郭瑞睿

(長治職業(yè)技術(shù)學院,山西 長治 046000)

帶壓開采,是指在具有承壓水壓力的含水層上進行的采煤[1]。在華北型石炭——二疊系煤田中,太原組煤層的帶壓開采是指在奧陶系灰?guī)r(以下簡稱“奧灰”)含水層的水頭之下進行的采煤。由于奧灰具有分布廣、補給好、水量大、水壓高等特點,因此奧陶系灰?guī)r水(以下簡稱“奧灰水”)是普遍威脅華北各礦區(qū)太原組煤層開采的重要水害類型之一。

司馬煤礦目前正在設(shè)計開采太原組15號煤層。在井田內(nèi)絕大部分區(qū)域,奧灰水的水頭高于15號煤層的底板標高(最大可高出250 m),因此司馬煤礦未來開采15號煤層時將面臨非常棘手的帶壓開采問題。針對潞安礦區(qū)太原組煤層帶壓開采問題,前人曾做過概略研究[2]。針對司馬煤礦,前人先后研究過底板陷落柱阻隔水機理[3]和底板斷層活化突水機理[4]。然而,長期以來一直缺乏關(guān)于司馬煤礦15號煤層帶壓開采分區(qū)的詳細研究。本文通過重新厘定井田內(nèi)奧灰水位標高和15號煤層底板隔水層厚度,利用突水系數(shù)法對15號煤層帶壓開采分區(qū)進行了劃分,對該礦未來開采15號煤層具有重要指導意義。

1 井田地質(zhì)構(gòu)造

井田總體呈一走向NNE,傾向NW,傾角3°～9°(局部最大為11°)的單斜構(gòu)造,在此單斜構(gòu)造上伴生一系列規(guī)模不等的褶曲和斷層。根據(jù)鉆孔及地震資料,將井田內(nèi)發(fā)育的褶曲及斷層簡述如下:

1)褶曲。井田內(nèi)褶曲主要有8條,即農(nóng)機廠背斜、郝店北背斜、司馬背斜、辛莊背斜、原家莊向斜、馮村東向斜、看寺向斜和鮑村向斜。這些褶曲在井田內(nèi)延伸1.10 km～2.67 km,形態(tài)均較寬緩,兩翼地層傾角較小(3°～6°,最大8°)。

2)斷層。井田內(nèi)斷層共計51條(正斷層48條,逆斷層3條),其中落差≥10 m的有13條,落差<10 m的斷層38條。其中,落差≥10 m且延深范圍較長的斷層主要有宋家莊斷層、安城斷層、看寺斷層、林移逆斷層、蘇店斷層、SF8(一)斷層、SF17(一)斷層、DF2(二)逆斷層、DF1(三)斷層、DF7(三)斷層、DF8(三)斷層、DF9(三)斷層和DF11(三)斷層等。

2 15號煤層發(fā)育特征

底板標高介于390 m～700 m,位于太原組下段,上距14號煤層約4.14 m,下距太原組底界砂巖(K1砂巖)4.98 m。煤層厚3.20 m～6.70 m(補-20鉆孔厚3.20 m,21-1鉆孔厚6.70 m),平均4.43 m,屬厚煤層,煤層結(jié)構(gòu)復雜,夾矸0～6層,一般為2～3層,夾矸平均厚0.68 m左右,巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖。頂板一般為泥灰?guī)r、泥巖,底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、局部為鋁質(zhì)泥巖。煤厚變異系數(shù)γ=18.8%,煤層可采性指數(shù)Km=1,為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。

3 奧陶系水文地質(zhì)特征

井田內(nèi)奧陶系灰?guī)r揭露最大厚度271.30 m(SM-1水文孔),分為峰峰組和上馬家溝組。峰峰組揭露厚度161.82 m～200.00 m,平均176.21 m,上部主要為灰?guī)r,中部為灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和泥灰?guī)r,下部為白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r夾薄層石膏等,以石膏層底部作為峰峰組與上馬家溝組的分界。上馬家溝組揭露最大厚度94 m(SM-1水文孔),巖性主要由灰?guī)r組成,夾有泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。

