軒崗礦區(qū)劉家梁煤礦5號煤層帶壓開采突水危險性分析評價與防治

呂繼平

(大同煤礦集團軒崗煤電有限責任公司，山西 軒崗 034114 )

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軒崗礦區(qū)劉家梁煤礦5號煤層帶壓開采突水危險性分析評價與防治

呂繼平

(大同煤礦集團軒崗煤電有限責任公司，山西 軒崗 034114 )

為了分析評價奧灰含水層對軒崗礦區(qū)劉家梁煤礦5號煤層開采威脅程度，確保礦井安全開采，根據(jù)礦井以往相關地質及水文地質資料，本文以劉家梁煤礦5號煤層底板帶壓開采水文地質條件為基礎，通過對煤層底板奧灰含水層的富水性、隔水層的巖性組合特征、底板采動破壞深度等綜合分析，利用煤層底板采動破壞深度計算分析和5號煤層底板突水系數(shù)計算等評價方法，對煤層開采發(fā)生底板奧灰突水的危險性進行了綜合分析評價，得出了在完整底板情況下5號煤層可以安全回采，同時還提出了煤層帶壓開采的防治水技術措施。

奧灰水；帶壓開采；突水危險性；評價；防治

0 引言

劉家梁煤礦位于山西省原平市軒崗鎮(zhèn)西南，面積10.2737km2，批采煤層為2、5號，現(xiàn)主采5號煤層。礦井5號煤層底板奧灰含水層水壓為1.2～2.5MPa，煤層底板隔水層平均厚度為64.54m，煤層相對奧灰含水層為帶壓開采。建礦以來，先后發(fā)生了6次較大突水事故，最大水量為348.55 m3/h，奧灰含水層對礦井5號煤層開采造成較大威脅。隨著礦井煤層開采深度不斷加深，奧灰含水層對礦井5號煤層開采潛在威脅也逐漸加大，因此，為了確保礦井安全生產，必須對礦井5號煤層底板奧灰突水危險性進行分析評價，并制定切實有效的防治水技術措施。

1 礦井地質及水文地質

1.1 礦井地質

劉家梁煤礦位于寧武煤田的北端，屬于典型的華北型石炭系礦井。地表為黃土半掩蓋區(qū)，基巖多出露于礦井西部，從礦井外圍至礦井內出露地層由老到新依次為古生界奧陶系、石炭系、二疊系及新生界第四系。

礦井位于軒崗礦區(qū)中部。構造形態(tài)呈南東高北西低的單斜構造。地層走向大致為N30°～50°E，傾向NW，傾角3°～12°，往深部逐漸變小。受區(qū)域擠壓應力作用，形成與地層走向斜交的北西向寬緩褶曲和北東向斷層(圖1)。

1.2 礦井水文地質

根據(jù)區(qū)內含水層巖性特征及其地下水的賦存條件等因素，將礦井含水層劃分為松散巖類孔隙含水層組、碎屑巖類裂隙含水層組、碎屑巖類夾碳酸鹽巖含水層組和碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層組。

圖1 礦井構造綱要圖Figure 1 Coalmine structural outline map

根據(jù)礦井資料分析，影響礦井5號煤層開采的主要為頂板砂巖裂隙水和底板奧灰含水層。一般情況下，砂巖含水層富水性相對較弱，再加上前期煤層開采頂板垮落后對其進行了自然疏放，正常情況下對煤層開采不會造成大的影響。而奧灰含水層是該礦井主要含水層，由寒武系和奧陶系中厚層角礫狀白云質灰?guī)r、灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r等巖石組成，夾泥質灰?guī)r，以網狀溶蝕裂隙為主，溶洞次之，富水性由弱至強，再加上5號煤層底板隔水層相對較薄，部分區(qū)段底板承受水壓較高，因此，在煤層開采過程中存在發(fā)生奧灰突水的可能性，奧灰水是礦井今后防治水工作的重點。

根據(jù)區(qū)域巖溶資料分析，劉家梁礦井屬于下馬圈泉域劉家梁—長梁溝水文地質塊段，處于泉域的主徑流帶。區(qū)內軒崗礦區(qū)南部寒武、奧陶系灰?guī)r出露區(qū)為奧灰含水層的補給區(qū)，補給來源為大氣降水和河水滲漏，徑流條件好，東部河谷地段為排泄區(qū)。

據(jù)劉家梁礦井20世紀80年代末至目前水文鉆孔資料，礦井奧灰含水層水位標高為+1 134.32(OC5孔) ～+1 150.79m(OC6孔)，含水層單位涌水量為0.120 4～1.396 6 L/(s·m)，富水性為中等至強。根據(jù)劉家梁煤礦5號煤層與礦井主要含隔水層結構位置關系分析(圖2)，5號煤距奧灰含水層約60m，煤層底板奧灰含水層水壓為0.76～4.03MPa，煤層底板突水系數(shù)為0.013～0.067MPa/m，礦井部分區(qū)段突水系數(shù)大于0.06 MPa/m，為相對危險區(qū)。

