澄合礦區引起5號煤層底板突水因素分析

郭春鋒

陜西省一三九煤田地質水文地質有限公司 陜西 渭南 714000

渭北煤田澄合礦區煤炭開采受煤層底板水害影響較大，尤其是主采5號煤層受底板奧灰水影響較大。近年來，澄合礦區逐步進入深部開采階段，礦區深部地質條件及地質構造等比較復雜。根據澄合礦區近年來多個礦井實際開采情況可知，礦井隨著煤炭開采強度的增大，多數礦井主采5號煤層基本都處于帶壓開采狀態，受煤層底板水危害影響較大，尤其是受底板奧灰水危害和影響日益嚴重。本次通過對引起煤層底板突水因素的分析，特別是對煤層底板奧灰巖溶水的突水因素分析，并提出帶壓開采對奧灰水的防治措施，為礦區煤礦安全開采提供借鑒和參考。

一、礦區地理概況

澄合礦區處于祁呂賀“山”字型構造前弧東翼內側，與新華夏系第三沉降帶—鄂爾多斯盆地東南緣復合部位中段，基本構造形態為一向北傾斜的單斜構造。礦區地貌以黃土塬為主體，黃龍山東西橫亙于北部區外，西為洛河，東臨黃河，地勢北高南低，地表坡降9～12‰，地面標高為850～670m，黃河漫灘最低為350m。區內溝谷發育，下切深達100～150m，兩側沖溝密布，交匯成樹枝狀，橫截面呈“V”型，溝壁陡峭，構成錯綜復雜的黃土臺塬、溝壑地貌形態。

二、礦區水文地質特征

礦區地表基本被第四系松散層掩蓋，屬掩蓋至半掩蓋區，僅在溝谷有基巖裸露。地下水運移受區域地下水的控制，顯示一定的成層性特征。區內含水地層，按其巖性及充水空間性質不同，可劃分為孔隙裂隙潛水、基巖裂隙水含水層及巖溶水含水層三種類型。

1、孔隙裂隙水

孔隙裂隙水主要儲存于第三、四系(Q～N)底部半膠結的粉砂，細至粗砂及砂礫巖層中。含水層厚度變化較大，由數米至數十米不等，一般厚3～63m。據鉆孔抽水資料:單位涌水量一般為0.01～0.10L/s.m，滲透系數0.0073～1.55m/d。局部地段水量較大，如東王村的第三系上新統砂巖，單位涌水量一般為0.63L/s.m，滲透系數2.41m/d。泉水流量一般不超過1L/s。水質主要為HCO3－Na·Mg型，礦化度0.3～0.8g/L。水力大多具承壓性質，一般屬富水性弱的含水層組。

2、裂隙水

裂隙水主要賦存于下三疊統至下二疊統細至粗粒砂巖中。裂隙的發育程度與地層、構造及巖性組合有密切聯系。一般在上部地層和基巖風化帶以及構造、斷裂位置附近，裂隙發育較普遍，且多張口性，富水性也較強。下部隨著地層的不斷延深，裂隙發育程度逐漸變差，且大多閉合，富水性亦隨之逐步轉弱。由于各含水層之間均有厚度較大的砂質泥巖、粉砂巖和泥巖組成隔水性能良好的相對隔水層，故一般均無直接水力聯系。

3、巖溶水

礦區內揭露的巖溶水，主要賦存于上石炭統太原組及中下奧陶統峰峰組，巖溶類型以古巖溶、空溶洞以及溶蝕裂隙為主。古巖溶充填程度較完全，空溶洞主要分布于奧灰區域水位高程以上，溶蝕裂隙在空間的分布規律受地質構造所控制。

三、地下水補、徑、排條件

礦區地下水主要接受大氣降水和區外側向徑流的補給，其補給形式主要是通過地表露頭和具孔隙性的疏松黃土層，分別以直接或間接的方式滲入補給基巖地下水。區內潛水總的徑流方向由北向南排泄于區外。在徑流途中部分以下降泉形式泄于地表較大的溝谷中匯流成河，部分則下滲補給基巖地下水；基巖裂隙水以順層運動為主，受區內北東及北東東向構造裂隙控制，徑流條件差，其排泄方式，部分裂隙水向南運動排泄于區外，部分通過斷裂帶向下伏奧灰排泄，另一部分則以下降泉的形式泄于地表較大的溝谷中匯流成河。

奧灰巖溶裂隙水補給主要為區外徑流補給，其次為上部孔隙水以及基巖裂隙水下滲補給以及礦區以南較大河谷零星出露的奧灰接受大氣降水和河水的滲漏補給。奧灰巖溶水的徑流方向總的趨勢由北向南，徑流條件較好。其排泄方式主要以上升泉群為排泄口。

四、礦井充水強度分析

礦井充水強度主要決定于煤層頂底板含水層的富水性、厚度及導水裂隙溝通各含水層的程度、采煤方式和開采強度等因素。

1、煤層頂板

開采煤層導水裂隙帶能夠波及的煤層頂板上覆的砂巖裂隙水，隨著工作面回采形成的導水裂隙帶與砂巖含水層導通，通過導水裂隙帶進入采掘空間。一般情況下，澄合礦區煤層頂板涌水是工作面開采正常涌水量的主要組成部分，砂巖含水層因地下水徑流條件差，其富水性、透水性都不強，加上回采對頂板含水層疏放強度較大，長期疏放使其含水層靜儲量消耗殆盡處于疏干狀態。

