華融龍宮煤礦奧灰?guī)洪_采安全評價及防治水措施

張士全

（中國煤炭地質(zhì)總局 第一勘探局地質(zhì)勘查院，河北 邯鄲 056004）

0 引言

華融龍宮煤礦水患主要為井田內(nèi)采空區(qū)積水（老窯水）和周邊煤礦采空區(qū)積水、煤層底板奧灰?guī)r溶水以及地表水、松散巖類孔隙水和基巖風化帶裂隙水，其中奧灰?guī)r溶水是該礦主要的安全隱患。為科學評價奧灰水患，制定針對性水害防治措施，全面提高礦井防治水工作水平和水害治理能力，本文結(jié)合已有水文地質(zhì)資料，對華融龍宮煤礦奧灰水文地質(zhì)條件分析與評價，為礦井開展防治水工作提供技術(shù)依據(jù)。

1 概況

華融龍宮煤礦位于忻州市原平市軒崗鎮(zhèn)龍宮村，生產(chǎn)規(guī)模為90 萬t/a，井田面積為9.242 7 km2，煤礦于2010 年10 月建井，2014 年12 月正式投產(chǎn)，主采2 號、5 號煤層。

2 礦井水文地質(zhì)特征

華融龍宮煤礦地勢整體東北部高、西南部低，地層總體上為向北西傾伏的單斜構(gòu)造，依據(jù)該區(qū)地層發(fā)育狀況及水文地質(zhì)特征，可將該區(qū)含水層劃分為新生界第四系砂礫石含水層、石炭系二疊系含水層、石炭系太原組碎屑巖類夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層、奧陶系碳酸鹽巖溶裂隙含水層。由于該礦井西部奧灰?guī)洪_采，在構(gòu)造導(dǎo)水地段煤層底板受奧灰突水影響較大，因此重點分析對煤層開采有影響的奧陶系碳酸鹽巖溶裂隙含水層。

2.1 奧灰含水層巖性及富水性特征

井田奧灰含水層為隱伏承壓含水層，總厚約600 m，奧灰頂面埋藏深度為100～600 m，埋藏標高為+750—+1 350 m。據(jù)相鄰軒崗礦區(qū)資料，結(jié)合該礦LG21、LG122 水文鉆孔和在井下施工的7 個奧灰探水鉆孔，揭露了該礦奧灰含水層特征，主要含水層為上馬家溝組三段（O2s3)和峰峰組二段（O2f2)。

O2f2 含水層平均厚度43.50 m，巖性上部為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r互層，巖溶裂隙發(fā)育不均，下部為豹皮灰?guī)r、灰?guī)r和白云巖互層，裂隙、溶洞呈層狀發(fā)育，直接與煤系地層接觸，是威脅礦井生產(chǎn)安全的主要水患。

O2s3 含水層平均厚69 m，巖性以中厚層狀灰?guī)r為主，間夾泥質(zhì)白云巖、豹皮灰?guī)r，裂隙巖溶特別發(fā)育，多成層分布，滲透性強。

從地面水文鉆孔和井下奧灰探水鉆孔抽水試驗成果可知（表1～表2），1030 聯(lián)絡(luò)巷水井、LG21孔、25101 回風順槽平巷奧觀1 孔，富水性中等，其余鉆孔富水性均為弱，顯示富水性的不均一性和控水因素較復(fù)雜特點。

表1 地面水文鉆孔抽水試驗成果表Table 1 Results table of surface hydrological drilling hole pumping test

水化學類型以HCO3·SO4-Ca·Mg 為主，礦化度0.359～0.603 g/L，與馬圈泉水化學類型基本相同，但礦化度較馬圈泉0.355～0.435 g/L 略高，顯示該井田存在煤系砂巖水補給或地下水滯流特征。