根據(jù)鉆探資料,SM-3水文孔在揭露奧灰150 m左右、補-25水文孔在揭露奧灰160 m左右、SM-2水文孔在揭露奧灰29 m左右、SM-1水文孔在揭露奧灰21 m左右均發(fā)生沖洗液全漏失;而補-26、補-24鉆孔揭露峰峰組地層分別為102.70 m、113.84 m,鉆進中沖洗液消耗量無變化。以上表明,奧陶系峰峰組巖溶發(fā)育極不均一。

井田內(nèi)奧灰水水位標高,是進行帶壓開采分區(qū)的重要支撐數(shù)據(jù)。據(jù)SM-1、SM-2、SM-3水文孔對奧陶系中統(tǒng)峰峰組和上馬家溝組進行的單孔混合抽水試驗,奧陶系中統(tǒng)水位標高636.86 m～637.18 m,含水層涌水量10.27 L/s～16.44 L/s,單位涌水量3.233 L/s·m～7.646 L/s·m,滲透系數(shù)72.618 m/d～161.281 m/d,巖溶裂隙含水層富水性強-極強, 司馬煤礦奧陶系地層抽水試驗統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 司馬煤礦奧陶系地層抽水試驗統(tǒng)計表

據(jù)補-25水文孔對峰峰組抽水試驗,水位標高為636.27 m,涌水量為0.454 L/s,單位涌水量0.008 L/s·m,滲透系數(shù)0.007 m/d,富水性弱;司馬煤礦奧灰水長觀孔的2013年初觀測水位為636 m,目前水位仍然保持在636 m左右,基本沒有變化。據(jù)南部相鄰經(jīng)坊煤礦2012-2013年奧陶系峰峰組水文地質(zhì)勘查成果,JS-1、JS-2、JS-3水文孔奧灰水水位標高分別為634.559 m、634.743 m、637.507 m[5]。這三個水文孔緊鄰司馬煤礦礦界(最遠的為JS-1水文孔,距離不超1 km),且與SM-1、SM-2、SM-3、補-25水文孔基本為同一時期施工,因此其數(shù)據(jù)較為可信。

從區(qū)域水文地質(zhì)上看,司馬煤礦處于辛安泉巖溶水系統(tǒng)的西南徑流區(qū)。綜合SM-1、SM-2、SM-3、補-25及奧灰水長觀孔資料,結(jié)合南部經(jīng)坊煤礦奧灰水水位資料及區(qū)域地下水流向,推斷井田內(nèi)奧灰水由西南向東北方向徑流,井田范圍內(nèi)的奧灰水水位為635 m～638 m,司馬煤礦奧灰水等水位線圖見圖1。較司馬煤礦地質(zhì)報告中的632 m～640 m,本次獲得的奧灰水水位更加精確,有利于準確劃分帶壓開采分區(qū)。

圖1 司馬煤礦奧灰水等水位線圖

4 底板隔水層特征

隔水層厚度,是指開采煤層底板至含水層頂界面之間的厚度,是進行帶壓開采分區(qū)的又一重要數(shù)據(jù)。弄清具備何種特性的地層能夠作為煤層底板隔水層,是判斷隔水層厚度的關(guān)鍵。多年來,華北地區(qū)奧陶系頂部存在隔水層(或稱之為相對隔水層)的理論盛行不衰。繆協(xié)興等(2011)更是從宏觀和微觀上證實了奧陶系頂部碳酸巖層的隔水特性及形成機理,提出了利用奧陶系頂部碳酸巖層的隔水性以增加隔水層的總厚度和強度的觀點,并報道了“潞安礦區(qū)中深部奧陶系上界面之下(最頂部)碳酸鹽巖隔水層厚度60 m～120 m,其下為厚約20 m的弱含水層,其下又為厚約100 m的隔水層,直到出現(xiàn)上馬家溝組(O2m4)含水層”。以往大多數(shù)勘查成果得出長治南部地區(qū)峰峰組巖溶裂隙發(fā)育較差,富水性弱-中等的結(jié)論,以至于個別礦井在奧灰?guī)洪_采危險性評價時甚至將其視為相對隔水層。然而,張曉亮等(2014)通過研究認為長治南部地區(qū)“峰峰組富水性普遍較強,處于主徑流帶附近富水性極強”,并報道“JS-1、JS-2、JS-3水文孔峰峰組單位涌水量分別為4.329、28.766、1.346 L/s·m”。而SM-3水文孔對奧陶系頂面以下100 m含水層(相當于峰峰組中上部地層)的抽水試驗,單位涌水量僅為0.028 L/s·m～0.062 L/s·m,滲透系數(shù)2.92 m/d～7.94 m/d,富水性弱。由此可見,奧陶系峰峰組的富水性亦極不均一。司馬煤礦井田內(nèi)的奧陶系峰峰組能否作為隔水層或相對隔水層,由于暫時沒有大量的峰峰組抽水試驗成果加以佐證,同時為了礦井安全考慮,所以本次仍將峰峰組作為含水層。

