陈宜新
摘要:全面细致地交换分析两井边界采区地质、测量、水文资料,是降低各类开采风险的重要技术保证;该文通过对井田边界地质及水文地质条件进行分析,作出了其未采区开采风险预测,并提出了降低开采风险的相关对策与建议。
关键词:井田边界 断层 风险预测
1 煤系地层特征
井田煤系地层为二迭系,厚约800m,其下统山西组、下石盒子及上统上石盒子组为主要含煤地层,含煤40余层,已定名34层,自下而上分A、B、C、D、E五个含煤组。下部A、B、C三组为开采对象,含可采与局部可采煤层13层,总厚度22.95m,含煤系数5.47%,其中C13、B11b、B9b、B7b、B4b、A1为本区主采煤层。含煤地层岩性主要由细~粗砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、铝土岩、煤层等组成,属河湖相沉积建造。
2 井田边界地质构造特征
井田构造复杂,自西向东发育的主体构造有F3-4、F4、F5等一系列高角度同倾斜切正断层,煤岩层走向受断层牵引作用而西扭,尤其在F5断层附近,受构造张扭作用煤层走向变化更大,形成宽缓褶曲构造。断层发育特征:①F3-4、F4、F5均为正断层,属张扭力学性质,断层带内充填有角砾岩及断层泥等。②断层走向与煤层走向斜切夹角在38°~45°之间,断层面陡立,倾角70°以上,与煤层同倾,落差向深部增大。③三条主断层间距近乎均等,沿煤层走向间隔240m左右,近似平行展布。④断层组合型式为阶梯状,走向上由西向东煤层逐级抬升。⑤旁侧次生断层极其发育,对开采影响很大。
3 井田边界水文地质特征
3.1 第四系冲积层流砂层含水层及“天窗”区 第四系冲积层不整合覆盖于煤系地层之上,总厚15~38m,自上而下可分为表土层、流砂层及泥灰岩三层结构。流砂层厚5~11m,孔隙度32.73~35.16%,给水度26%,单井涌水量q=0.69~3.42L/s.m,渗透系数k=3.09~17.73m/d,结构松散为地下水所所饱和,富水性强,水位标高+15~18.5m,属孔隙承压含水层。泥灰岩厚0~16m,直接覆盖于煤系地层之上,由西向东厚度变薄至尖灭,由南向北逐渐增厚,岩性复杂,q=0.001~0.029L/s.m,k=0.002~0.45m/d,属弱透水或不透水层,为水体下采煤的良好隔水层。
3.2 煤系地层砂岩富水性 煤系地层隐覆于第四系地层之下,基岩面标高+5~-24m,其中C13、B11b、B9b、B4b、A2五个煤层顶板砂岩为脉网状裂隙含水层,富水性受控于裂隙发育程度,不同块段差异很大。
3.3 太原群灰岩含水层 太原群地层总厚约120m,含薄~厚层状灰岩10~12层,厚约56m,为矿井直接充水含水层,富水性受岩溶发育程度控制。按其层间距自上而下分为C3-Ⅰ、C3-Ⅱ、C3-Ⅲ三大组,其中第一组中的C33上、C33下两层灰岩较厚且赋存稳定,为主要含水层位。第一层灰岩C31与A1煤层法距17.0~24.8m,按淮南矿区临界突水系数0.05Mpa/m计算,A1煤层底板隔水层可承压0.85~1.24Mpa。
4 开采风险预测
4.1 断层风险 断层是地壳运动引起岩层变形、断裂直至发生明显位移的地质现象,使地层失去连续性,其规模取决于构造应力大小、煤岩层组合特征及物理力学性质等因素。该边界采区共发育F3-4、F4、F5三条张扭性高角度斜切正断层,落差大,切割煤层多,主断层旁侧走向100m范围内次生断层极其发育。根据区内两个矿开采资料统计,在F3-4至F5断层间走向500m左右的范围内实见落差0.8m以上的次生断层25条,跳压开采11次。这些次生断层造成煤层的频繁变薄断失,顶底板岩性破碎,巷道压力大,极易产生顶板事故,同时也是水、煤与瓦斯突出等灾害发生的诱因,因此断层是开采风险最大的地质因素。