2.2 奧灰水位特征

目前礦井有4 個奧灰水文長觀孔，主要分布在1030 大巷及西翼，水井、25101-奧觀1、奧觀2、奧觀3 四個鉆孔，奧灰水位觀測值分別為+1 142、+1 140、+1 136、+1 136 m。由于受該礦及鄰近礦井開采抽放水影響，奧灰水水位呈下降趨勢，水井奧灰水位標高由原來的+1 168 m 降到+1 142 m。結(jié)合區(qū)域奧灰水水位資料及以往水文鉆孔LG122水位，確定井田內(nèi)奧灰水流向總體為自北東向南偏西方向徑流，略具逆置式特點，與馬圈泉排泄區(qū)特點接近，地下水水力坡度1.5‰左右，井田內(nèi)奧灰水水位標高在+1 136—+1 142 m。

2.3 奧灰?guī)r溶發(fā)育特征

各奧灰觀測孔鉆進奧灰頂界面時水量平均0.1 m3/h，水量較小，富水性弱，在鉆進到奧灰頂界面以下一定深度時水量有一定量的增加，說明巖溶開始發(fā)育，根據(jù)各奧灰觀測孔揭露情況，巖溶裂隙初始發(fā)育深度為11.9～40 m，平均26.13 m（表2），以上數(shù)據(jù)說明由于沉積間斷后的充填作用，該井田奧灰頂部普遍存在一定厚度的隔水層，增加了煤層底板隔水層厚度，有利于煤礦安全帶壓回采。

表2 奧灰含水層巖溶發(fā)育數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 2 Data statistical table of Ordovician limestone aquifer karst development

3 奧灰突水主要影響因素分析

3.1 隱伏斷層和陷落柱

根據(jù)對國內(nèi)底板突水案例的研究，斷層、褶皺和巖溶陷落柱是與底板突水相關(guān)性較大的地質(zhì)構(gòu)造類型，其中斷層及陷落柱在底板突水中占有較大比例。

井田內(nèi)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，多為走向NE，傾向NW 的正斷層，發(fā)育大小斷層21 條，均為有次序的平行排列，落差5～35 m，查明陷落柱3 個{（D）X1、（D）X2、（D）X3}，主要分布在井田中部，陷落柱的平面形態(tài)為橢圓或近似圓形。礦井采掘2 號煤揭露斷層和陷落柱時，未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水現(xiàn)象，隨著采動面積的增大，地應(yīng)力重新分布等因素的影響，奧灰水在構(gòu)造的薄弱部位導(dǎo)水的可能性增大，可能發(fā)生突水事件，故導(dǎo)水斷層和隱伏陷落柱是礦井突水的重要隱患。

3.2 隔水層巖性、厚度

對煤層底板突水起主要抑制作用的是底板隔水層，而底板隔水層的巖性組合、厚度等是影響其隔水能力的主要指標。厚度越大則阻水能力越強，厚度的增加不僅提高了隔水層的力學性能，還使得隔水層被完全破壞的概率降低。實際上隔水層只由一種巖性組成的可能性非常小，通常都是由多種巖性組成的，而不同巖性的力學強度及阻水能力是不同的，強度較大的脆性巖抗壓能力強、強度較小但塑性大的塑性巖的抗?jié)B能力強。

井田內(nèi)2 號煤層底板隔水層厚度88.17～98.74 m，5 號煤層底板隔水層厚度44.1～73.7 m（表3）。

表3 2 號煤、5 號煤底板至奧灰頂隔水層厚度統(tǒng)計Table 3 Thickness statistical table of aquifuge from No.2 and No.5 coal floor to Ordovician limestone roof

其巖性組合為泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖及煤層，屬軟、硬巖互層類型隔水層，泥巖、砂質(zhì)泥巖等泥質(zhì)軟巖類占了73.96%，砂巖及石灰?guī)r等硬巖類占了26.04%，泥巖成份以泥質(zhì)為主，微含砂質(zhì)及碎屑物，構(gòu)成了不透水的良好隔水層；砂巖及薄層灰?guī)r結(jié)構(gòu)致密、堅硬、強度高，裂隙不發(fā)育，構(gòu)成了基本不透水的隔水層；這種含、隔水層相互疊置組成的地層結(jié)構(gòu)，有效地限制了砂巖與薄層灰?guī)r的垂直裂隙發(fā)育，對提高底板的抗壓強度及隔水能力最為有利，在不受地質(zhì)構(gòu)造破壞及構(gòu)造裂隙溝通的情況下，具有很好的隔水性能及抗奧灰水突水能力。