司馬煤礦15號煤層底板隔水層由本溪組和底板以下的太原組下段組成。本溪組,厚3.20 m～29.60 m,平均10.44 m,與下伏奧陶系呈平行不整合接觸,本組巖性主要為灰—深灰色的泥巖、砂質(zhì)泥巖,夾灰?guī)r透鏡體及薄煤層,底部含鐵鋁質(zhì)泥巖,含菱鐵礦、黃鐵礦結(jié)核和大量動植物化石。15號煤層底板以下的太原組下段主要由K1砂巖、泥巖組成。K1砂巖厚度0.50 m～7.25 m,平均為3.15 m,巖性為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖;K1砂巖頂至15號煤層底之間的泥巖,厚約4.98 m,主要為灰色中厚-厚層狀泥巖,含大量黃鐵礦結(jié)核和植物碎片?？傮w上看,15號煤層底板隔水層主要由本溪組的鐵鋁質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖和太原組的粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖組成,具有較好的隔水性能。經(jīng)過統(tǒng)計井田內(nèi)50個揭露奧陶系的鉆孔數(shù)據(jù),該隔水層厚度最小為11.40 m(1702鉆孔),最大為35.02 m(21-1鉆孔),平均18.57 m。司馬煤礦地層柱狀圖見圖2。

圖2 司馬煤礦地層柱狀圖

5 帶壓開采分區(qū)劃分

5.1 突水系數(shù)計算

井田奧灰水的水位標高介于635 m～638 m之間,15號煤層底板標高為390 m～700 m,底板隔水于回采工作面且底板隔水層厚度小于50 m的情況[5],因此本次采用《煤礦防治水細則》附錄五中突水系數(shù)公式對15號煤層帶壓開采分區(qū)進行劃分。其公式為:

T=p/M.

式中:T為突水系數(shù),MPa/m;p為底板隔水層承受的實際水頭值,MPa;M為底板隔水層厚度,m。

為了安全考慮,奧水水水位標高取井田內(nèi)的最大值638 m,直接將奧陶系頂界面視為含水層的頂界面。通過統(tǒng)計上述50個鉆孔的15號煤層底板標高,僅位于東南角的2102鉆孔(693.38 m)高于640 m(即不帶壓),其它49個鉆孔的15號煤層均處于帶壓區(qū)域。經(jīng)過計算,帶壓區(qū)域內(nèi)15號煤層的突水系數(shù)為0.010 MPa/m～0.181 MPa/m,最大值位于補-11鉆孔處。

5.2 帶壓開采分區(qū)劃分

國家安全監(jiān)管總局、國家煤礦安監(jiān)局在安監(jiān)總煤調(diào)〔2015〕64號文件中明確提出了帶壓開采分區(qū)的要求——煤礦企業(yè)要認真分析評估礦井受承壓水的威脅程度,評價礦井突水危險,劃分出非突水危險區(qū)、突水威脅區(qū)、突水危險區(qū)。然而,隨后施行的《煤礦安全規(guī)程》(2016)、《煤礦防治水細則》等規(guī)章均未明確帶壓開采分區(qū)的具體劃分標準。

