黔北煤田灰巖含水層對開采13號煤層的影響研究

李回貴,蘇德國,孫 維,許國勝,王 軍,3

(1.貴州工程應用技術學院 礦業工程學院,貴州 畢節 551700; 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400039;3.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院,北京 100083)

煤炭資源是我國現階段最主要的能源,并將在未來相當長的時間處于我國一次能源消費的主導地位,這是由我國能源賦存情況及技術條件所決定的。近年來,隨著煤礦開采深度的逐漸增加,底板水害問題日益突出[1-2]。底板水害大部分發生在工作面回采過程中,少部分發生在掘進過程中,這主要是由于采掘活動改變了圍巖的應力狀態、孔隙結構及滲透率,降低了隔水層的隔水能力,導致圍巖不能抵抗承壓水的壓力而發生突水[3-6]。

針對底板水的突水機理、監測、預測預警、底板加固等方面,國內外學者進行了深入的研究。尹尚先等[7]對石炭二疊系煤田深部底板奧灰薄灰突水機理及防治技術進行了研究;靳德武等[8]以華北典型煤田煤層底板突水問題為切入點,對煤層底板水害三維監測與智能預警系統進行了研究;余國鋒等[9]以淮河能源集團開采深部A組煤遇到的水害問題為研究對象,建立了底板突水災害大數據預測預警平臺;許延春等[10]運用孔裂隙彈性體理論,建立了注漿加固工作面底板突水“孔隙—裂隙升降型”力學模型;蔣向明等[11]采用區域超前探查治理技術對邯鄲礦區深部采煤底板水害進行治理,提出了“探、注、驗一體化”的治理思路[11];付茂如等[12]采用音頻電透視技術和三維并行電法技術對礦井工作面底板水害進行了綜合探查;袁子航[13]、劉建林[14]等采用定向鉆孔技術對煤層底板水害進行了探查與防治;李濤等[15]在基于承壓水單孔放水實驗的基礎上,提出了底板分類注漿方案;梁盛開[16]、趙亞飛[17]、曹廣宇[18]、樊娟[19]等對黔北地區的頂底板突水機理、隱蔽水害致災因素、龍潭組下組煤開采充水特征及巖溶含水層特征進行了研究。

黔北煤田金沙片區茅口組灰巖對開采13號煤層的影響較大,此類研究相對較少。目前金沙片區需要將13號煤層作為9號煤層的保護層先行開采,抽采9號煤層的瓦斯,降低瓦斯災害事故的發生。因此,開展13號煤層安全開采可行性研究,為后期金沙片區內的礦井開采深部13號煤層提供依據,對于保障金沙片區煤礦的安全生產具有重要意義。以金沙片區煤礦為研究對象,首先分析底板隔水層巖性及其特征,然后采用《煤礦防治水細則》中的突水系數法[20]及SUFER軟件,分析隔水層厚度、茅口組含水層水頭值、13號煤層底板突水系數和13號煤層底板突水危險性。

1 研究區域概況

研究區位于貴州省西北部畢節市金沙縣境內,地處黔北高原,屬以巖溶地貌為主的中低山侵蝕、剝蝕地貌。地勢西高東低,最高點位于研究區域西界王家屋基附近的山坡上,標高約為1 625 m;最低點位于研究區東端邊界附近,標高約為1 025 m。研究區內最大相對高差約600 m;地表標高一般為1 250～1 450 m,高差100～200 m。研究區域走向長4.0～6.0 km,傾斜寬3.0～4.0 km,面積21.8 km2。根據研究區域內地質資料可知,13號煤層底板茅口組(P2m)含巖溶溶洞水,富水性強,具有不均勻性,屬巖溶強含水層。研究區域內茅口組灰巖平均靜水位1 296.52 m,并且茅口組灰巖出露礦區南側及西北側外部,地表呈峰林、落水洞、溶斗、巖溶洼地地貌,發育有地下河,上述地表出露與巖溶通道為茅口組灰巖提供了良好的水源和補給通道。

2 研究區域隔水層及其特征

2.1 研究區域隔水層厚度及巖性特征

研究區域內歷次勘探揭露二疊系地層的鉆孔有 38 個,根據獲得的鉆孔巖性參數對38個鉆孔13號煤層至茅口組灰巖頂界的巖層厚度、總厚度及各巖層占比進行了統計分析。對研究區內13號煤層底板至茅口組灰巖頂界的巖性及隔水層厚度統計分析發現,研究區域內13號煤層底板隔水巖組由泥巖、石灰巖、粉砂巖、泥灰巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、炭質泥巖、鈣質粉砂巖、煤、細砂巖、粗砂巖、鋁質泥巖等12種巖石組成。部分鉆孔柱狀圖如圖1所示。

