高水壓大采深礦井突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究

錢增江

（開灤集團(tuán)趙各莊礦業(yè)有限公司，河北省唐山市，063101）

開灤趙各莊礦為全國最深礦井之一，開拓已至十四水平，標(biāo)高為－1200m，埋深1254m，隨著礦井的不斷延伸，存在水、瓦斯、頂板、礦壓等多種災(zāi)害威脅。礦井深部十四水平的水文地質(zhì)特征雖然仍然延續(xù)礦井的總體特征，但由于埋深的增加，奧灰承壓含水層水壓高達(dá)12 MP a，高水壓對(duì)礦井的安全開采構(gòu)成了極大威脅，因此有必要對(duì)底板奧灰含水層和斷層作進(jìn)一步研究，開展突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，為深部區(qū)域的安全開采提供保障。

1 礦井水文地質(zhì)特征

趙各莊礦煤系地層的基底為奧陶系石灰?guī)r（簡稱奧灰），厚度約600～800m，為一巨大的含水體，也是礦井的最強(qiáng)含水層。最下一個(gè)可采煤層（12＃煤層）距離奧灰120～180m，正常情況下煤層開采對(duì)奧灰不造成直接破壞。井田范圍內(nèi)地層產(chǎn)狀變化極大，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，構(gòu)造形式以斷層為主，發(fā)育東Ⅲ等數(shù)十條大中型斷層。礦井為一獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，東部為弱補(bǔ)給邊界，其余為隔水邊界，具備疏水降壓條件。

1.1 礦井主要充水因素

（1）煤系地層頂?shù)装搴畬樱?＃、7＃煤層頂板砂巖裂隙含水層含水性較強(qiáng)，特別是在構(gòu)造發(fā)育部位涌水量較大，對(duì)生產(chǎn)有一定影響；9＃、12＃煤層底板及14＃煤層頂板含水層含水性較弱，在工程揭露斷裂或裂隙發(fā)育地點(diǎn)會(huì)有少量滲水乃至涌水，對(duì)采掘和開拓施工影響不大。

（2）奧灰?guī)r溶裂隙含水層：礦井深部開采受煤系地層基底高壓奧灰水的威脅，存在奧灰水突水的危險(xiǎn)性。1972年3月九水平東翼一石門開采時(shí)，曾發(fā)生奧灰水突水事故。

（3）鉆孔因素：本區(qū)域涉及原116勘探隊(duì)施工的趙103、趙105和趙107共3個(gè)地面下探孔，根據(jù)該隊(duì)提供的資料，上述鉆孔在深部煤系地層段均進(jìn)行了水泥砂漿封孔，但無封孔質(zhì)量報(bào)告。

（4）地質(zhì)構(gòu)造：根據(jù)上巷實(shí)際揭露資料，井田內(nèi)已揭露并延展到十四水平的大中型斷層，除東Ⅲ斷層外，其余斷層均不導(dǎo)水和含水。但東Ⅲ斷層在九水平東翼一石門開采12＃煤層第二分層時(shí)，由于采動(dòng)對(duì)煤層底板及斷層帶的影響，使奧灰水經(jīng)斷層破碎帶及煤層底板裂隙進(jìn)入巷道和工作面，發(fā)生突水事故，最大涌水量52.71m3／m in。

（5）采空區(qū)積水：雖然煤系地層含水性較弱，工作面巷道布置采用由上山向兩翼按一定坡度爬坡的形式，老塘內(nèi)一般無大量積水。但在西翼及東翼邊界區(qū)域水文地質(zhì)條件復(fù)雜，且屬大水區(qū)域，其老塘內(nèi)會(huì)有一定量的積水，對(duì)安全、生產(chǎn)有一定影響。

1.2 礦井深部水平涌水量預(yù)計(jì)

采用經(jīng)驗(yàn)比擬法對(duì)礦井十四水平涌水量進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)礦井已采水平的歷史涌水量與開采深度的統(tǒng)計(jì)分析，確定出八水平以下各水平涌水量高峰期內(nèi)的正常涌水量（每個(gè)水平在高峰涌水量期間內(nèi)的平均值）與開采深度的相關(guān)關(guān)系為：