尤其是在底板受構(gòu)造破壞的地段,斷層封閉與否、是否錯斷至奧灰含水層以及陷落柱的膠結(jié)程度好壞,是決定其是否成為奧灰水導水通道的重要因素,也是帶壓開采分區(qū)劃分的重要參考指標。目前,司馬煤礦井田內(nèi)斷層共計51條(正斷層48條,逆斷層3條),陷落柱總計71個。已有研究成果[6-7]表明:司馬煤礦井田內(nèi)的斷層、陷落柱具有一定的阻隔水能力,但阻隔水能力較弱。為了安全起見,同時根據(jù)《煤礦防治水細則》“就全國實際資料看,底板受構(gòu)造破壞的地段突水系數(shù)一般不得大于0.06 MPa/m,隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞的地段不得大于0.1 MPa/m”的規(guī)定,本次采用如下帶壓開采分區(qū)標準,如表2所示。

本次使用Surfer軟件自動生成突水系數(shù)等值線,并以突水系數(shù)0、0.06、0.10值為界線,同時考慮15號煤層底板隔水層的完整性,將全礦井分為非突水危險區(qū)(即不帶壓區(qū))、突水威脅區(qū)(底板不受構(gòu)造破壞的地段T<0.10 MPa/m,底板受構(gòu)造破壞地段T<0.06 MPa/m)和突水危險區(qū)(底板不受構(gòu)造破壞的地段T≥0.10 MPa/m,底板受構(gòu)造破壞地段T≥0.06 MPa/m),15號煤層帶壓開采分區(qū)圖見圖3。

5.3 防治對策

由圖3可以看出,司馬煤礦15號煤層幾乎全井田面臨帶壓開采問題,以突水威脅區(qū)為主,突水危險區(qū)次之,非突水危險區(qū)最小。未來開采15號煤層時,防治奧灰水的重點應放在突水威脅區(qū)和突水危險區(qū)。

1)突水威脅區(qū)的奧灰水防治。在該區(qū)域內(nèi),奧灰含水層與15號煤層之間的隔水層能夠承受的水頭值大于實際水頭值,可以進行帶壓開采,但應制定專項安全技術(shù)措施,由煤炭企業(yè)總工程師組織審批。

奧灰直接突水都是由于集中導水通道引起的,華北煤礦1920-2004年發(fā)生的30起重大奧灰突水事故中由導水斷層、導水陷落柱引起的分別占20起、8起[8]。因此,有斷層、陷落柱等發(fā)育的薄弱地段,尤其發(fā)育較大落差斷層和較大規(guī)模陷落柱的地段,是該區(qū)域奧灰水防治的重點部位。在該區(qū)域作業(yè)時,必須提前采取“物探+鉆探”的方式探查清楚構(gòu)造的富(導)水性,必要時留設(shè)防隔水煤(巖)柱或進行底板注漿加固,防止對采掘作業(yè)造成不利影響,甚至誘發(fā)滯后突水。

2)突水危險區(qū)的奧灰水防治。在該區(qū)域內(nèi),不論是隔水層完整的正常地段,還是受斷層、陷落柱等構(gòu)造破壞的薄弱地段,奧灰含水層與15號煤層之間的隔水層能夠承受的水頭值均小于實際水頭值。根據(jù)礦井實際,可采取地面區(qū)域治理、井下注漿加固底板或者改造含水層、疏水降壓、充填開采等防治措施。

圖3 司馬煤礦15號煤層帶壓開采分區(qū)圖

6 結(jié)論

通過收集司馬煤礦及周邊礦井以往地質(zhì)、水文地質(zhì)資料,對司馬煤礦15號煤層帶壓開采分區(qū)進行了劃分,取得了以下兩點成果:

1)重新確定了井田內(nèi)的奧灰水水位標高為635 m～638 m,并繪制了司馬煤礦奧灰水等水位線圖。

2)計算了15號煤層突水系數(shù)為0.010 MPa/m～0.181 MPa/m,根據(jù)突水系數(shù)和底板完整性將司馬煤礦全井田劃分為非突水危險區(qū)、突水威脅區(qū)和突水危險區(qū),并繪制了司馬煤礦15號煤層帶壓開采分區(qū)圖。