钱增江
(开滦集团赵各庄矿业有限公司,河北省唐山市,063101)
开滦赵各庄矿为全国最深矿井之一,开拓已至十四水平,标高为-1200m,埋深1254m,随着矿井的不断延伸,存在水、瓦斯、顶板、矿压等多种灾害威胁。矿井深部十四水平的水文地质特征虽然仍然延续矿井的总体特征,但由于埋深的增加,奥灰承压含水层水压高达12 MP a,高水压对矿井的安全开采构成了极大威胁,因此有必要对底板奥灰含水层和断层作进一步研究,开展突水危险性评价,为深部区域的安全开采提供保障。
赵各庄矿煤系地层的基底为奥陶系石灰岩(简称奥灰),厚度约600~800m,为一巨大的含水体,也是矿井的最强含水层。最下一个可采煤层(12#煤层)距离奥灰120~180m,正常情况下煤层开采对奥灰不造成直接破坏。井田范围内地层产状变化极大,地质构造比较复杂,构造形式以断层为主,发育东Ⅲ等数十条大中型断层。矿井为一独立的水文地质单元,东部为弱补给边界,其余为隔水边界,具备疏水降压条件。
(1)煤系地层顶底板含水层:5#、7#煤层顶板砂岩裂隙含水层含水性较强,特别是在构造发育部位涌水量较大,对生产有一定影响;9#、12#煤层底板及14#煤层顶板含水层含水性较弱,在工程揭露断裂或裂隙发育地点会有少量渗水乃至涌水,对采掘和开拓施工影响不大。
(2)奥灰岩溶裂隙含水层:矿井深部开采受煤系地层基底高压奥灰水的威胁,存在奥灰水突水的危险性。1972年3月九水平东翼一石门开采时,曾发生奥灰水突水事故。
(3)钻孔因素:本区域涉及原116勘探队施工的赵103、赵105和赵107共3个地面下探孔,根据该队提供的资料,上述钻孔在深部煤系地层段均进行了水泥砂浆封孔,但无封孔质量报告。
(4)地质构造:根据上巷实际揭露资料,井田内已揭露并延展到十四水平的大中型断层,除东Ⅲ断层外,其余断层均不导水和含水。但东Ⅲ断层在九水平东翼一石门开采12#煤层第二分层时,由于采动对煤层底板及断层带的影响,使奥灰水经断层破碎带及煤层底板裂隙进入巷道和工作面,发生突水事故,最大涌水量52.71m3/m in。
(5)采空区积水:虽然煤系地层含水性较弱,工作面巷道布置采用由上山向两翼按一定坡度爬坡的形式,老塘内一般无大量积水。但在西翼及东翼边界区域水文地质条件复杂,且属大水区域,其老塘内会有一定量的积水,对安全、生产有一定影响。
采用经验比拟法对矿井十四水平涌水量进行预测。根据矿井已采水平的历史涌水量与开采深度的统计分析,确定出八水平以下各水平涌水量高峰期内的正常涌水量(每个水平在高峰涌水量期间内的平均值)与开采深度的相关关系为:
式中:s——各水平的采深,m;
Q——单位时间涌水量,m3/m in。
按式(1),根据十四水平的采深(1254m),计算出十四水平正常涌水量为4.98m3/m in。由于涌水量受多种因素的影响,在不同阶段及不同季节会有所不同。根据回风巷涌水量资料统计,最大涌水量可达稳定涌水量的2倍,故仍采用经验比拟法将正常涌水量的2倍作为最大涌水量,即预计十四水平最大涌水量为9.96m3/m in。以上为正常情况下的涌水量预测,未考虑突水等灾变因素。从矿井涌水量变化规律来看,随着开采水平的向下转移,上水平涌水量会逐步减小,矿井总体涌水量变化不大,预计十四水平投入后,矿井总涌水量最大为35.62m3/m in。
根据上水平的成功开采经验和多项科研研究成果,采用多种方法对底板带压(奥灰水)突水危险性进行了评价。
根据上巷带压开采的经验,仍采用突水系数方法衡量底板奥灰水的威胁程度,突水系数大于0.1 MP a/m的区域留作防水煤柱。如果奥灰水位按±0m计,底板破坏深度按10m计,奥灰的原始导高带按0m计,十四水平(-1100~-1200m)12#煤层东翼大部及西翼局部的突水系数大于0.1MP a/m,其余区域及其它煤层突水系数小于0.1MP a/m。十多年来,矿井在十三水平(-1100 m)以上突水系数小于0.1MP a/m的多个工作面进行了安全开采。在已采工作面中,1232工作面最大突水系数达0.088 MP a/m,2132工作面达0.0995 MP a/m,1132、3132工作面局部突水系数接近0.1 MP a/m。说明在正常底板条件下,通过采取疏水降压(将奥灰水位控制在-150m以下)和在断层区域根据具体水文地质条件按规程留设防水煤柱的措施,在突水系数小于0.1 MP a/m(奥灰水位按±0计算)的区域是可以实现安全开采的。
通过现场和室内围岩水力压裂试验,在底板正常区,奥灰水位按±0m计,-1200m标高的最大水压PW=11.76 MP a,而使岩体破裂时的临界水压为Pb=13.3 MP a,Pb>PW。所以在-1200m处,水压不可能压裂岩层;通过对正常区12#煤层底板有效隔水层阻水系数的计算和阻水能力的研究,-1200m标高的有效隔水层的阻水能力为20.772MP a,大于PW,故能有效地阻抗奥灰水压。12#煤层底板隔水层的隔水性能良好,井田深部奥灰岩溶发育程度较弱。在正常底板条件下,足以阻抗以裂隙网络形式储存的灰岩岩溶水,不会发生底板破坏性突水。在煤层底板正常区域,十四水平开采是安全可行的。
通过以上两种方式评价得出,十四水平矿井突水系数小于0.1MP a/m的区域正常开采;凡是突水系数大于或等于0.1 MP a/m的留做防水煤柱,暂不开采。在断层区域根据具体断层性质对东Ⅲ、东Ⅶ、东Ⅷ断层留设煤柱。目前以上煤柱均已按煤矿防治水规定进行留设,并得到批准。
[1] 刘先烨.奥灰下急倾斜煤层开采上方老塘水防治措施[J].能源技术与管理,2006(5)
[2] 武强,刘守强,贾国凯.脆弱性指数法在煤层底板突水评价中的应用[J].中国煤炭,2010(6)
[3] 李龙清,王永洪,刘金辉.京府八尺沟矿8#(-2)煤层底板突水危险性分析[J].中国煤炭,2010(12)
[4] 管恩太.突水系数与煤矿水害防治[J].煤炭工程,2011(1)
[5] 李建民等.赵各庄矿深部带压开采评价[J].煤炭学报,2005(10)