寺河礦東區(qū)15號煤層承壓開采評價及防治技術(shù)研究

馬鑫

（1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 45400；2.山西晉煤集團技術(shù)中心，山西晉城 048006）

寺河礦東區(qū)15號煤層承壓開采評價及防治技術(shù)研究

馬鑫1，2

（1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 45400；2.山西晉煤集團技術(shù)中心，山西晉城 048006）

礦井?dāng)M開采的石炭系太原組下部15號煤層存在承壓開采問題，采用定量與定性相結(jié)合的方法，以含水層富水性、隔水層隔水性、斷裂構(gòu)造發(fā)育程度及導(dǎo)水性為主要指標(biāo)，評價了承壓開采可行性及防治水技術(shù)措施，為15號煤層安全承壓開采提供了科學(xué)依據(jù)。

15號煤層；承壓開采；可行性；安全性；防治技術(shù)

1 礦井概況

寺河煤礦目前開采的3號煤層，位于二疊系山西組下部，煤厚4.45 m～8.75 m，平均6.31 m，為穩(wěn)定全區(qū)可采厚煤層。礦井采用斜井盤區(qū)式開拓，走向長壁采煤法，綜采放頂煤工藝，垮落法管理頂板，中央并列式通風(fēng)。礦井?dāng)M開采的15號煤層，位于石炭系太原組下部，煤厚1.80 m～5.45m，平均2.67 m，屬穩(wěn)定全區(qū)可采中厚煤層。煤層直接底板依次為砂質(zhì)泥巖、本溪組鋁土質(zhì)泥巖及奧陶系灰?guī)r，其中奧陶系灰?guī)r地下水是制約15號煤層開采的主要充水水源[1]。

2 煤層底板水文地質(zhì)特征

2.1含水層特征

煤層底板含水層主要為奧陶系峰峰組和馬家溝組灰?guī)r，由于受巖性、裂隙發(fā)育程度的影響，富水性存在顯著的差異性。

1）奧陶系峰峰組灰?guī)r含水層。位于15號煤層底板本溪組鋁土質(zhì)泥巖之下，主要由厚層狀泥灰?guī)r、石灰?guī)r、角礫狀石灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r組成，厚100 m左右。依據(jù)抽水試驗結(jié)果，鉆孔涌水量0.014 L/s～0.325 L/s，鉆孔單位涌水量0.000 4 L/s·m～0.004 72 L/s·m，為巖溶裂隙極弱富水含水層，水位標(biāo)高449.70 m～546.54 m，如表1所示。

表1 奧陶系灰?guī)r鉆孔抽水試驗成果

2）奧陶系馬家溝組灰?guī)r含水層。位于峰峰組灰?guī)r以下，主要為石灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r，厚300 m以上，橫向與垂向上巖溶裂隙發(fā)育程度具有顯著的不均衡性，據(jù)峰峰組與馬家溝組混合抽水試驗，鉆孔涌水量0.08 L/s～4.35 L/s，鉆孔單位涌水量0.000 86 L/s·m～0.188 0 L/s·m，水位標(biāo)高477.75 m～520.53 m，屬極弱至中等富水性。

2.2隔水層特征

15號煤底板距奧灰界面厚9.17 m～41.2 m，平均21m。主要以深灰-灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細砂巖和鋁土泥巖為主，偶夾薄層石灰?guī)r或泥灰?guī)r。

3 15號煤層承壓開采評價

3.1評價方法

考慮到評價的可靠性和安全性，采用定量與定性相結(jié)合的方法。定量評價主要采用突水系數(shù)法和充水強度預(yù)測，其中突水系數(shù)法是根據(jù)隔水層厚度與其所承受的水頭壓力計算的系數(shù)值，定量評價回采工作面底板承壓水突水危險性，按照《煤礦防治水規(guī)定》規(guī)定，隔水層完整無破壞地段和構(gòu)造破壞地段臨界突水系數(shù)分別為0.10與0.06，大于臨界值時為突水危險區(qū)[2]；根據(jù)預(yù)測的涌水量評價對礦井生產(chǎn)與安全的影響程度，定性評價主要采用煤層底板主要含水層富水性與地下水賦存特征及構(gòu)造發(fā)育程度和導(dǎo)水性。

3.2承壓開采安全性評價

3.2.1 突水系數(shù)的計算

采用《煤礦防治水規(guī)定》中計算公式：T=P/M.式中：T為突水系數(shù)，M P a/m；P為底板隔水層承受的水頭壓力，M P a；M為底板隔水層厚度，m。