圖2 主采煤層與主要含隔水層結構位置關系示意Figure 2 A schematic diagram of relationship between primary mineable coal seam and aquifer, aquifuge structural position

2 礦井5號煤層帶壓安全開采綜合分析評價

2.1 奧灰含水層富水性分析

根據(jù)礦井資料分析，劉家梁礦井奧灰含水層三組八段中，峰峰組上段和上馬家溝組上段較為富水。

根據(jù)劉家梁礦井目前涌水量構成可以看出，礦井涌水量中有三分之二為奧灰水疏放水量，近5年奧灰水疏放水量平均為807.41m3/h。根據(jù)2008年軒崗煤電有限公司地質處對各觀測孔洗井后重新觀測，奧灰水位結果比20世紀90年代下降3～3.5m。劉家梁礦井奧灰?guī)r溶水水位標高為+1134.32～+1150.79m，奧灰含水層水位下降非常有限，說明劉家梁礦井奧灰含水層富水性很強。

2.2 煤層底板隔水層阻水性能分析

2.2.1 隔水層巖性組合特征分析

煤層底板隔水性能除了與煤層埋深、開采強度、水壓力等有關外，還與煤層底板隔水層的巖性組合結構有密切關系。通常情況下，強度大的巖石(如砂巖等)抵抗水壓的能力較強，但是其巖性相對較脆，煤層回采后容易破碎形成裂隙，阻水性能相對較差；而強度較低的巖層(如泥巖、頁巖等)抗水壓能力較低，易于變形，但這種巖層在煤層回采變形后不易形成裂隙，具有很強的阻水性能。因此，煤層底板隔水層巖性組合特征對其阻隔水性能具有重要意義。

根據(jù)劉家梁礦井揭露奧灰含水層以往鉆孔資料，5號煤層底板地層強度較大的巖層為砂巖和石灰?guī)r，占隔水層總厚度的39.21%，其它的巖層占60.79%。砂巖和石灰?guī)r強度較大，具有一定的抗水能力，而頁巖、砂質頁巖、煤層等強度較低，具有一定的阻水能力，因此，5號煤層底板隔水層從巖性組合結構上看，阻水性能總體上相對較好。

2.2.2 隔水層巖石力學特征分析

從5號煤層底板巖石水理性質看(表1)，巖石強度為中硬，巖層為軟硬互層，利于對奧灰水的阻抗；從巖石的軟化系數(shù)看，巖石的軟化系數(shù)基本均小于0.75，因此，巖石易于軟化變形，不利于巖石裂隙的形成。另外，目前礦井已經揭露斷層150余條，說明礦井構造相對發(fā)育，破壞了煤層底板隔水層的完整性，降低了底板的阻抗水性能，不利于隔水層阻抗奧灰水涌入礦坑。

表1 5號煤層底板隔水層巖石力學參數(shù)

資料來源：劉家梁礦編制的《軒崗礦務局劉家梁礦礦井地質報告》，1996.

2.3 煤層帶壓開采安全性評價

2.3.1 煤層底板采動破壞深度計算分析

根據(jù)劉家梁煤礦的開采條件和采掘計劃，利用有關經驗公式計算5號煤層底板采動破壞深度(表2)。

表2 5號煤層底板破裂深度計算

根據(jù)礦井5號煤層底板隔水層厚度統(tǒng)計資料，底板隔水層厚度平均65.18m，即使底板存在10m的原始導升高度，其有效隔水層還有約30m，因此，煤層采動后采動裂隙不會直接與奧灰含水層導通。

2.3.2 突水系數(shù)計算分析評價

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中底板突水系數(shù)計算公式，結合礦井揭露奧灰含水層鉆孔資料，對5號煤層底板突水系數(shù)進行計算(表3)。

表3 5號煤層底板突水系數(shù)計算成果

根據(jù)計算結果，5號煤層部分區(qū)域底板突水系數(shù)大于0.06MPa/m，為相對危險區(qū)，其他為相對安全區(qū)。另外，根據(jù)5號煤層相關等值線圖分析，5號煤層底板最低標高為+700m，該開采標高奧灰水位標高約為+1 144m，隔水層厚度約60m，則5號煤層深部突水系數(shù)最大為0.084 MPa/m，已接近0.1 MPa/m，可見，奧灰水對5號煤層威脅還是比較嚴重的。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，結合礦井內鉆孔資料，對煤層開采底板奧灰突水的危險性進行評價。帶壓開采分區(qū)劃分如下：

T<0.06MPa/m 相對安全區(qū)(Ⅰ)

0.1>T≥0.06MPa/m 相對危險區(qū)(Ⅱ)