3.3 奧灰水壓和富水性

奧灰含水層的富水性及水壓是影響底板突水控制作用最重要的兩個因素。富水性的強弱決定了突水后涌入礦井水量的大小及時間，底板隔水層在強大水壓的作用下，通常使得已有的的裂隙發(fā)生擴展，甚至形成新的裂隙，使得底板巖體的完整性進一步遭到破壞，地下水在強大壓力的作用下沿裂隙或者其它軟弱結(jié)構(gòu)面向上浸入底板隔水層，隨著地下水勢能的減少，在能量守恒的前提下，勢能轉(zhuǎn)化為動能，為底板突水提供動力源。

根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔水位觀測結(jié)果，結(jié)合區(qū)域水位資料，確定井田內(nèi)奧灰水水位標高為+1 136—+1 142 m。該礦奧灰主要含水層有上馬家溝組三段（O2s3)和峰峰組二段（O2f2)，單位涌水量0.0126～0.892 L/S·m，富水性弱—中等，富水性不均一，不排除局部地段存在富水性強區(qū)域，礦井在帶壓區(qū)生產(chǎn)中應(yīng)引起特別重視。

4 煤層奧灰?guī)洪_采評價

目前評價底板水害威脅程度最常用的方法為突水系數(shù)法，該方法是基于實例統(tǒng)計，采用突水概率統(tǒng)計方法將隔水層厚度及底板承受水壓作為評價指標的方法，較適用于完整地段帶壓開采安全性評價?；诰? 號、5 號煤層隔水層厚度總體穩(wěn)定、局部裂隙發(fā)育的特征，在底板突水危險性評價中運用突水系數(shù)法進行評價。

4.1 突水系數(shù)的計算

采用以下公式計算2 號、5 號煤層奧灰水突水系數(shù)。

式中：T 為突水系數(shù)，MPa/m；P 為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa；M 為底板隔水層厚度，m。

計算式（1）中參數(shù)P 與M 確定說明：

P：與奧灰水頭直接有關(guān)，此次采用目前4 個井下觀測孔中最大水位標高+1 142 m（水井觀測值）。

M：5 號煤至奧灰隔水層厚度采用表3 隔水層厚度最小值為44.10 m；2 號煤層至奧灰隔水層厚度采用95.90 m。

突水系數(shù)法進行底板突水危險性預(yù)測預(yù)報的關(guān)鍵，在于確定臨界突水系數(shù)TS，可定義為每米隔水層厚度所承受的最大水壓值。若TTS，則說明底板不安全，發(fā)生底板突水的可能性大。就全國實際資料看，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段不大于0.1 MPa/m。

4.2 帶壓開采分區(qū)

井田內(nèi)奧灰水水位標高在+1 136—+1 142 m，2 號煤層底板標高為800—1 520 m，5 號煤層底板標高為720—1 460 m，2、5 號煤層在井田西部存在奧灰?guī)骸?/p>

根據(jù)礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育特征，該礦構(gòu)造屬中等類型。依據(jù)《煤礦防治水細則》附錄五中“底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞的地段不大于0.1 MPa/m”的規(guī)定，此次帶壓區(qū)分區(qū)劃分原則為：T<0.06 MPa/m 時，發(fā)生突水的可能性較小，劃分為帶壓非突水危險區(qū)；0.060.1 MPa/m 時，突水危險性大，極易發(fā)生突水，為帶壓突水危險區(qū)。