煤層底板隔水層承受的水頭壓力值，依據(jù)水位觀測孔實測的水位標(biāo)高與隔水層底板標(biāo)高進行換算；隔水層厚度分別采用煤層底板至奧陶系峰峰組頂面和峰峰組上部不含水層段，計算結(jié)果如表2所示。

3.2.2 煤層底板含水層富水性

奧陶系峰峰組石灰?guī)r、泥灰?guī)r及馬家溝組石灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r，盡管為連續(xù)沉積，但由于受巖性組合及空間賦存特征差異性影響，巖溶裂隙發(fā)育程度和富水性垂向上存在顯著的差異性，其中，峰峰組上段，含水性極弱，地下水以各自獨立的形式賦存于巖石空隙中，垂向上不同空間層位的含水層水相互間無水力聯(lián)系[3]，尤其在弱動力水環(huán)境條件下，由于裂隙被結(jié)晶的方解石脈或泥灰?guī)r分解后的粘土礦物充填，不僅表現(xiàn)為弱富水性，而且受區(qū)域地下水側(cè)向徑流補給影響較弱，主要以靜態(tài)水為主；馬家溝組盡管厚度大，但僅在部分層段含水相對較豐富[3]。

3.2.3 構(gòu)造發(fā)育程度及導(dǎo)水性分析

1）斷裂構(gòu)造發(fā)育程度及導(dǎo)水性。井田位于沁水復(fù)式向斜盆地的東南緣，晉獲褶斷帶的西側(cè)，地層總體走向北北東，傾向北西西，傾角一般5°～8°，局部達12°，寬緩小型褶皺發(fā)育，軸向以近南北向為主。東區(qū)勘探解釋10m及其以上斷層8條，最大落差33m，其中逆斷層3條，走向近南北，傾向西，落差10 m～33 m，斷層帶可見明顯的擠壓現(xiàn)象；正斷層5條，走向北北東至近東西，落差10m～23 m，此外，采掘生產(chǎn)揭露小型正斷層數(shù)十條，主要為正斷層，少許逆斷層，落差均在2m以下。依據(jù)褶皺特征及其構(gòu)造應(yīng)力場分析，認(rèn)為褶皺較寬緩，對裂隙的形成影響不大，逆斷層和北北東向正斷層結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)為壓性或壓扭性，導(dǎo)富水性差，近東西向斷層可能存在導(dǎo)富水性，煤層中發(fā)育的2m以下小型斷層，對煤層底板隔水層破壞深度有限，直接溝通底板奧陶系灰?guī)r水的可能性較小。

2）陷落柱發(fā)育程度及導(dǎo)水性。鉆探、物探解釋井田范圍有陷落柱17個，平面形態(tài)以橢圓形為主，次為近圓形，縱斷面形態(tài)為上小下大的錐柱狀，陷壁角60°～80°之間，主要分布在井田北部與北東部，目前開采的東區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)有陷落柱。

表2 15號煤層底板奧陶系灰?guī)r突水系數(shù)計算結(jié)果

3.2.4 承壓開采安全性綜合分析與評價

按照理論計算結(jié)果，若不考慮奧陶系峰峰組上部為相對隔水層，煤層底板隔水層突水系數(shù)在0.0016～0.2203之間，在北西部存在突水危險性；若將奧陶系峰峰組上部作為相對隔水層，煤層底板隔水層突水系數(shù)在0.0598以下，無突水危險性。由于煤層底板峰峰組灰?guī)r含水層為弱至極弱含水性，依據(jù)對不同礦區(qū)礦井承壓開采研究及生產(chǎn)實踐表明，在煤層底板含水層弱至極弱含水的情況下，突水的幾率較小，即便有斷層、陷落柱和采動破壞誘發(fā)的突水，水量在可控制范圍內(nèi)（按鉆孔最大涌水量10倍計算為3.25m3/h），采取相應(yīng)的防治技術(shù)措施，可安全承壓開采[5]。

4 15號煤層底板承壓水的防治

通過定量、定性分析結(jié)果表明，礦井?dāng)M開采的15號煤層，煤層底板奧陶系峰峰組灰?guī)r，以極弱富水性為主，但由于水頭壓力大，采取以下防治技術(shù)措施確保礦井承壓開采的絕對安全性。

