基于三圖-雙預(yù)測的古城礦首采區(qū)3號煤層頂板水害評價

馬 帥

(潞安化工集團 能源事業(yè)部地測部，山西 長治 046204)

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

古城井田位于山西省長治市西，行政區(qū)劃隸屬于屯留縣、長子縣，首采區(qū)范圍以2006-2013年3次三維地震勘探和地面瞬變電磁勘探范圍為界，面積19.9 km2。首采區(qū)位于井田東部，長治盆地西部，區(qū)內(nèi)無基巖地層出露，全區(qū)為新生界第四系黃土所覆蓋，主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)及二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)，其中主采的3號煤層位于山西組下部，煤層平均厚度6.28 m。3號煤層頂板存在3個含水層，即第四系松散層孔隙含水層、基巖風(fēng)化裂隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層。其中二疊系砂巖裂隙含水層為3號煤層的直接充水含水層，是本次研究的對象。

2 “三圖-雙預(yù)測”原理

“三圖-雙預(yù)測法”,即頂板直接充水含水層的富水性分區(qū)圖、頂板垮落安全性分區(qū)圖、頂板涌(突)水條件綜合分區(qū)圖及回采工作面整體和分段工程涌水量預(yù)測、頂板直接充水含水層采前預(yù)疏放方案預(yù)測，其中涌(突)水條件綜合分區(qū)圖由富水性和垮落安全性分區(qū)圖復(fù)合疊加而成[1]。

3 頂板充水含水層富水性分區(qū)

3.1 富水性分區(qū)因子的選擇

含水層厚度較大處，一般地下水的靜儲量豐富。根據(jù)這一經(jīng)驗，統(tǒng)計了3號煤頂板細、中、粗砂巖總厚度，并圈出了含水層厚度等值線圖；根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)特征，一般在斷層帶、向斜軸部、背斜軸部、陷落柱附近裂隙發(fā)育，含水層富水性相對較好，其它地段一般富水性相對較差。根據(jù)首采區(qū)構(gòu)造發(fā)育情況，對安昌-中華大斷裂帶按富水性相對較好考慮。根據(jù)含水層鉆孔抽水試驗的數(shù)據(jù)建立充水含水層涌水量統(tǒng)計表，并對煤層頂板充水含水層作出含水層單位涌水量專題圖。通過地面瞬變電磁法獲得3號煤頂板二疊系砂巖含水層綜合富水異常分布。

3.2 富水性分區(qū)評價原則

利用鉆孔抽水試驗資料進行定量劃分，結(jié)合含水層厚度、構(gòu)造場、地面物探等特征，采用多源地學(xué)信息復(fù)合疊加原理綜合劃分煤層頂板含水層富水性。本次將單位涌水量大于0.005 L/s·m，斷層帶、背斜、向斜軸部、陷落柱附近、物探圈定的富水異常區(qū)，以及3號煤充水含水層總厚度大于160 m的地段評價為富水性相對較好區(qū)；其它地段評價為富水性相對較弱區(qū)。

3.3 富水性分區(qū)評價結(jié)果

3號煤層頂板砂巖裂隙含水層主要為二疊系上石盒子組底部K10砂巖、下石盒子組K8砂巖及3號煤頂板砂巖，為粗、中粒結(jié)構(gòu)，厚度不等，裂隙較為發(fā)育。井田內(nèi)全部被第四系黃土覆蓋，大氣降水入滲補給微弱，主要補給水源以區(qū)外裸露區(qū)為主，由于地下水運移途徑長，受上部第四系隔水層和層間隔水層影響，富水性一般較差。鉆孔單位涌水量多小于0.01 L/s·m，礦化度最大為917 mg/L，水化學(xué)類型多為HCO3·Cl—Na或HCO3—Na型。其中3號煤頂板砂巖是3號煤的直接充水含水層，含水層平均厚5.86 m，節(jié)理裂隙較發(fā)育，但富水較弱。根據(jù)含水層富水性，結(jié)合含水層厚度、構(gòu)造場、地面物探等特征，對3號煤層頂板充水含水層富水性進行了分區(qū)。為敘述方便，本次劃分考慮了地面物探解釋含水層富水區(qū)集中區(qū)段，對富水性零星分布區(qū)段未單獨劃分。分區(qū)結(jié)果：井田北一盤區(qū)、南一盤區(qū)砂巖厚度大于160 m區(qū)域，安昌-中華地塹構(gòu)造地段，物探圈定的K10、K8砂巖、3號頂板砂巖低阻異常地段為富水性相對較好區(qū)；其余砂巖厚度小于160 m的正常地段為富水性相對較差區(qū)。