(a)J1604鉆孔

2.2 研究區域隔水層隔水性能分析

隔水層巖性決定巖層的隔水性能。組成巖層的礦物顆粒越細,其隔水性能越好。根據上述分析可知,13號煤層至茅口組灰巖頂界中共有9種隔水性能較好的巖層,平均厚度14.88 m,隔水性巖層總厚度占隔水層厚度平均為75.56%。隔水層的厚度影響巖層的隔水能力。隔水層的厚度越大,其隔水性能也就越好。不同的巖性組合也決定底板的阻水性能,因此,判斷底板的巖性組合對礦山安全開采十分重要。結合圖1可以發現,研究區域內隔水層巖性上下巖層相對較軟、中間巖層相對較硬,這種隔水層結構在13號煤層開采時采動破壞相對較小,水壓破壞不易發生,說明采動底板破壞深度和承壓水導升高度相對較小,因此,這種巖性組合的隔水層隔水性能相對較好。

3 茅口組灰巖含水層對開采13號煤層的影響

3.1 突水系數法

我國目前最常用的評判帶壓開采安全標準是突水系數,參考《煤礦防治水細則》附錄五中關于“安全隔水層厚度和突水系數計算公式”[20],該突水系數用地下水水壓與隔水層厚度的比值來表示:

(1)

式中:T為突水系數,MPa/m;p為底板隔水層承受的實際水頭,MPa;M為底板隔水層的厚度,m。

根據我國煤礦底板突水的實際資料來看,底板受構造破壞段的突水系數不得大于0.06 MPa/m,隔水層完整無斷裂構造破壞地段的突水系數不得大于0.10 MPa/m。

3.2 13號煤層底板隔水層厚度

為了研究茅口組灰巖含水層對13號煤層開采井下工作面發生底板突水的危險性,對研究區域內的38個鉆孔13號煤層底部隔水層厚度等信息進行統計分析。13號煤層底板距離茅口組灰巖含水層頂界的隔水層厚度為13.53～35.15 m,平均值為19.48 m,只有極個別鉆孔揭露的隔水層厚度大于30 m。根據鉆孔數據繪制13號煤層底板隔水層厚度等值線圖,如圖2所示。對比全國范圍內其他煤礦突水事故的情況,黔北煤田金沙片區底板隔水層厚度相對較小。從圖2中可以看出:研究區域西北部范圍內13號煤層底板隔水層相對較厚,其他區域厚度較小,表現出從北向南隔水層厚度逐漸減小的趨勢。

圖2 13號煤層底板隔水層厚度等值線圖

3.3 茅口組灰巖含水層水頭值

根據貴州省煤田地質局地質勘察研究院提交的研究區域精查地質報告和補充勘探地質報告提供的數據顯示,茅口組靜水位為152.76～1 331.11 m,平均值為1 296.52 m。統計了38個鉆孔茅口組灰巖頂界埋深和靜水位標高(見表1),計算了茅口組灰巖含水層水頭值,并且根據鉆孔數據繪制了研究區域內茅口組灰巖水頭值的等值線圖,如圖3所示。結合表1和圖3可以發現,茅口組灰巖頂界埋深為728.05～1 158.71 m,平均值為957.15 m;茅口組灰巖含水層水頭值為1.35～5.57 MPa,平均值為3.33 MPa;茅口組灰巖含水層水頭值主要沿煤層延伸方向逐漸增高。

圖3 13號煤層底部隔水層所受水頭值等值線圖

3.4 13號煤層掘進工作面安全隔水層厚度

分析13號煤層進行巷道掘進作業時掘進工作面安全隔水層厚度,采用《煤礦防治水細則》[20]附錄五中關于“安全隔水層厚度和突水系數計算公式”,其中掘進工作面安全隔水層厚度計算公式如下:

(2)

式中:t為安全隔水層厚度,m;γ為底板隔水層巖層平均重度,MN/m3;L為巷道底板寬度,m;Kp為底板隔水層的平均抗拉強度,MPa。

根據研究區域地質資料和生產狀況,巷道底板寬度L取4 m;底板隔水層巖層平均重度γ取0.025 MN/m3;底板隔水層承受實際水頭p依據研究區域最低點705鉆孔數據,取5.68 MPa;底板隔水層的平均抗拉強度Kp取2.0 MPa。將上述參數代入式(2)計算得到掘進工作面安全隔水層厚度t=5.35 m。

由表1中的13號煤層隔水層厚度統計數據可以發現,研究區域全區范圍內13號煤層掘進工作面安全隔水層厚度均能夠滿足要求,在掘進工作中正常情況下一般不會出現突水威脅;但是當遇導水斷裂帶、斷層帶、陷落柱、導水地質構造時,仍然有突水危險,所以生產過程中應采用物探、鉆探等技術手段查明地質構造情況。