式中：s——各水平的采深，m；

Q——單位時(shí)間涌水量，m3／m in。

按式（1），根據(jù)十四水平的采深（1254m），計(jì)算出十四水平正常涌水量為4.98m3／m in。由于涌水量受多種因素的影響，在不同階段及不同季節(jié)會(huì)有所不同。根據(jù)回風(fēng)巷涌水量資料統(tǒng)計(jì)，最大涌水量可達(dá)穩(wěn)定涌水量的2倍，故仍采用經(jīng)驗(yàn)比擬法將正常涌水量的2倍作為最大涌水量，即預(yù)計(jì)十四水平最大涌水量為9.96m3／m in。以上為正常情況下的涌水量預(yù)測，未考慮突水等災(zāi)變因素。從礦井涌水量變化規(guī)律來看，隨著開采水平的向下轉(zhuǎn)移，上水平涌水量會(huì)逐步減小，礦井總體涌水量變化不大，預(yù)計(jì)十四水平投入后，礦井總涌水量最大為35.62m3／m in。

2 礦井深部開采突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

根據(jù)上水平的成功開采經(jīng)驗(yàn)和多項(xiàng)科研研究成果，采用多種方法對(duì)底板帶壓（奧灰水）突水危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2.1 用突水系數(shù)評(píng)價(jià)

根據(jù)上巷帶壓開采的經(jīng)驗(yàn)，仍采用突水系數(shù)方法衡量底板奧灰水的威脅程度，突水系數(shù)大于0.1 MP a／m的區(qū)域留作防水煤柱。如果奧灰水位按±0m計(jì)，底板破壞深度按10m計(jì)，奧灰的原始導(dǎo)高帶按0m計(jì)，十四水平（－1100～－1200m）12＃煤層?xùn)|翼大部及西翼局部的突水系數(shù)大于0.1MP a／m，其余區(qū)域及其它煤層突水系數(shù)小于0.1MP a／m。十多年來，礦井在十三水平（－1100 m）以上突水系數(shù)小于0.1MP a／m的多個(gè)工作面進(jìn)行了安全開采。在已采工作面中，1232工作面最大突水系數(shù)達(dá)0.088 MP a／m，2132工作面達(dá)0.0995 MP a／m，1132、3132工作面局部突水系數(shù)接近0.1 MP a／m。說明在正常底板條件下，通過采取疏水降壓（將奧灰水位控制在－150m以下）和在斷層區(qū)域根據(jù)具體水文地質(zhì)條件按規(guī)程留設(shè)防水煤柱的措施，在突水系數(shù)小于0.1 MP a／m（奧灰水位按±0計(jì)算）的區(qū)域是可以實(shí)現(xiàn)安全開采的。

2.2 底板有效隔水層阻水能力評(píng)價(jià)

通過現(xiàn)場和室內(nèi)圍巖水力壓裂試驗(yàn)，在底板正常區(qū)，奧灰水位按±0m計(jì)，－1200m標(biāo)高的最大水壓PW＝11.76 MP a，而使巖體破裂時(shí)的臨界水壓為Pb＝13.3 MP a，Pb＞PW。所以在－1200m處，水壓不可能壓裂巖層；通過對(duì)正常區(qū)12＃煤層底板有效隔水層阻水系數(shù)的計(jì)算和阻水能力的研究，－1200m標(biāo)高的有效隔水層的阻水能力為20.772MP a，大于PW，故能有效地阻抗奧灰水壓。12＃煤層底板隔水層的隔水性能良好，井田深部奧灰?guī)r溶發(fā)育程度較弱。在正常底板條件下，足以阻抗以裂隙網(wǎng)絡(luò)形式儲(chǔ)存的灰?guī)r巖溶水，不會(huì)發(fā)生底板破壞性突水。在煤層底板正常區(qū)域，十四水平開采是安全可行的。

3 評(píng)價(jià)結(jié)論

通過以上兩種方式評(píng)價(jià)得出，十四水平礦井突水系數(shù)小于0.1MP a／m的區(qū)域正常開采；凡是突水系數(shù)大于或等于0.1 MP a／m的留做防水煤柱，暫不開采。在斷層區(qū)域根據(jù)具體斷層性質(zhì)對(duì)東Ⅲ、東Ⅶ、東Ⅷ斷層留設(shè)煤柱。目前以上煤柱均已按煤礦防治水規(guī)定進(jìn)行留設(shè)，并得到批準(zhǔn)。

［1］ 劉先燁.奧灰下急傾斜煤層開采上方老塘水防治措施［J］.能源技術(shù)與管理，2006（5）

［2］ 武強(qiáng)，劉守強(qiáng)，賈國凱.脆弱性指數(shù)法在煤層底板突水評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.中國煤炭，2010（6）

［3］ 李龍清，王永洪，劉金輝.京府八尺溝礦8＃（－2）煤層底板突水危險(xiǎn)性分析［J］.中國煤炭，2010（12）

［4］ 管恩太.突水系數(shù)與煤礦水害防治［J］.煤炭工程，2011（1）

［5］ 李建民等.趙各莊礦深部帶壓開采評(píng)價(jià)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2005（10）