郭慧蓉

(山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局，山西 太原 030045)

1 前言

霍州煤電集團(tuán)興盛園煤業(yè)有限責(zé)任公司井田內(nèi)奧灰水水位標(biāo)高在530m左右，井田內(nèi)1號(hào)、2號(hào)煤層大部分帶壓，10號(hào)、11號(hào)煤層全區(qū)帶壓。同時(shí)，1號(hào)、2號(hào)煤層大部分又承受太灰水帶壓?jiǎn)栴}。而井田斷裂構(gòu)造發(fā)育，為礦井突水提供了潛在的突水通道，對(duì)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成了一定威脅。對(duì)井田突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)尤為重要。

2 項(xiàng)目概況

霍州煤電集團(tuán)興盛園煤業(yè)有限責(zé)任公司井田位于霍州市什林鎮(zhèn)，由山西梨樹(shù)園煤業(yè)有限公司、山西霍州義桂煤業(yè)有限責(zé)任公司、山西霍州靖達(dá)煤業(yè)有限公司整合而成，生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t/a，批準(zhǔn)開(kāi)采1號(hào)～11號(hào)煤層。整個(gè)井田構(gòu)造由一寬緩的褶曲和數(shù)條正斷層所控制，地層走向以北東向?yàn)橹?，地層傾角較小，3°～8°左右，斷層附近局部達(dá)14°左右。北部邊界受什林大斷層影響傾角較陡，區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要由3個(gè)褶曲和14條斷層控制，局部發(fā)育有沖刷無(wú)煤帶。井田內(nèi)可采煤層為山西組1號(hào)、2號(hào)煤層和太原組10號(hào)、11號(hào)煤層。

3 突水影響因素分析

煤層底板太灰水或奧灰水是否發(fā)生突水，直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)。影響其突水性的因素主要有：①底板隔水層巖性組合特征；②底板隔水層厚度；③底板斷層發(fā)育程度；④底板水壓分布；⑤含水層富水性及巖溶發(fā)育程度等。

3.1 底板隔水層巖性組合特征

底板隔水層巖性組合直接關(guān)系著隔水底板抗壓強(qiáng)度及隔水能力。本井田隔水層巖層組合以泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土巖、粉砂巖為主，其次為細(xì)、中、粗粒砂巖。軟質(zhì)巖類與硬質(zhì)巖類呈現(xiàn)互層狀疊置組合特征，這種軟、硬巖互層狀的地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)提高底板的抗壓強(qiáng)度及隔水能力比較有利。

井田內(nèi)XK3號(hào)和XK4號(hào)鉆孔采取巖石力學(xué)測(cè)試，砂巖類飽和抗壓強(qiáng)度在50.7～86.3MPa之間，平均60.3MPa；灰?guī)r飽和抗壓強(qiáng)度在81.2～88.0MPa之間，平均84.4MPa；泥巖類飽和抗壓強(qiáng)度在6.8～61.2MPa之間，平均27.4MPa?？梢?jiàn)泥巖類抗壓強(qiáng)度較小，而砂巖及灰?guī)r抗壓強(qiáng)度較大。

3.2 底板隔水層厚度

底板隔水層的薄厚是抵御底板突水的關(guān)鍵因素。一般而言，隔水層厚度大，底板抵御突水能力較強(qiáng)。反之，底板抵御突水能力差。依據(jù)本井田鉆孔勘探資料，對(duì)井田上組煤(1號(hào)、2號(hào)煤層)底板相對(duì)太灰含水層頂界隔水巖層厚度，上組煤(1號(hào)、2號(hào)煤層)底板和下組煤(10號(hào)、11號(hào)煤層)底板相對(duì)奧灰頂界隔水巖層厚度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并繪制了各煤層底板隔水層厚度等值線圖。

3.3 底板斷層發(fā)育程度

井田區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，發(fā)育有多條規(guī)模大小不等的正斷層，最大斷距150～200m,最小斷距4m，多在5～30m之間，井田內(nèi)斷層最大延伸長(zhǎng)度3 300m,最短延伸長(zhǎng)度為200m。

斷裂構(gòu)造對(duì)煤層底板巖體的破壞主要表現(xiàn)為：①斷層形成巖體的不連續(xù)面，影響了巖體的完整性，易形成導(dǎo)水通道；②構(gòu)造作用也導(dǎo)致構(gòu)造帶影響范圍內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)的破壞，其特點(diǎn)是次生裂隙發(fā)育，軟巖層產(chǎn)生塑性屈服，強(qiáng)度降低。

