準(zhǔn)格爾煤田龍王溝煤礦特厚煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

李延輝

（鄂爾多斯市國源礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010399）

煤炭開采受復(fù)雜地質(zhì)、水文條件的制約，礦井水害一直是嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)及國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大因素[1-3]。龍王溝煤礦屬晚古生代石炭二疊紀(jì)煤田，煤層平均厚度較大，構(gòu)造發(fā)育，水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜[4]，礦井在開采時(shí)主要受底板奧灰水的威脅。通過突水系數(shù)法及多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)法的疊加分析方法對(duì)6#煤底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合考慮了水壓、巖層力學(xué)特征等重要因素，可以快速有效地對(duì)底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，豐富底板突水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)和方法。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

龍王溝煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東部，準(zhǔn)噶爾石炭二疊系煤田中西偏北部，行政區(qū)劃屬準(zhǔn)噶爾旗薛家灣鎮(zhèn)管轄。井田主要的含煤地層為石炭系太原組（C3t），主采煤層為6#煤，煤層厚度大，最大可采煤厚約26 m[5]。

井田主采煤層6#煤頂板巖性主要為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，底板主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖。井田內(nèi)主要構(gòu)造為一單斜構(gòu)造，位于西黃家梁背斜西北翼。斷裂構(gòu)造在井田內(nèi)較為發(fā)育，均為NNE走向的正斷層。

主要含水層可以分為碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組及第四系松散巖類孔隙含水巖組。

2 底板危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法

評(píng)價(jià)區(qū)奧灰?guī)r溶水最低水位標(biāo)高+878 m 左右，主采煤層6#煤層可采范圍底板標(biāo)高+645～ +906 m，大部處于巖溶水位以下，東部小部分區(qū)域?yàn)闊o壓區(qū)。本次評(píng)價(jià)采用突水系數(shù)法及多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)法兩種方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 突水系數(shù)法

突水系數(shù)是指單位厚度隔水層所能承受的極限水壓，用于表征礦井水害的危險(xiǎn)程度。該方法較為簡(jiǎn)單，綜合考慮了水壓、隔水層厚度等基本要素，通過多年的使用和改進(jìn)，具有較為廣泛的適用性。本次以《煤礦防治水細(xì)則》（2018）為標(biāo)準(zhǔn)，突水系數(shù)法計(jì)算公式如下：

式中：T為突水系數(shù)，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。

水壓計(jì)算公式為：

式中：P為煤層底板承受的水壓，MPa；M為煤層底板至十四灰、奧灰頂界面的距離，m；H為含水層的采用水位，m；X為6#煤層底板標(biāo)高，m。

依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》中關(guān)于臨界值的規(guī)定，底板隔水層正常地段突水系數(shù)臨界值為0.1 MPa/m，構(gòu)造破裂地段突水系數(shù)臨界值一般為0.06 MPa/m，如果受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)大于0.06 MPa/m 則有突水威脅。

2.2 多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)法

（1）計(jì)算方法

該方法基于力學(xué)的角度，對(duì)隔水層底板軟、硬巖的組合及單、多層抗壓強(qiáng)度進(jìn)行突出考慮，綜合考慮了巖石力學(xué)特性對(duì)突水的影響。多層疊加抗壓強(qiáng)度比值是指水壓與底板總抗壓強(qiáng)度的比值，當(dāng)結(jié)果大于1 時(shí)，即水壓比底板總體抗壓強(qiáng)度要大時(shí)，奧灰危險(xiǎn)性就大。其計(jì)算公式如下：

式中：Rjs為底板多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)；Mi為底板巖層組合中各分層的厚度，m；Ki為底板巖層組合中各分層的抗壓強(qiáng)度，MPa/m；i為層數(shù)；P為煤層底板承受水壓，MPa。

（2）參數(shù)確定

① 巖層抗壓強(qiáng)度（K）

基于煤炭部門在山東、河北、河南等礦區(qū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，參照地礦部水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所發(fā)表的《中國固體礦床的水文地質(zhì)特征與勘探評(píng)價(jià)方法》，對(duì)不同巖層每米抗壓強(qiáng)度取得實(shí)測(cè)值如下：

類型Ⅰ：主要巖層代表為砂巖，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值為0.10 MPa/m；

類型Ⅱ：主要巖層代表為砂質(zhì)頁巖，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值為0.07 MPa/m；

類型Ⅲ：主要巖層代表為鋁質(zhì)頁巖，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值為0.05 MPa/m；

類型Ⅳ：主要巖層代表為斷裂帶，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值為0.035 MPa/m。

