華融龍宮煤礦奧灰帶壓開采安全評價及防治水措施
2021-02-12 06:28:24張士全
煤炭與化工 2021年12期
張士全
（中國煤炭地質總局 第一勘探局地質勘查院，河北 邯鄲 056004）
0 引言
華融龍宮煤礦水患主要為井田內采空區積水（老窯水）和周邊煤礦采空區積水、煤層底板奧灰巖溶水以及地表水、松散巖類孔隙水和基巖風化帶裂隙水，其中奧灰巖溶水是該礦主要的安全隱患。為科學評價奧灰水患，制定針對性水害防治措施，全面提高礦井防治水工作水平和水害治理能力，本文結合已有水文地質資料，對華融龍宮煤礦奧灰水文地質條件分析與評價，為礦井開展防治水工作提供技術依據。
1 概況
華融龍宮煤礦位于忻州市原平市軒崗鎮龍宮村，生產規模為90 萬t/a，井田面積為9.242 7 km2，煤礦于2010 年10 月建井，2014 年12 月正式投產，主采2 號、5 號煤層。
2 礦井水文地質特征
華融龍宮煤礦地勢整體東北部高、西南部低，地層總體上為向北西傾伏的單斜構造，依據該區地層發育狀況及水文地質特征，可將該區含水層劃分為新生界第四系砂礫石含水層、石炭系二疊系含水層、石炭系太原組碎屑巖類夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層、奧陶系碳酸鹽巖溶裂隙含水層。由于該礦井西部奧灰帶壓開采，在構造導水地段煤層底板受奧灰突水影響較大，因此重點分析對煤層開采有影響的奧陶系碳酸鹽巖溶裂隙含水層。
2.1 奧灰含水層巖性及富水性特征
井田奧灰含水層為隱伏承壓含水層，總厚約600 m，奧灰頂面埋藏深度為100～600 m，埋藏標高為+750—+1 350 m。據相鄰軒崗礦區資料，結合該礦LG21、LG122 水文鉆孔和在井下施工的7 個奧灰探水鉆孔，揭露了該礦奧灰含水層特征，主要含水層為上馬家溝組三段（O2s3)和峰峰組二段（O2f2)。
O2f2 含水層平均厚度43.50 m，巖性上部為灰巖、泥質灰巖互層，巖溶裂隙發育不均，下部為豹皮灰巖、灰巖和白云巖互層，裂隙、溶洞呈層狀發育，直接與煤系地層接觸，是威脅礦井生產安全的主要水患。
O2s3 含水層平均厚69 m，巖性以中厚層狀灰巖為主，間夾泥質白云巖、豹皮灰巖，裂隙巖溶特別發育，多成層分布，滲透性強。
從地面水文鉆孔和井下奧灰探水鉆孔抽水試驗成果可知（表1～表2），1030 聯絡巷水井、LG21孔、25101 回風順槽平巷奧觀1 孔，富水性中等，其余鉆孔富水性均為弱，顯示富水性的不均一性和控水因素較復雜特點。
表1 地面水文鉆孔抽水試驗成果表Table 1 Results table of surface hydrological drilling hole pumping test
水化學類型以HCO3·SO4-Ca·Mg 為主，礦化度0.359～0.603 g/L，與馬圈泉水化學類型基本相同，但礦化度較馬圈泉0.355～0.435 g/L 略高，顯示該井田存在煤系砂巖水補給或地下水滯流特征。
2.2 奧灰水位特征
目前礦井有4 個奧灰水文長觀孔，主要分布在1030 大巷及西翼，水井、25101-奧觀1、奧觀2、奧觀3 四個鉆孔，奧灰水位觀測值分別為+1 142、+1 140、+1 136、+1 136 m。由于受該礦及鄰近礦井開采抽放水影響，奧灰水水位呈下降趨勢，水井奧灰水位標高由原來的+1 168 m 降到+1 142 m。結合區域奧灰水水位資料及以往水文鉆孔LG122水位，確定井田內奧灰水流向總體為自北東向南偏西方向徑流，略具逆置式特點，與馬圈泉排泄區特點接近，地下水水力坡度1.5‰左右，井田內奧灰水水位標高在+1 136—+1 142 m。
2.3 奧灰巖溶發育特征
各奧灰觀測孔鉆進奧灰頂界面時水量平均0.1 m3/h，水量較小，富水性弱，在鉆進到奧灰頂界面以下一定深度時水量有一定量的增加，說明巖溶開始發育，根據各奧灰觀測孔揭露情況，巖溶裂隙初始發育深度為11.9～40 m，平均26.13 m（表2），以上數據說明由于沉積間斷后的充填作用，該井田奧灰頂部普遍存在一定厚度的隔水層，增加了煤層底板隔水層厚度，有利于煤礦安全帶壓回采。
