楊士春

（霍州煤電集團公司霍寶干河煤礦，山西 霍州 031400）

水害是礦井的五大自然災害之一。根據(jù)歷年我國煤礦水害事故統(tǒng)計情況，水害事故中因奧灰水突水引發(fā)的水害事故，往往因突然發(fā)生并且極具破壞性，導致了井下現(xiàn)場發(fā)生傷亡事故、財產(chǎn)損失等惡性后果，產(chǎn)生了不良的社會反響[1-2]。所以，為消除奧灰水突水隱患、保障煤炭生產(chǎn)安全，須在研究礦井水文地質(zhì)條件基礎上，分析評價礦井各可采煤層帶壓開采的安全性和可行性，以達到為煤礦開拓合理規(guī)劃、采掘工程科學布局以及有針對性地確定帶壓開采防治對策提供有力的水文地質(zhì)依據(jù)。

1 礦井概況

霍寶干河礦區(qū)位于山西洪洞縣境內(nèi)。礦井產(chǎn)能1.80 Mt/a，布置有主立井、副立井和回風立井，其水文地質(zhì)類型屬復雜型，為低瓦斯礦井。礦井目前開采1、2號煤層。

霍寶干河礦井田處于萬安詳查區(qū)的東北部，其南東邊界為下張端正斷層，其北西邊界為下團柏正斷層，地層的整體走向變化幅度較小，其傾角范圍為5°～12°，傾向北西。南東、北西邊界附近與大斷層相伴生有寬緩的背、向斜，軸向和地層總體走向一致，亦為北東方向。區(qū)內(nèi)發(fā)育大小斷層116條，其中落差大于5 m的38條，井田內(nèi)小斷層比較發(fā)育，主要分布在井田的一、二采區(qū)，大部分斷層均在采掘過程中發(fā)現(xiàn)。大于5 m斷層對采區(qū)劃分及采掘工作面布置具有較大影響，小于5 m斷層對回采工作面煤層開采有影響。礦井開采過程中已揭露陷落柱共21個，此外巖漿巖侵入現(xiàn)象未出現(xiàn)。其構(gòu)造復雜程度屬中等類型。

井田范圍內(nèi)的可采煤層從地表向下共有1、2、7下、9、10、11號煤層等6層，其中1、2號煤層為較穩(wěn)定煤層，均屬于山西組范圍之內(nèi)，并且在井田的東南部這兩層煤合二為一，是本井田先期開采的主采煤層。

2 奧灰水帶壓開采安全評價

2.1 奧灰水水位

本井田奧陶系峰峰組巖溶水水位標高在+505～+523 m左右，1、2號煤層底板標高范圍分別為-10～+370 m、-20～+370 m，其底板都比奧灰水水位要低，屬于帶壓開采范疇。

2.2 奧灰?guī)r溶水巖溶發(fā)育程度及富水性

奧灰?guī)r溶裂隙水是主要含水層，其總厚度為617 m，2018年水文補勘施工了1個GK12號水文奧灰孔，終孔進入奧灰110 m，2008年水文補勘施工BK5和BK6號孔，終孔各進入奧灰100 m，地質(zhì)勘探期間共施工水文孔2個，分別為401和603孔，其中401為終孔峰峰組鉆孔，進入奧灰106.66 m，603孔為終孔上馬家溝組鉆孔，進入奧灰205.67 m。本區(qū)603號孔完全揭露峰峰組，該組層厚146.8 m，分上、下段，一般上段含水，下段以石膏層、泥灰?guī)r為主，基本不含水，可視為隔水層，在此峰峰組僅說明上段。

（1）峰峰組（O2f2）石灰?guī)r溶裂隙含水層

峰峰組上段下部巖溶裂隙相對發(fā)育，含水層平均厚度為15.3 m。在文水補勘期間分別對BK5、BK6孔采取了抽水試驗的方法，其單位涌水量為0.027 7～0.552 L/s·m，屬弱—中等富水含水層。

（2）上馬家溝組（O2s）石灰?guī)r溶隙含水層

井田內(nèi)水源井揭露該段，揭露厚度為217.74 m，巖性上部為灰?guī)r，夾泥灰?guī)r，中部白云質(zhì)泥灰?guī)r，巖溶裂隙較發(fā)育，其中在945～958 m處出現(xiàn)全孔漏失現(xiàn)象；底部為泥灰?guī)r。水源井O2s+O2x三降深混合抽水單位涌水量平均為0.482 L/s·m，水質(zhì)類型為SO4HCO3-Ca·Mg型水，屬中等富水含水層。

（3）下馬家溝組（O2x）巖溶裂隙含水層

水源井揭露該段，揭露厚度均為109.73 m，巖性上部為泥灰?guī)r，中部為豹皮灰?guī)r，鉆探時出現(xiàn)掉鉆，巖溶裂隙發(fā)育，底部為泥灰?guī)r。水源井O2s+O2x三降深混合抽水單位涌水量平均為1.54 L/s·m，水質(zhì)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型水，為強富水含水層。

2.3 斷層導水性分析

本井田區(qū)域構(gòu)造屬汾渭裂谷系臨汾盆地的北部，邊界斷裂控制著盆地的范圍，也控制著盆地的形成和發(fā)展。由于受盆地邊界的影響，井田總體走向北東，發(fā)育一系列走向北東的正斷裂，井田內(nèi)共發(fā)現(xiàn)116條正斷層，其中延伸較長、落差較大的主要有下團柏斷層、下張端斷層、F1斷層。這些斷層均為正斷層，在井田內(nèi)F1落差為20～200 m，下張端斷層落差為50～120 m，下團柏斷層落差280～350 m。