3.4 底板水壓分布

底板水壓是影響煤層底板突水的重要指標(biāo)。根據(jù)本井田及周邊勘探鉆孔及水井資料，太灰水位在506～547m之間，奧灰水水位標(biāo)高在521～541m之間。井田1號(hào)煤層底板標(biāo)高240～550m，2號(hào)煤層底板標(biāo)高230～540m，10號(hào)煤層底板標(biāo)高150～450m，11號(hào)煤層底板標(biāo)高140～430m。經(jīng)對(duì)比分析，1號(hào)、2號(hào)煤層除西南部小面積不帶壓外，其余煤層底板均承受太灰和奧灰水壓?jiǎn)栴}；10號(hào)、11號(hào)煤層全井田煤層底板均承受著奧灰水壓?jiǎn)栴}。

3.5 含水層富水性及巖溶發(fā)育程度

底板以下太灰或奧灰含水層富水性是影響突水量大小的重要因素，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：①在平面上，富水性大的地段一旦發(fā)生突水，其突水量也大；②在垂向上，太灰和奧灰富水性及巖溶發(fā)育程度對(duì)突水威脅性也較大。

據(jù)井田勘探資料分析，太灰含水層除西南部為弱富水性外，其余為中等富水性；奧灰含水層(峰峰組和上馬家溝組)全井田均屬中等富水性含水層。

4 礦井突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

根據(jù)本井田構(gòu)造發(fā)育情況，取突水系數(shù)臨界值0.06MPa/m作為劃分突水分區(qū)界線，按照底板突水系數(shù)等值線進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)，可以劃分為非帶壓區(qū)、突水相對(duì)安全區(qū)(T<0.06MPa/m)、突水危險(xiǎn)區(qū)(0.06MPa/m0.1MPa/m)。

4.1 太灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

利用井田內(nèi)現(xiàn)有鉆孔資料，按1號(hào)、2號(hào)煤層分別計(jì)算各鉆孔突水系數(shù)。然后根據(jù)突水系數(shù)數(shù)值繪制底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖。

4.1.1 1號(hào)煤層底板太灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算，1號(hào)煤層底板太灰水突水系數(shù)在0～0.126 9MPa/m之間，突水系數(shù)最大值0.126 9MPa/m，大于底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)臨界值0.06MPa/m，也大于正常塊段突水系數(shù)臨界值0.1MPa/m。非帶壓區(qū)分布在井田西南角，突水危險(xiǎn)區(qū)(0.06MPa/m0.1MPa/m)分布在井田東北角，其余地區(qū)均為突水相對(duì)安全區(qū)(T<0.06MPa/m)，見(jiàn)圖1。

圖1 1號(hào)煤層底板太灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖

4.1.2 2號(hào)煤層底板太灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算，2號(hào)煤層底板太灰水突水系數(shù)在0～0.164 2MPa/m之間，突水系數(shù)最大值0.164 2MPa/m，大于底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)臨界值0.06MPa/m，也大于正常塊段突水系數(shù)臨界值0.1MPa/m。非帶壓區(qū)分布在井田西南角，突水危險(xiǎn)區(qū)(0.06MPa/m0.1MPa/m)分布在井田東北角，其余地區(qū)均為突水相對(duì)安全區(qū)(T<0.06MPa/m)，見(jiàn)圖2。

圖2 2號(hào)煤層底板太灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖

4.2 奧灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

利用井田內(nèi)現(xiàn)有鉆孔資料，按煤層分別計(jì)算各鉆孔奧灰水突水系數(shù)。然后根據(jù)突水系數(shù)數(shù)值繪制底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖。

4.2.1 1號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算，1號(hào)煤層底板奧灰水突水系數(shù)在0～0.033 0MPa/m之間，突水系數(shù)最大值0.033 0MPa/m，小于底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)臨界值0.06MPa/m。全井田除西南角小范圍屬非帶壓區(qū)外，其余均屬突水相對(duì)安全區(qū)(T<0.06MPa/m)，見(jiàn)圖3。

圖3 1號(hào)煤層底板奧灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖

4.2.2 2號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算，2號(hào)煤層底板奧灰水突水系數(shù)在0～0.035 1MPa/m之間，突水系數(shù)最大值0.035 1MPa/m，小于底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)臨界值0.06MPa/m。全井田除西南角小范圍屬非帶壓區(qū)外，其余均屬突水相對(duì)安全區(qū)(T<0.06MPa/m)，見(jiàn)圖4。

圖4 2號(hào)煤層底板奧灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖

4.2.3 10號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算，10號(hào)煤層底板奧灰水突水系數(shù)在0.027 5～0.112 3MPa/m之間，突水系數(shù)最大值0.110 3MPa/m，大于底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)臨界值0.06MPa/m，也大于正常塊段臨界值0.1MPa/m。突水高危險(xiǎn)區(qū)(T>0.1MPa/m)分布在井田西北角，突水危險(xiǎn)區(qū)(0.06MPa/m