2、煤層底板

澄合礦區，煤層底板太原組K2灰巖和石英砂巖一般屬礦井直接充水含水層，其水量稍大，充水強度稍強，由于太原組下部隔水巖層不穩定，該含水層與富水性強的奧灰巖溶水發生水力聯系時，極有可能造成礦井底鼓突水，礦井充水量將急劇增大，礦井生產中應引起足夠重視。

3、奧灰巖溶水

渭北煤田澄合礦區煤系沉積基底奧陶系灰巖，含水空間以溶蝕裂隙為主，富水性強且具有明顯的不均一性，巖溶水連通性良好，具有區域性的水位標高＋370.00m，水頭壓力大，區內多數煤礦主要可采5號煤層處于＋370.00 m以下，由于太原組下部巖層隔水性能不穩定，奧灰水將對煤層開采造成很大威脅。澄合礦區生產礦井董家河礦、澄合二礦、權家河礦、王村煤礦等，在開采水平低于奧灰區域水位標高＋370.00m時，均不同程度受到了奧灰水的侵害。

五、引起5號煤層底板突水的因素分析

1、水壓:位于煤層底板下部的奧灰巖溶承壓含水層，是造成底板突水的主要源泉。其水頭壓力大，承壓水在水壓力的作用下不斷侵蝕、沖刷底板隔水層，滲透至上覆隔水層的構造裂隙中，降低隔水層的完整性，減弱巖體的抵抗強度，并擴大隔水層內部的裂隙，最終形成突水通道。

2、含水層的富水性:煤層底板下的巖溶承壓含水層突入工作面的機會與巖溶的發育程度及富水性有密切關系。區內奧灰巖溶水富水性強且具有明顯的不均一性，當底板奧灰巖溶水富水性較好時，由底板造成的突水性就大，而且突水量也比較大。

3、底板采動破壞深度:煤層采掘前，奧灰水的靜壓力始終與上覆巖層的自重力處于一種自然地平衡狀態，煤層的采掘破壞了這種平衡就有可能導致突水。由于采動壓力的影響，使得煤層底板產生新的裂隙，減小了隔水層的有效厚度，降低了隔水性能，局部可失去阻水性。

4、有效隔水層的厚度及巖性組合:澄合礦區5號煤層一般為各礦井的主采煤層，視5號煤底板至奧陶系為隔水層段，礦區內一般厚度10－80m左右，平均20－40m左右。從5號煤底板至奧灰頂面隔水層來看，雖然厚度變化較大，但隔水層巖性為鋁質泥巖、石英砂巖、粉砂巖及砂質泥巖。該巖性組合軟硬相間，交替疊加，而且上部為堅硬的石英砂巖、粉砂巖，具有較高的抗壓強度，下部為鋁質泥巖、砂質泥巖等軟巖層，雖然抗壓強度較低但具良好的隔水性能，成為帶壓采煤的有利條件。

5、地質構造:奧灰巖溶類型在空間上的分布規律，受地質構造所控制。在構造裂隙發育地段，為奧灰水蓄集的空間、運移的通道、富集的場所。因構造帶抗水壓性能遠小于完整巖層，礦井開采時的采動壓力對底板的破壞大于正常巖層，且斷裂構造縮短了煤層與對盤含水層之間的距離，當斷層切割奧灰含水層時，有可能導致煤層與含水層對接或距離縮短，從而使隔水層的有效厚度減小。以上種種綜合作用就導致奧灰水將在斷裂帶附近形成突破口，涌入礦坑。

6、采煤方法:不同的采煤方法對工作面底板突水與否起著擬制作用。當煤層厚度比較大時，可以采用分層開采，從而減輕采動礦壓對工作面底板的破壞程度，有利于擬制底板突水的發生；同理，采用短壁工作面開采、條帶開采或充填采空區開采，也是可以擬制或減少底板突水事故的有效措施。

六、帶壓開采對奧灰水的防治措施

1、以防為主:在開采受奧灰水威脅的煤層時，在采掘過程中即使采取一系列防止突水的安全措施，也難以完全杜絕奧灰水的突水事故，因此無論采用何種方法采煤都必須有可靠的防排水設施。

2、利用隔水底板:充分利用煤層底板與奧灰之間隔水巖層所能承受的奧灰水壓進行采掘活動，優化工作面布置與開采工藝，減小底板采動破壞深度。

3、限壓開采:按規程規定及以往開采經驗，在地層較完整塊段突水系數可取到0.1 MPa∕m以下，受構造破壞區段，突水系數控制在0.06 MPa∕m以下。

4、局部堵排:對采掘活動中的局部出水，進行封閉堵塞。對已探明的有突水危險的構造帶、導水斷層進行注漿堵水，對有突水危險的底板，帶壓開采前進行底板注漿加固。

5、超前物探:采掘工作面采用三維地震勘探、超前鉆探、瞬變電磁法等方法，對斷層、異常構造帶、工作面底板富水有一個全局的把握，必要時進行注漿堵水，形成有效的隔水層。

6、加強觀測:通過建立和完善水文地質觀測系統，及時掌握地下水動態變化規律，從而快速判斷井下突水的水源，為水害治理方案提供科學依據。

結束語

澄合礦區煤層頂板裂隙水一般情況下對礦井生產影響不大。但煤層底板水，尤其是底板突水對礦井生產及危害較大，澄合礦區奧灰巖溶水富水性強，且富水性不均一，礦井開采過程中必須重點進行防治，以免某些人為因素導致奧灰巖溶水潰入礦井，對礦井生產和安全帶來嚴重影響和危害。