表2 奧灰含水層巖溶發育數據統計Table 2 Data statistical table of Ordovician limestone aquifer karst development
3 奧灰突水主要影響因素分析
3.1 隱伏斷層和陷落柱
根據對國內底板突水案例的研究，斷層、褶皺和巖溶陷落柱是與底板突水相關性較大的地質構造類型，其中斷層及陷落柱在底板突水中占有較大比例。
井田內斷裂構造比較發育，多為走向NE，傾向NW 的正斷層，發育大小斷層21 條，均為有次序的平行排列，落差5～35 m，查明陷落柱3 個{（D）X1、（D）X2、（D）X3}，主要分布在井田中部，陷落柱的平面形態為橢圓或近似圓形。礦井采掘2 號煤揭露斷層和陷落柱時，未發現導水現象，隨著采動面積的增大，地應力重新分布等因素的影響，奧灰水在構造的薄弱部位導水的可能性增大，可能發生突水事件，故導水斷層和隱伏陷落柱是礦井突水的重要隱患。
3.2 隔水層巖性、厚度
對煤層底板突水起主要抑制作用的是底板隔水層，而底板隔水層的巖性組合、厚度等是影響其隔水能力的主要指標。厚度越大則阻水能力越強，厚度的增加不僅提高了隔水層的力學性能，還使得隔水層被完全破壞的概率降低。實際上隔水層只由一種巖性組成的可能性非常小，通常都是由多種巖性組成的，而不同巖性的力學強度及阻水能力是不同的，強度較大的脆性巖抗壓能力強、強度較小但塑性大的塑性巖的抗滲能力強。
井田內2 號煤層底板隔水層厚度88.17～98.74 m，5 號煤層底板隔水層厚度44.1～73.7 m（表3）。
表3 2 號煤、5 號煤底板至奧灰頂隔水層厚度統計Table 3 Thickness statistical table of aquifuge from No.2 and No.5 coal floor to Ordovician limestone roof
其巖性組合為泥巖、鋁土質泥巖、砂質泥巖、砂巖及煤層，屬軟、硬巖互層類型隔水層，泥巖、砂質泥巖等泥質軟巖類占了73.96%，砂巖及石灰巖等硬巖類占了26.04%，泥巖成份以泥質為主，微含砂質及碎屑物，構成了不透水的良好隔水層；砂巖及薄層灰巖結構致密、堅硬、強度高，裂隙不發育，構成了基本不透水的隔水層；這種含、隔水層相互疊置組成的地層結構，有效地限制了砂巖與薄層灰巖的垂直裂隙發育，對提高底板的抗壓強度及隔水能力最為有利，在不受地質構造破壞及構造裂隙溝通的情況下，具有很好的隔水性能及抗奧灰水突水能力。
3.3 奧灰水壓和富水性
奧灰含水層的富水性及水壓是影響底板突水控制作用最重要的兩個因素。富水性的強弱決定了突水后涌入礦井水量的大小及時間，底板隔水層在強大水壓的作用下，通常使得已有的的裂隙發生擴展，甚至形成新的裂隙，使得底板巖體的完整性進一步遭到破壞，地下水在強大壓力的作用下沿裂隙或者其它軟弱結構面向上浸入底板隔水層，隨著地下水勢能的減少，在能量守恒的前提下，勢能轉化為動能，為底板突水提供動力源。
根據區內鉆孔水位觀測結果，結合區域水位資料，確定井田內奧灰水水位標高為+1 136—+1 142 m。該礦奧灰主要含水層有上馬家溝組三段（O2s3)和峰峰組二段（O2f2)，單位涌水量0.0126～0.892 L/S·m，富水性弱—中等，富水性不均一，不排除局部地段存在富水性強區域，礦井在帶壓區生產中應引起特別重視。
4 煤層奧灰帶壓開采評價
目前評價底板水害威脅程度最常用的方法為突水系數法，該方法是基于實例統計，采用突水概率統計方法將隔水層厚度及底板承受水壓作為評價指標的方法，較適用于完整地段帶壓開采安全性評價?；诰? 號、5 號煤層隔水層厚度總體穩定、局部裂隙發育的特征，在底板突水危險性評價中運用突水系數法進行評價。
4.1 突水系數的計算
采用以下公式計算2 號、5 號煤層奧灰水突水系數。
式中：T 為突水系數，MPa/m；P 為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa；M 為底板隔水層厚度，m。
計算式（1）中參數P 與M 確定說明：
P：與奧灰水頭直接有關，此次采用目前4 個井下觀測孔中最大水位標高+1 142 m（水井觀測值）。
M：5 號煤至奧灰隔水層厚度采用表3 隔水層厚度最小值為44.10 m；2 號煤層至奧灰隔水層厚度采用95.90 m。