4.2 水害风险 ①本区各煤层露头全部位于河流下,尤其是B9b~C13煤层露头处在面积达3.1万m2的第四系新地层“天窗”区下,丰富的流砂层水直接通过“天窗”补给B9b、B11b、C13老顶砂岩含水层,因此这三层煤采掘时的顶板出水风险最大,并已被以往开采证实。据统计,此顶板砂岩水量大于5.0m3/h以上的出水次数高达14次,其中以B9b顶板砂岩出水量最大达86.4m3/h。②大量发育的张扭性斜切正断层,既是储水空间,又是导水通道,从实际揭露看,其含水导水性较弱,但一旦被采掘应力激活后仍然可能好展成为良好的导水通道。③受F5大断层的切割和位移,该矿开采的断层上盘A1煤层与下盘A1底板太原群第三层灰岩含水层C33对接,这就加大了灰岩突水的风险。
4.3 煤与瓦斯突出风险 该采区内C13、B9b、B7b、B4b、A1为突出煤层,影响煤与瓦斯突出的三个主要指标是地应力、瓦斯潜能、煤的物理力学性质,前两者更具决定性。①根据矿井成果资料及实际开采情况,该区-200~-530m水平间的瓦斯含量:C13为2.29~8.64m3/t、B9b为9.78~13.91m3/t、B7b为7.64~13.73m3/t、B4b为6.35~11.94m3/t、A1为2.39~10.2m3/t,较相邻采区瓦斯含量偏低,这主要是因为一系列张扭性正断层切割煤系地层,导致瓦斯沿构造裂隙通道获得一定程度的渗透逸散,瓦斯潜能相应释放,但随着埋深的增加各煤层瓦斯含量仍增势明显,其中以A1煤层瓦斯含量增幅最快,这预示了向深部煤与瓦斯突出危险性不断加大。②本区煤与瓦斯突出的最大风险因素是局部应力集中。由于本区断层发育,采空区众多,断层附近存在残余构造应力,采空区边界附近存在高应力区,使煤层处于强挤压状态,有利于构造煤的形成和发育,因此断层附近和采空区附近的高应力区突出危险最大。如该矿东四采区A1煤层在距F5断层50m之外自-400m向下施工开切下山时,预测指标频频严重超标,因突出危险太大被迫停掘。
4.4 资源风险 基于边界采区复杂而特殊的地质及水文地质条件和以往的开采历史,F3-4、F4、F5主构造面旁侧的次生断层多,顶板水害威胁大,丢采、弃采、跳采现象极为普遍,采区及工作面回采率低,根据断层格局和水害威胁程度可以预测,C13~B7b煤层在F3-4~F5断层间约占采区35%的资源风险较大,而B4b、A1及F3-4断层以西各煤层资源风险较小。
5 结论和建议
①全面细致地交换分析两井边界采区地质、测量、水文资料,是降低各类开采风险的重要技术保证。②呈台阶状组合、平行状展布的F3-4、F4、F5主控断层是产生该边界采区高开采风险的最本质原因。③第四系新地层泥灰岩“天窗”区及大量断裂构造的存在是本区顶板砂岩水害频发的主要原因。④该边界采区A、B组煤突出倾向较大,尤其在断层附近和采空区附近的高应力区突出危险性最大,巷道布置和开采顺序要充分考虑与突出煤层的关系。⑤该边界采区因为断层和顶板水害而存在一定的资源风险,开采设计时应考虑以最小的巷道投入作探索性开采的方案。
参考文献:
[1]柴登榜,等.矿井地质工作手册.北京:煤炭工业出版社.1986.
[2]苏瑞海,孙荣久.巷道底鼓及防治.技术创新与实践——全国煤矿技术成果论文选编/中国煤炭工业协会编.——徐州:中国矿业大学出版社.2000.6.