② 巖性力學(xué)分層及抗壓強(qiáng)度

基于測(cè)井、鉆探、巖石力學(xué)等試驗(yàn)測(cè)試資料，底板巖層可以綜合劃分為以下四類：各類砂巖及灰?guī)r（Ⅰ類），砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等（Ⅱ類），砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等（Ⅲ類）及斷層破碎帶（Ⅳ類），底板總體抗壓強(qiáng)度通過各分層巖石類型的抗壓強(qiáng)度及厚度計(jì)算得出。

3 研究區(qū)突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

3.1 突水系數(shù)法

基于實(shí)際的鉆孔數(shù)據(jù)，通過突水系數(shù)計(jì)算公式（1）、（2），計(jì)算得研究區(qū)各控制鉆孔6#煤底板的奧灰突水系數(shù)（其中西南角為6#煤層底板標(biāo)高最低處644.83 m，奧灰水位標(biāo)高為879.500 m），見表1。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用GMS 繪制出研究區(qū)可采范圍內(nèi)的突水系數(shù)等值線圖如圖1。

圖1 6#煤可采范圍內(nèi)奧灰突水系數(shù)等值線圖

井田6#煤層開采方式為帶壓開采，據(jù)突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果及等值線圖可知，井田最東部鉆孔煤層底板高于奧灰水位，為無壓區(qū)（Ⅰ）；井田中部及西部6#煤層奧灰突水系數(shù)絕大部分小于受構(gòu)造破壞地段的臨界突水系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值0.06 MPa/m，劃分為安全區(qū)（Ⅱ）；研究區(qū)只在觀6#鉆孔附近突水系數(shù)為0.067，略大于臨界值但小于0.1 MPa/m，劃分為過渡區(qū)（Ⅲ）。

3.2 多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)法

采用多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)法計(jì)算公式（3），分別計(jì)算得出各控制鉆孔6#煤底板抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)，見表1。

表1 6#煤底板奧灰突水評(píng)價(jià)指標(biāo)值

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用GMS 繪制出研究區(qū)可采范圍內(nèi)的底板多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)等值線圖如圖2。

圖2 6#煤底板多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)等值線圖

經(jīng)過對(duì)6#煤底板多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)計(jì)算，礦區(qū)內(nèi)東部不帶壓，向西部逐漸變大，但比值均小于1，因此全區(qū)均為安全區(qū)。

無壓區(qū)（Ⅰ區(qū)）：6#煤層底板多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)Rjs=0，主要分布在區(qū)內(nèi)東部，為無壓區(qū)，分布面積為10.79 km2。

安全區(qū)（Ⅱ區(qū)）：6#煤層底板多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)0 ＜Rjs＜1，主要分布在區(qū)內(nèi)東部，為安全區(qū)，分布面積為42.27 km2。

3.3 綜合評(píng)價(jià)

將突水系數(shù)等值線圖與多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)等值線圖進(jìn)行對(duì)比疊加，效果如圖3。

圖3 6#煤底板突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖

無壓區(qū)（Ⅰ區(qū)）：兩種方法計(jì)算均為無壓的區(qū)域；安全區(qū)（Ⅱ區(qū)）：任一種方法計(jì)算為安全的區(qū)域；

過渡區(qū)（Ⅲ區(qū)）：突水系數(shù)法計(jì)算為過渡區(qū)的區(qū)域。

4 結(jié)論

（1）龍王溝煤礦主采煤層6#煤頂板巖性主要為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，底板主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖，6#煤所在地層富水性較弱，主要受奧灰突水威脅。

（2）采用突水系數(shù)法對(duì)研究區(qū)突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)得，研究區(qū)東部為無壓區(qū)，中部及西北部為安全區(qū)，僅西南部突水系數(shù)大于0.06 定為過渡區(qū)；采用多層疊加抗壓強(qiáng)度比值系數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)得，研究區(qū)東部為無壓區(qū)，其余地區(qū)為安全區(qū)。

（3）通過突水系數(shù)法與比值系數(shù)法進(jìn)行疊加綜合評(píng)價(jià)得，研究區(qū)東部為無壓區(qū)，中部及西北部為安全區(qū)，西南部為過渡區(qū)。綜合評(píng)價(jià)所得結(jié)果與突水系數(shù)法所得結(jié)果更為接近，煤礦開采時(shí)應(yīng)對(duì)過渡區(qū)進(jìn)行物探分析，探明該區(qū)域構(gòu)造破壞情況，以保證礦井的生產(chǎn)安全。