4.1合理進行生產(chǎn)布局

依據(jù)煤層賦存特征，先期開采地段應(yīng)優(yōu)先布置在井田南東部煤層埋藏淺的區(qū)域，一是由于煤層底板奧陶系灰?guī)r水頭壓力小，帶壓開采安全性高，防治水難度相對簡單，在取得15號煤層帶壓開采經(jīng)驗后，依次向深部推進；二是通過對揭露的斷層、陷落柱觀測，驗證是否存在導(dǎo)富水性，以及采動對底板的破壞影響程度與峰峰組灰?guī)r地下水賦存特征[6]。4.2加大排水設(shè)施與能力措施

1）采用雙巷掘進，在工作面機巷下方布設(shè)專用泄水巷，泄水巷與機巷間由聯(lián)絡(luò)巷連通，以預(yù)防掘進和回采過程中，局部富水區(qū)段涌（突）水增大能及時排泄，采面由上向下布置，則上一采面的泄水巷可作為下一采面的回風(fēng)巷。該方法雖使工程費用顯著增加，但可提高帶壓開采安全性，在河南、河北等大水礦區(qū)，采用該措施，避免了水害事故的發(fā)生[7]。

2）在巷道掘進與工作面采過程中，建立完善的排水設(shè)施，并配置潛水泵，以防底板意外發(fā)生涌突水能夠及時排泄。

4.3超前探測措施

采用物探預(yù)測，鉆探驗證措施進行超前探測，一是查明掘進頭前方斷層、陷落柱發(fā)育情況和導(dǎo)富水性；二是在工作面圈成后，查明查明巷道與工作面底板奧陶系峰峰組灰?guī)r富水性，隱伏構(gòu)造發(fā)育情況[8]。4.4疏水降壓與注漿加固措施

1）對查明的相對富水區(qū)進行超前鉆探疏放水，以降低水頭壓力，增加隔水層的抗水壓的能力。由于以局部含弱靜態(tài)水為主，補給、徑流條件差，符合疏水降壓的條件。2）在查明的富水異常區(qū)與斷層或陷落柱復(fù)合部位采取局部注漿加固，以防止溝通與馬家溝組灰?guī)r承壓水的聯(lián)系。

5 結(jié)束語

通過對15號煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層富水性、隔水層隔水性能、構(gòu)造發(fā)育程度及導(dǎo)水性分析，研究了15號煤層承壓開采可行性。結(jié)果表明，由于峰峰組上部灰?guī)r為極弱含水性，大中型斷層與陷落柱稀疏，且導(dǎo)水性差，小型斷層落差在2 m以下，可進行承壓開采。為確保礦井承壓開采的絕對安全性，需要采取物探、鉆探準(zhǔn)確查明相對富水區(qū)范圍的基礎(chǔ)上，進行疏放水、加大排水能力和局部注漿加固技術(shù)措施。

[1]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社.2009.

[2]牟林,李功宇,姬亞東.晉城寺河礦下組煤底板帶壓開采條件的探討[J].煤炭學(xué)報,2012（5）：755-761.

[3]于國芳，郭海英.山西柳林峰峰組含水特征及其礦井防治水的意義[J].中國煤田地質(zhì)，2005，17(4)：28-31. [4]中國科學(xué)院地質(zhì)所.中國煤礦巖溶水突水機理的研究[M].北京:科學(xué)出版社，1992.

[5]魯海峰，袁寶遠.帶壓開采煤層底板突水安全可靠性分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，37（6）:1-5.

[6]陳永新，魏丹峰.岳城礦15號煤層承壓開采安全性研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2014（9）:42-44,52.

[7]陳永慶，申江.15號煤層承壓開采安全性研究[J].中州煤炭，2014（11）:73-76.

[8]胡中信，徐進鵬.華北煤礦奧灰突水特點及防治對策研究[J].中國煤炭地質(zhì)，2009，21(10):34-36，45.

（編輯：樊敏）

Evaluation and Control Technology of M ining above Aquifer in No.15 Coal Seam in East Area of Sihe M ine

MA Xin1，2
(1.Institute of Resources and Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China; 2.Technology Center,Shanxi Jincheng Coal Group,Jincheng 048006,China)

Mining above aquifer exists in No.15 coal seam in lower part of Taiyuan Group in Carboniferous System.Quantitative and qualitativemethodswere combined to evaluate the feasibility and control technology of the mining above aquifer by indicators such as water richness of aquifers, impermeability of auitard,development degree of fault structure and water conductivity,which could providea scientific basis for the safeminingaboveaquifer.

No.15 coalseam;miningaboveaquifer;feasibility;safety;control technology

TD 322

A

1672-5050（2016）06-069-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.021

2016-05-16

馬鑫（1984-），男，河北黃驊人，在讀工程碩士，工程師，從事煤田地質(zhì)研究及科技項目管理。