干河井田內(nèi)煤層屬帶壓開采，斷層兩側(cè)區(qū)域具有發(fā)生導水的潛在隱患，上下兩層含水層之間將具有通過斷層構(gòu)造產(chǎn)生水力溝通的可能性，對煤層開采造成不利影響。斷裂構(gòu)造無論大小，均具有形成充水水源突入工作面通道的可能性。

2.4 煤層底板巖層特征

根據(jù)本區(qū)及周邊先后共施工的鉆孔資料隔水層厚度可以得知，2號煤層底板隔水層厚度范圍為63.32～145.28 m，一般117.50 m。隔水層主要由泥巖、粉砂巖等構(gòu)成，巖體整體比較完整且較為致密，由于其結(jié)構(gòu)為泥質(zhì)巖同砂巖及灰?guī)r之間具有相互疊置作用，不易在砂巖同灰?guī)r之間產(chǎn)生垂直裂隙。因此，在無地質(zhì)構(gòu)造及采動裂隙溝通的情況下，其隔水性能對2號煤的安全開采是較為有利的。

2.5 突水系數(shù)計算及突水危險性區(qū)帶劃分

按《煤礦防治水細則》附錄五[3]，分別對1、2號煤層的突水系數(shù)進行計算，對突水可能性作出評價。

圖1 1號煤層奧灰含水層帶壓開采分區(qū)結(jié)果（比例尺1:25000）

圖2 2號煤層奧灰含水層帶壓開采分區(qū)結(jié)果（比例尺1:25000）

式中：P為作用于底板隔水層上的水頭壓力，P=（H0-H1+M）×0.009 8，MPa；H0為奧灰水的標高，m；H1表示煤層底板標高的最小值，m；M為煤層底板隔水層厚度，m。

計算得，1、2號煤層奧灰突水系數(shù)范圍分別為0.019～0.056 MPa/m、0.022～0.059 MPa/m，均比規(guī)定的臨界值0.06 MPa/m要小。因此，通常狀況其突水可能性也相應較低。

干河礦的斷層等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育較多，因此將其劃分到受構(gòu)造破壞范疇之內(nèi)。以臨界值0.06 MPa/m，分別對1、2號煤層的非突水危險區(qū)和突水危險區(qū)進行劃分。考慮到井田曾發(fā)生過斷層突水事故，故將斷層兩側(cè)50 m范圍劃分為突水危險區(qū)，圖1、圖2為1、2號煤層奧灰含水層帶壓開采分區(qū)結(jié)果。

2.6 巷道掘進安全性評價

根據(jù)《煤礦防治水細則》附錄五[3]，對掘進工作面底板隔水層的安全厚度進行計算。

式中：L為巷道寬度大小，m；r為底板隔水層重度均值，MN/m3；KP為底板隔水層抗拉強度均值，MPa。

根據(jù)礦井地質(zhì)報告及采區(qū)設計參數(shù)，巷道寬度取設計寬度5.2 m，松動圈取2 m，則巷道底板寬度取7.2 m；據(jù)地質(zhì)報告資料，各煤層底板抗拉強度為1.09～2.39 MPa；隔水巖柱平均重度，取0.024 5 MN/m3；最大水頭壓力為6.992 MPa。代入式（2），則2號煤層安全隔水層厚度為8.58 m。由于2號煤層底板隔水層厚度范圍為63.32～145.28 m，大于安全隔水層計算厚度8.58 m。因此，底板奧灰水不會威脅到正常掘進工作面，但在斷層等地質(zhì)構(gòu)造破壞處會有突水隱患。

3 奧灰水突水量預測

巷道及工作面在推進過程中遇斷層時單點突水計算公式是依據(jù)達西定律，按照勢迭加原理，將水平掘進的巷道穿過垂直或近于垂直的充水斷裂視為垂直含水層中的水平井。由于2號煤為上組煤最下部煤層，本次設計礦井奧灰水突水量預測按照2號煤進行計算[4]。

預測涌水量Q計算公式[5]：

式中：S為水平井降深，m；M為斷裂帶及影響帶寬度，m；K為滲透系數(shù)，m/d；r0為開拓巷道的半徑，m；R為含水層引用補給半徑，m。

根據(jù)礦井地質(zhì)報告及采掘工程設計資料，滲透系數(shù)取0.13 m/d；斷裂帶及影響帶寬度取10 m；水平井降深值的確定：煤層底板標高最低點處奧灰水位標高523 m，2號煤層底板最低標高-20 m；開拓巷道的半徑的確定：取2號煤層大巷、順槽、切眼等掘進斷面的最大及最小半徑值。煤層順槽掘進斷面16.8 m2，工作面切眼掘進斷面28.35 m2，即2號煤層開拓巷道的半徑為3.0 m。代入式（3），預測奧灰?guī)r溶水突水量為234 m3/h。

4 結(jié)語

在分析霍寶干河煤礦礦井水文地質(zhì)條件的基礎上，根據(jù)《煤礦防治水細則》相關要求對1、2號煤層奧灰含水層帶壓開采突水系數(shù)進行計算，并按突水威脅程度進行了分區(qū)，預測了奧灰水突水量，并對巷道掘進的安全性進行評價，為煤礦開拓合理規(guī)劃、采掘工程科學布局以及有針對性地確定帶壓開采防治對策提供了有力的水文地質(zhì)依據(jù)。

根據(jù)奧灰突水的特性及以往奧灰突水事故，斷層、陷落柱等構(gòu)造通常是奧灰突水的通道，在導水時甚至會存在滯后性。因此，在1、2號煤層開采時，關鍵是要做好對斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的探測和監(jiān)控工作，加強對斷層、次生小斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的探測、控制，查明斷層的含水性、導水性，以防斷層導水造成透水事故。