經(jīng)計算：

T=0.06 時，2 號煤臨界標高+645.24 m；5 號煤臨界標高+913.56 m。

T=0.10 時，2 號煤臨界標高+250.13 m；5 號煤臨界標高+731.87 m。

井田內(nèi)2 號煤層最低底板標高為+800 m，其最大突水系數(shù)TS=0.044 7 MPa/m，小于0.06 MPa/m，因此2 號煤層帶壓開采劃分為2 個區(qū)，帶壓非突水危險區(qū)（2 號煤層標高+800—+1 142 m）和無帶壓區(qū)（2 號煤層標高大于+1 142 m）。

井田內(nèi)5 號煤層最低底板標高為+720 m，其最大突水系數(shù)TS=0.103 6 MPa/m，大于0.1 MPa/m；因此5 號煤層帶壓開采劃分為4 個區(qū)，帶壓突水危險區(qū)（5 號煤層標高在+731.87 m 以下）；帶壓突水威脅區(qū)（5 號煤層標高+731.87—+913.56 m）；帶壓非突水危險區(qū)（5 號煤層標高+913.56—+1 142 m）；無帶壓區(qū)（5 號煤層標高+1 142 m 以上）。

2 號、5 號煤層帶壓分區(qū)圖分別如圖1、圖2所示。正常開采情況下奧灰水對2 號煤層的開采影響不大，可以實現(xiàn)2 號煤層的安全開采；奧灰水對5 號煤層開采存在一定的隱患，特別是5 號煤層西北角突水系數(shù)大于0.1 MPa/m，突水危險性大。

圖1 2 號煤層奧灰水帶壓分區(qū)圖Fig.1 Ordovician limestone water zoning diagram under pressure in No.2 coal seam

圖2 5 號煤層奧灰水帶壓分區(qū)圖Fig.2 Ordovician limestone water zoning diagram under pressure in No.5 coal seam

5 防治水措施

（1）該井田斷層、陷落柱較發(fā)育，所以在采掘過程中，必須采取必要的措施，給斷層、陷落柱留設(shè)足夠的防水煤柱，并按“預(yù)測預(yù)報、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則組織生產(chǎn)，防止突水事故發(fā)生。

（2）加強和完善礦井地下水監(jiān)測系統(tǒng)，留設(shè)奧灰長觀孔，對奧灰水實施動態(tài)監(jiān)測。

（3）利用物探、鉆探等綜合探查手段，查清井田內(nèi)現(xiàn)有斷層、陷落柱等構(gòu)造的導(dǎo)水性和富水性，按照《煤礦防治水細則》附錄六留設(shè)防隔水煤柱，必要時采取注漿方法封堵加固等防治措施，并采用注漿、物探與鉆探等方法對注漿改造效果進行驗證、檢查和評價。

（4）采取優(yōu)化開采設(shè)計，控制工作面規(guī)模，調(diào)整工作面布置，改變頂板控制方法，協(xié)調(diào)開采順序，控制采高等措施，以減輕開采對底板隔水層的破壞。開展底板破壞深度探測，對底板薄弱帶進行預(yù)注漿加固。

（5）在帶壓區(qū)內(nèi)，要時刻注意工作面情況、涌水量變化、奧灰水位變化，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，必須立即采取相應(yīng)的防治水措施。

6 結(jié)論

通過分析華融龍宮煤礦奧灰水文地質(zhì)條件及評價奧灰?guī)洪_采后得出如下結(jié)論。

（1）2 號、5 號煤層均在井田西部存在奧灰?guī)?。正常開采情況下奧灰水對2 號煤層的開采影響不大，可以實現(xiàn)2 號煤層的安全開采。

（2）5 號煤層存在T＞0.06 MPa/m 的區(qū)域，奧灰水對5 號煤層開采存在一定的隱患，尤其是突水系數(shù)大于0.1 MPa/m 的西北區(qū)域，突水危險性大，開采過程中須引起重視。要實現(xiàn)5 號煤層的帶壓安全開采，應(yīng)采取疏水降壓、預(yù)注漿加固等手段，但在構(gòu)造發(fā)育地段還應(yīng)加強隱伏構(gòu)造探測治理工作。