T≥0.1MPa/m 突水危險嚴重區(qū)(Ⅲ)

根據(jù)表4計算結果，對5號煤層開采進行分區(qū)(如圖3)。我們可以看出，5號煤層部分采掘區(qū)域(圖中紅色充填區(qū)域)為相對危險。

2.4 綜合分析評價

根據(jù)劉家梁煤礦5號煤層帶壓開采水文地質條件分析，奧灰含水層上部富水性相對較弱。根據(jù)突水系數(shù)計算，突水系數(shù)均小于0.1MPa/m，因此，5號煤層帶壓開采在大部分完整底板情況下是安全的，但在礦井構造相對發(fā)育的地區(qū)還是存在一定危險的。

3 防治水技術措施

(1)對礦井5號煤層淺部煤層來說，煤層帶壓開采條件整體較為有利，安全性相對較好，可實現(xiàn)帶壓開采；而對5號煤層相對埋深較大煤層，突水系數(shù)已經大于0.06MPa/m(底板標高約+840m以下煤層)，再加上礦井奧灰含水層富水性較強，礦井構造發(fā)育，可能存在導水斷層或陷落柱，因此，在實際生產中除了要加強井下的精細化探查工作外，還要對深部5號煤層帶壓開采條件進行進一步探查，同時采取注漿加固等技術措施，確保礦井安全生產。

(2)在突水系數(shù)已經大于0.06MPa/m的采掘區(qū)段，回采工作面形成后要采用音頻電穿透和直流電法對5號煤層底板的富水異常區(qū)進行探測，確定奧灰含水層的原始導升高度、富水性分布和煤層底板富水異常區(qū)，為探放水提供靶區(qū)。

(3)利用鉆探對異常區(qū)段進行驗證，確定異常區(qū)域的富水性、構造分布等，并對鉆孔水壓、水量、水溫及水化學特征進行綜合分析，確定異常區(qū)是否與奧灰含水層具有水力聯(lián)系。

(4)根據(jù)物探、鉆探等探查成果，對回采工作面突水危險性進行分析評價，對重點異常區(qū)煤層底板隔水層采取超前注漿加固技術措施，提高煤層底板的阻隔水性。

圖3 突水危險性分區(qū)Figure 3 Water bursting hazard partitioning

4 主要結論

(1)通過對劉家梁礦5號煤層底板奧灰含水層富水性、底板隔水層阻水性能、帶壓開采安全性計算等綜合分析，劃定了相對安全區(qū)(Ⅰ)、相對危險區(qū)(Ⅱ)和突水危險嚴重區(qū)(Ⅲ)，對礦區(qū)的5號煤層底板奧灰水突水危險性進行了客觀評價，為煤礦5號煤層實現(xiàn)帶壓安全開采提供了科學技術依據(jù)。

(2)5號煤層帶壓開采大部分處于帶壓開采相對安全區(qū)，有一定厚度的隔水層，隔水層的巖性組合為軟硬互層結構，具有相對較好的阻水性能，在此區(qū)域開采是相對去安全的。

目前礦區(qū)513區(qū)5131、5133和5134等工作面已安全回采，解放受奧灰水威脅煤炭儲量1059萬t，充分證明了劉家梁5號煤層底板奧灰水突水危險性評價的正確性以及防治水技術措施的科學性，為進一步實現(xiàn)深部煤層開采提供了科學依據(jù)。

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Water Bursting Hazard Analytical Assessment and Control of Coal No.5 Mining under Safe Water Pressure of Aquifer in Liujialiang Coalmine, Xuangang Mining Area

Lyu Jiping

(Xuangang Coal and Power Co. Ltd., Datong Coalmine Group, Xuangang, Shanxi 034114)

To ensure coalmine safe mining have analytically assessed the threat level from the Ordovician limestone aquifer on the mining of coal No.5 in the Liujialiang coalmine, Xuangang mining area. Based on previous related geological and hydrogeological data, and Liujialiang coalmine coal No.5 floor mining under safe water pressure of aquifer hydrogeological condition, comprehensively analyzed coal floor Ordovician limestone aquifer water yield property, aquifuge lithological association features, and mining-induced floor failure depth. Through coal floor failure depth estimation and analysis, coal No.5 floor water bursting coefficient estimation assessment method have comprehensively assessed the floor Ordovician limestone water bursting hazard during coal mining. The result has shown that under the complete floor condition, coal No.5 could be safely extracted; meanwhile, water control technical measures have been put forward for coal mining under safe water pressure of aquifer.

Ordovician limestone water; mining under safe water pressure of aquifer; water bursting hazard; assessment; control

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.05.11

1674-1803(2017)05-0057-05

呂繼平(1966—)山西五臺人，工程師，從事礦井地質工作。

2017-01-05

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責任編輯：樊小舟