突水系數法進行底板突水危險性預測預報的關鍵，在于確定臨界突水系數TS，可定義為每米隔水層厚度所承受的最大水壓值。若T
4.2 帶壓開采分區
井田內奧灰水水位標高在+1 136—+1 142 m，2 號煤層底板標高為800—1 520 m，5 號煤層底板標高為720—1 460 m，2、5 號煤層在井田西部存在奧灰帶壓。
根據礦區斷裂構造發育特征，該礦構造屬中等類型。依據《煤礦防治水細則》附錄五中“底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06 MPa/m，隔水層完整無斷裂構造破壞的地段不大于0.1 MPa/m”的規定，此次帶壓區分區劃分原則為：T<0.06 MPa/m 時，發生突水的可能性較小，劃分為帶壓非突水危險區；0.06
經計算：
T=0.06 時，2 號煤臨界標高+645.24 m；5 號煤臨界標高+913.56 m。
T=0.10 時，2 號煤臨界標高+250.13 m；5 號煤臨界標高+731.87 m。
井田內2 號煤層最低底板標高為+800 m，其最大突水系數TS=0.044 7 MPa/m，小于0.06 MPa/m，因此2 號煤層帶壓開采劃分為2 個區，帶壓非突水危險區（2 號煤層標高+800—+1 142 m）和無帶壓區（2 號煤層標高大于+1 142 m）。
井田內5 號煤層最低底板標高為+720 m，其最大突水系數TS=0.103 6 MPa/m，大于0.1 MPa/m；因此5 號煤層帶壓開采劃分為4 個區，帶壓突水危險區（5 號煤層標高在+731.87 m 以下）；帶壓突水威脅區（5 號煤層標高+731.87—+913.56 m）；帶壓非突水危險區（5 號煤層標高+913.56—+1 142 m）；無帶壓區（5 號煤層標高+1 142 m 以上）。
2 號、5 號煤層帶壓分區圖分別如圖1、圖2所示。正常開采情況下奧灰水對2 號煤層的開采影響不大，可以實現2 號煤層的安全開采；奧灰水對5 號煤層開采存在一定的隱患，特別是5 號煤層西北角突水系數大于0.1 MPa/m，突水危險性大。
圖1 2 號煤層奧灰水帶壓分區圖Fig.1 Ordovician limestone water zoning diagram under pressure in No.2 coal seam
圖2 5 號煤層奧灰水帶壓分區圖Fig.2 Ordovician limestone water zoning diagram under pressure in No.5 coal seam
5 防治水措施
（1）該井田斷層、陷落柱較發育，所以在采掘過程中，必須采取必要的措施，給斷層、陷落柱留設足夠的防水煤柱，并按“預測預報、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則組織生產，防止突水事故發生。
（2）加強和完善礦井地下水監測系統，留設奧灰長觀孔，對奧灰水實施動態監測。
（3）利用物探、鉆探等綜合探查手段，查清井田內現有斷層、陷落柱等構造的導水性和富水性，按照《煤礦防治水細則》附錄六留設防隔水煤柱，必要時采取注漿方法封堵加固等防治措施，并采用注漿、物探與鉆探等方法對注漿改造效果進行驗證、檢查和評價。
（4）采取優化開采設計，控制工作面規模，調整工作面布置，改變頂板控制方法，協調開采順序，控制采高等措施，以減輕開采對底板隔水層的破壞。開展底板破壞深度探測，對底板薄弱帶進行預注漿加固。
（5）在帶壓區內，要時刻注意工作面情況、涌水量變化、奧灰水位變化，一旦發現異常情況，必須立即采取相應的防治水措施。
6 結論
通過分析華融龍宮煤礦奧灰水文地質條件及評價奧灰帶壓開采后得出如下結論。
（1）2 號、5 號煤層均在井田西部存在奧灰帶壓。正常開采情況下奧灰水對2 號煤層的開采影響不大，可以實現2 號煤層的安全開采。
（2）5 號煤層存在T＞0.06 MPa/m 的區域，奧灰水對5 號煤層開采存在一定的隱患，尤其是突水系數大于0.1 MPa/m 的西北區域，突水危險性大，開采過程中須引起重視。要實現5 號煤層的帶壓安全開采，應采取疏水降壓、預注漿加固等手段，但在構造發育地段還應加強隱伏構造探測治理工作。