圖5 10號(hào)煤層底板奧灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖

4.2.4 11號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算，11號(hào)煤層底板奧灰水突水系數(shù)在0.036 6～0.175 2MPa/m之間，突水系數(shù)最大值0.175 2MPa/m，大于底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)臨界值0.06MPa/m，也大于正常塊段臨界值0.1MPa/m。突水高危險(xiǎn)區(qū)(T>0.1MPa/m)分布在井田西北角及井田中部的補(bǔ)8號(hào)孔周?chē)脱a(bǔ)19號(hào)孔周?chē)?，突水相?duì)安全區(qū)(T<0.06MPa/m)分布在井田南部邊界，其余地區(qū)為突水危險(xiǎn)區(qū)(0.06MPa/m

圖6 11號(hào)煤層底板奧灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖

4.3 斷層突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

選擇井田內(nèi)斷層落差大于20m的較大斷層進(jìn)行突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。井田內(nèi)較大斷層有F1、F2、F7、F9、F10、F11。其中F1斷層落差160～200m，對(duì)比井田內(nèi)地層組段相對(duì)厚度，F(xiàn)1斷層上盤(pán)煤系地層已與下盤(pán)奧灰?guī)r溶含水層對(duì)接。因此，在該斷層帶上盤(pán)上組煤層和下組煤層均存在嚴(yán)重的奧灰水突水威脅，為防止奧灰水突水的重點(diǎn)煤層。本次對(duì)F1斷層不做具體計(jì)算數(shù)值評(píng)價(jià)。

結(jié)合井田內(nèi)太灰水位等值線及奧灰水位等值線，分析并推算了F2、F7、F9、F10、F11斷層帶所承受的水壓值P，本井田B取10。按上述評(píng)價(jià)公式計(jì)算各斷層承受太灰水壓和奧灰水壓的Ha值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

4.3.1 斷層在太灰水壓作用下的突水評(píng)價(jià)

井田內(nèi)上組煤層1號(hào)、2號(hào)煤層底板存在太灰水帶壓?jiǎn)栴}，其中1號(hào)煤層底板至太灰頂界隔水層厚度一般為32～59m，2號(hào)煤層底板至太灰頂界隔水層厚度一般為23～55m，斷層帶上盤(pán)煤層至下盤(pán)太灰含水層間距h，其數(shù)值等于上盤(pán)煤層隔水層厚度減去斷層落差，對(duì)比井田內(nèi)各斷層帶h和Ha值，會(huì)出現(xiàn)h小于Ha的情況。因此說(shuō)明井田內(nèi)F2、F7、F9、F10、F11斷層在開(kāi)采上組煤層過(guò)程中存在太灰水突水危險(xiǎn)。

表1 斷層帶突水評(píng)價(jià)計(jì)算數(shù)值

4.3.2 斷層在奧灰水壓作用下的突水評(píng)價(jià)

井田內(nèi)上組煤層1號(hào)、2號(hào)煤層底板存在奧灰水帶壓?jiǎn)栴}，其中1號(hào)煤層底板至奧灰頂界隔水層厚度一般為102～163m，2號(hào)煤層底板至奧灰頂界隔水層厚度一般為93～152m，斷層帶上盤(pán)煤層至下盤(pán)奧灰含水層間距h，其數(shù)值等于上盤(pán)煤層隔水層厚度減去斷層落差，對(duì)比井田內(nèi)各斷層帶h和Ha值，Ha大于h，不會(huì)出現(xiàn)h小于Ha的情況。因此說(shuō)明井田內(nèi)F2、F7、F9、F10、F11斷層在開(kāi)采上組煤層過(guò)程中不會(huì)存在奧灰水突水危險(xiǎn)。

井田內(nèi)下組煤層10號(hào)、11號(hào)煤層底板存在奧灰水帶壓?jiǎn)栴}，其中10號(hào)煤層底板至奧灰頂界隔水層厚度一般為26～45m，11號(hào)煤層底板至奧灰頂界隔水層厚度一般為15～33m(除補(bǔ)19號(hào)為57m外)，斷層帶上盤(pán)煤層至下盤(pán)奧灰含水層間距h，其數(shù)值等于上盤(pán)煤層隔水層厚度減去斷層落差，對(duì)比井田內(nèi)各斷層帶h和Ha值，會(huì)出現(xiàn)h小于Ha的情況。因此說(shuō)明井田內(nèi)F2、F7、F9、F10、F11斷層在開(kāi)采下組煤層過(guò)程中存在奧灰水突水危險(xiǎn)。

同時(shí)，也不排除落差較小的斷層在礦山采動(dòng)的影響下也具有突水危險(xiǎn)性，在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)引起重視。

5 結(jié)語(yǔ)

煤層底板是否發(fā)生突水是由多種因素共同影響的結(jié)果。綜合研究霍州煤電集團(tuán)興盛園煤業(yè)有限責(zé)任公司井田底板隔水層巖性組合特征、底板隔水層厚度、底板斷層發(fā)育程度、底板水壓分布、含水層富水性及巖溶發(fā)育程度等，進(jìn)行煤層開(kāi)采突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，對(duì)指導(dǎo)興盛園煤業(yè)有限責(zé)任公司安全生產(chǎn)、制定防治水措施具有實(shí)際意義。