3.5 13號煤層底板突水系數分析

選取研究區域內13號煤層與茅口組灰巖的隔水層厚度數據,將不同埋深13號煤層底板所受茅口組灰巖含水層實際水頭值代入式(1),計算得到研究區域內13號煤層底板突水系數(見表1),繪制突水系數等值線圖,如圖4所示。

圖4 13號煤層底板突水系數等值線圖

從表1可以看出,研究區域內38個鉆孔中:突水系數T<0.06 MPa/m的鉆孔有1個(701鉆孔);0.06≤T<0.10 MPa/m的鉆孔有4個;0.10≤T<0.15 MPa/m的鉆孔有8個;T≥0.15 MPa/m的鉆孔有25個。

從圖4可以發現,研究區域內13號煤層底板茅口組灰巖含水層突水系數為0.049～0.328 MPa/m,突水系數大的區域位于研究區域西北部,該部分區域13號煤層埋深較大,底板隔水層所受水頭值較大,且底板隔水層厚度較小。整體而言,13號煤層淺部區域突水系數相對較小,自西南向東北方向逐漸變大。

3.6 13號煤層底板突水危險性分區

根據《煤礦防治水細則》附錄五中關于“安全隔水層厚度和突水系數計算公式”,從我國煤礦底板突水的實際資料來看,底板受構造破壞段的突水系數不得大于0.06 MPa/m,隔水層完整無斷裂構造破壞的地段的突水系數不得大于0.10 MPa/m。將研究區域13號煤層底板突水系數等值線圖劃分為非危險區(突水系數T<0.06 MPa/m)、較危險區(0.06≤T<0.10 MPa/m)、危險區(0.10≤T<0.15 MPa/m)、極危險區(T≥0.15 MPa/m),具體如圖5所示。

圖5 13號煤層底板突水危險性分區圖

從圖5中可知,研究區域內非危險區(突水系數T<0.06 MPa/m)僅出現在區域的西北部(該區域煤層埋藏較淺且底板隔水層相對較厚)零星區域,面積有限,約為3 368 m2,非危險區面積占比為0.03%。研究區域內較危險區(0.06≤T<0.10 MPa/m)僅出現在區域的西北部(該區域煤層埋藏較淺且底板隔水層相對較厚)和南部(該區域煤層埋藏較淺)面積較小的區域,為257 318 m2,較危險區面積占比為2.59%。研究區域內危險區(0.10≤T<0.15 MPa/m)出現在區域的西北部和南部的區域,即黃色填充區域,面積為1 536 620 m2,危險區面積占比為15.46%。研究區域內極危險區(T≥0.15 MPa/m)出現在區域的西北部和南部的區域,即橘紅色填充區域,為研究區域的大部分區域,面積為8 140 891 m2,極危險區面積占比為81.92%。各區域所占面積見表2。

表2 13號煤層底板突水危險性分區統計

綜上所述,通過突水系數法進行判斷,13號煤層開采時西北部零星區域內滿足承壓水上開采的安全性要求,其余區域內進行茅口組灰巖承壓水上開采時存在不同程度的突水危險性,尤其是在占大部分區域的極危險區內進行開采時,受茅口組灰巖水害威脅大,茅口組灰巖水害的防治工作困難。

4 結論

為了研究黔北煤田金沙片區茅口組灰巖含水層對開采13號煤層的影響,統計了研究區域內38個鉆孔的巖性、隔水層厚度和茅口組灰巖頂界埋深等數據,計算了茅口組灰巖頂界含水層水頭值,并采用《煤礦防治水細則》中的突水系數法分析了研究區域內的突水系數,研究發現:

1)13號煤層底板隔水層由泥巖、石灰巖、粉砂巖、泥灰巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、炭質泥巖、鈣質粉砂巖、煤、細砂巖、粗砂巖、鋁質泥巖等12種巖石組成。其中,隔水性能較好的巖層有9種,累計厚度占隔水層厚度比例平均為75.56%;含水性巖層有3種,累計厚度占隔水層厚度比例平均為24.44%。

2)13號煤層底板隔水層厚度為13.53～35.15 m,平均值為19.48 m;13號煤層掘進工作面安全隔水層厚度為5.35 m,正常情況下隔水層厚度能夠滿足要求,但是應注意斷層等構造的影響,生產過程中應采用物探、鉆探等技術手段查明地質構造情況。

3)研究區域內38個鉆孔中:T<0.06 MPa/m的鉆孔有1個(701鉆孔),占比2.6%;0.06≤T<0.10 MPa/m的鉆孔有4個,占比10.5%;0.10≤T<0.15 MPa/m的鉆孔有8個,占比21.1%;T≥0.15 MPa/m的鉆孔有25個,占比65.8%。

4)研究區域內非危險區面積占比為0.03%,較危險區面積占比為2.59%,危險區面積占比為15.46%,極危險區面積占比為81.92%。