLC1000型超聲波圍巖裂隙探測儀，通過巖石鉆孔測出“聲波波速差-孔深”曲線來判定鉆孔圍巖裂隙變化規律。超聲波測試時，鉆孔中充滿水耦合聲波傳播，測量聲波沿孔壁滑行的速度，測點間距為10 cm，用1 m長帶有10 cm刻度值的電纜線垂直送入并控制點距。

圖1 鉆孔結構圖

全程獲取觀測數據測點位為496個。由觀測數據可知，聲波波速差在中下部10 cm測點間的傳播時間明顯減慢，聲波波速也減慢，聲波波速差值較低，結合鉆孔窺視數據可知，測點間存在裂隙發育現象，尤其在128.5～129.5 m存在連續發育的裂隙。但總體而言，聲波波速在全程裸孔測試段沒有出現聲波斷點、數據消失和異常值，說明測試段不存在明顯的構造異常區，如斷層和溶洞等。

2.3 壓水試驗

本次試驗采用呂榮法作為壓水試驗方法，選擇2.5 m作為本次壓水試驗的試段長度，試驗最大壓力P3為1 MPa，其余兩級壓力P1為0.3 MP、P2為0.6 MPa。試驗階段采用三級壓力5個階段進行，逐級升壓至最大壓力，然后按原壓力逐級下降，即P1-P2-P3-P2-P1。累計測試20個循環。試驗段透水率采用第三階段壓力P3和流量Q3按下式計算：

(1)

式中：q——試驗段透水率，Lu；

L——試驗段長度，m；

Q3——第三階段的計算流量，L/min；

P3——第三階段的試驗段壓力，MPa。

計算結果見表1。

表1 壓水試驗各試驗段透水率計算表

根據表1可以看出，峰峰組頂部50 m巖層透水率介于0.39～1.94 Lu之間，說明峰峰組頂部50 m范圍內巖體的滲透性較弱。根據巖土滲透性分級標準，峰峰組頂部50 m范圍內滲透等級為微透水巖體，可起到一定的隔水作用。

2.4 峰峰組頂部相對隔水層厚度的確定

以王坡煤礦安全開采為研究對象，綜合考慮影響峰峰組隔水性能的各種不利因素以及多種不利因素疊加效應，并選取一定的安全儲備系數K作為對峰峰組頂部相對隔水層厚度的調整。

(1)當K取0.8時，認為各種對構成峰峰組隔水性不利的組合因素影響有互相消減的可能，此時計算得出的安全儲備最小安全厚度為62.5 m，取整為63 m。

(2)當K取1.5時，此時安全儲備最小安全厚度為33.3 m，取整為33 m。

(3)當K取2時，考慮各種對構成峰峰組隔水性不利的組合因素可能互相疊加，此時計算得出安全儲備最小安全厚度為25 m。

所以，在取一定的安全儲備系數后，王坡煤礦峰峰組頂部相對隔水層厚度的取值應該在25～63 m之間，結合沁水煤田已做相關研究的龍灣井田為40 m，寺河井田為35 m，成莊井田為40 m，為了安全起見一般考慮相對隔水層的最小厚度為33 m。

3 開采15#煤層奧灰突水危險性評價

3.1 評價方法及分區標準

本次研究采用《煤礦防治水規定》推薦的突水系數法對開采15#煤層奧灰突水危險性進行評價。突水系數法考慮了煤層底板承受的奧灰水壓力和煤層底板隔水層的厚度兩個因素。計算公式為：

(2)

式中：T——突水系數，MPa/m；

P——煤層底板承受水壓，MPa；

M——底板隔水層厚度，m。

就全國實際資料來看，底板受構造破壞段突水系數一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段不大于0.1 MPa/m。本次研究參照該標準，結合山西省防治水分區管理標準，相對分區標準為：

(1)當T≤0.06 MPa/m時，突水威脅性小，屬可采區；

(2)當0.06 MPa/m≤T≤0.1 MPa/m時，突水威脅性中等，屬緩采區；

(3)當T≥0.1 MPa/m時，突水威脅性大，屬禁采區。

3.2 突水危險性分區

選取煤層底板隔水層厚度時分為考慮奧灰峰峰組相對隔水層厚度M1和不考慮奧灰峰峰組相對隔水層厚度M2兩種情況進行計算對比，結果見表2。表2中T1為考慮奧灰峰峰組相對隔水層厚度時的突水系數，T2為未考慮奧灰峰峰組相對隔水層厚度時的突水系數。

根據表2計算結果可以看出，將奧灰峰峰組頂部33 m作為相對隔水層進行計算，王坡煤礦15#煤層突水威脅性小，均屬于可采區；若不考慮奧灰峰峰組頂部相對隔水層的情況下，王坡煤礦15#煤層大部分區域屬突水威脅性大，按照山西省防治水分區管理標準屬禁采區。因此利用奧灰峰峰組頂部作為相對隔水層即可釋放15#煤層全部煤炭資源約1.1億t。未考慮和考慮奧灰頂部相對隔水層15#煤層突水危險性分區對比如圖2所示。

表2 15#煤層底板突水系數計算基礎數據表

孔號奧灰水位標高/m底板隔水層厚度M1/m底板隔水層厚度M2/m底板標高/m隔水層底板承受水壓P/MPa突水系數T1/MPa·m-1突水系數T2/MPa·m-1ZK0-352740.477.47382.711.440.0360.193ZK0-452736.583.58350.811.760.0480.492ZK0-552739.266.26310.782.160.0550.345ZK0-652744.1111.11319.552.070.0470.187ZK1-552839.986.98482.020.460.0120.066ZK1-652841.268.26375.351.530.0370.185ZK1-752842.199.19309.102.190.0520.238ZK2-752943.2610.26467.420.620.0140.060ZK2-852942.669.66472.240.570.0130.059ZK2-952940.527.52420.751.080.0270.144ZK2-1152946.4513.45332.831.960.0420.146ZK3-752941.988.98498.240.310.0070.034ZK3-852940.437.43454.380.750.0180.100ZK3-952940.487.48417.221.120.0280.149ZK3-1052940.937.93365.231.640.0400.207ZK4-353059.2426.24430.790.990.0170.038ZK4-453038.985.98417.691.120.0290.188ZK4-553142.719.71427.981.030.0240.106ZK4-653147.1214.12322.132.090.0440.148ZK5-253140.087.08490.690.400.0100.057ZK5-353242.437.43482.810.490.0120.066

圖2 未考慮和考慮奧灰頂部相對隔水層15#煤層突水危險性分區對比示意圖

4 結論

(1)采用電子窺視法、鉆孔聲波法和呂榮法壓水試驗進行峰峰組頂部50 m范圍內圍巖裂隙發育規律探測，進一步驗證了華北型煤田奧灰頂部存在隔水層的觀點，為王坡煤礦15#煤層開采防治水工作提供了科學依據。

(2)經過對王坡煤礦開采15#煤層突水危險性評價對比，將奧陶系頂部劃分為相對隔水層，使緩采區和禁采區轉換為可采區，從而釋放15#煤層煤炭資源1.1億t。

(3)認識到峰峰組富水性弱，頂部巖層可作為相對隔水層的同時，應重視煤層底板隔水層薄弱帶的防范與治理，主要防范區域為斷層、陷落柱、裂隙密集發育區。對峰峰組阻水能力的利用應建立在對薄弱帶的改造基礎上。