4 頂板冒裂安全性分區(qū)

4.1 導(dǎo)水裂縫帶高度計算

首采區(qū)3號煤層地層傾角一般為4°左右，在背向斜軸部局部大于15°，頂板為砂質(zhì)泥巖、砂巖、泥巖互層，頂板巖石抗壓強度為30～60 MPa。結(jié)合相鄰生產(chǎn)礦井開采中觀測實踐，采用《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標準》(MT/T1091-2008)附錄D中的垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶最大高度經(jīng)驗公式，計算公式如下：

(1)

式中：Hli為導(dǎo)水裂縫帶，m；M為累計采厚，m；n為采煤分層層數(shù)。

應(yīng)用公式(1)，對井田內(nèi)39個鉆孔進行導(dǎo)水裂縫帶計算(表1)，計算結(jié)果表明，3號煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度在121.64～177.42 m。

表1 3號煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶高度計算統(tǒng)計

4.2 3號煤層距主要含水層間距離

第四系孔隙含水層、K8和K10砂巖含水層位于3號煤頂板之上，全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育。K8、K10砂巖分別為二疊系下石盒子組底界、上石盒子組底界。根據(jù)鉆孔資料，用各鉆孔含水層底板標高減去煤層頂板標高得到3號煤距主要含水層的距離(表1)。結(jié)果表明，3號煤層頂板至K8砂巖的距離為25.95～50.59 m，距K10砂巖的距離為82.75～117.98 m。北一、南一盤區(qū)3號煤頂板至第四系松散層底部距離分別為427.80～473.30 m、432.40～544.95 m，中部安昌-中華斷裂帶地塹內(nèi)3號煤頂板至第四系松散層的距離為671.13～797.67 m。綜上所述，3號煤層工作面回采后其頂板導(dǎo)水裂縫帶全部溝通上石盒子組K10底部砂巖含水層，未溝通第四系孔隙含水層。

4.3 頂板冒裂安全性分區(qū)

導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育至K10砂巖底板以上，評價為頂板垮落危險性大區(qū)；導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育至K8砂巖底板至K10砂巖底板之間，評價為頂板垮落危險區(qū)；導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育至K8砂巖底板以下，評價為頂板垮落危險性中等區(qū)。斷層陷落柱附近評價為頂板垮落危險區(qū)。

5 頂板涌水綜合評價

通過疊加煤層頂板充水含水層富水性分區(qū)圖和煤層開采頂板充水含水層冒裂安全性分區(qū)圖得到頂板涌水綜合分區(qū)圖。綜合評價原則是：富水性相對較好區(qū)與垮落危險性大區(qū)的重疊部位，評定為頂板涌水相對大區(qū)；富水性相對較好區(qū)與垮落危險中等區(qū)疊加部位，富水性相對較差區(qū)與垮落危險性大區(qū)、危險區(qū)疊加部位，評定為頂板涌水相對較小區(qū)；富水性相對較差區(qū)與垮落危險中等區(qū)疊加部位，評定為頂板涌水相對小區(qū)。

根據(jù)計算結(jié)果，3號煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度在121.64～177.42 m，3號煤層距離下石盒子組砂巖K8砂巖25.95～50.59 m，距離上石盒子組K10砂巖82.75～117.98 m。比較兩組數(shù)字可知，3號煤層采后形成的導(dǎo)水裂隙帶將完全導(dǎo)通K8砂巖，部分導(dǎo)通K10砂巖，為安全起見，將K8、K10富水性分區(qū)圖成果作為頂板直接充水含水層涌水危險性分區(qū)結(jié)果較為穩(wěn)妥。根據(jù)以上原則，通過各要素疊加，得到3號煤層頂板涌水性評價分區(qū)圖，見圖1。從圖1可以看出，深灰色區(qū)域，即首采區(qū)中部安昌-中華地塹構(gòu)造地段及南一盤區(qū)西翼大部分地段為頂板涌水相對大區(qū)；其余淺灰色正常地段為頂板涌水相對較小區(qū)。

圖1 3號煤層頂板涌水性評價分區(qū)