深水平岩溶承压水上下组煤开采危险性评价

马　杰（1.宿州学院资源与土木工程学院；2.安徽省煤矿勘探工程技术中心，安徽宿州234000）

深水平岩溶承压水上下组煤开采危险性评价

马杰1，2
（1.宿州学院资源与土木工程学院；2.安徽省煤矿勘探工程技术中心，安徽宿州234000）

摘要：为评价芦岭矿Ⅱ1018工作面开采危险性，结合大量钻孔资料、抽水试验成果、底板隔水层裂隙统计和水源识别判别，分析了太灰中1灰～4灰薄层灰岩的赋存特征，评价了工作面底板隔水层阻水能力，识别了Ⅱ1018工作面上位工作面（Ⅱ1016）的出水水源。研究结果表明：1）经Fisher判别分析，Ⅱ1016工作面出水水源为灰岩水；2）1灰到4灰各单层灰岩逐渐增厚，富水性增加，但灰岩作为一整体含水层时，其富水性有随深度弱化趋势；3）10煤底到1灰隔水层厚度稳定，裂隙发育较弱，富水性差，具备有效隔水岩层的基本条件。

关键词：深水平；岩溶裂隙水；隔水层；突水水源

D01：10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.04.015

0引言

随着华北煤田生产矿井向深部延拓及开采规模不断加大，矿井突水水源逐渐由浅部松散层水转变为煤系基底岩溶水，突水通道则由顶板采动破坏或断层导通“底含”转变为底板采动破坏或断层导通岩溶裂隙突水，尤其是隐伏岩溶陷落柱突水机率有增加趋势［1］。因此，掌握灰岩赋存特征、定量评价（高）承压岩溶裂隙水富水性、明确底板突水通道、进行开采前危险性评价是保证能源结构调整下煤矿可持续发展的关键。

近年来，我国学者对岩溶承压水突水进行了大量的研究工作，提出了一列系的突水理论、判据及防治技术措施。突水理论及判据如“下三带”、“下四带”、“关键层”、“突水系数-单位涌水量法”等［2］，突水防治技术如带压开采、注浆加固、疏水降压等［3、4］。这些突水研究成果中，大部分并没有考虑深部开采环境中的灰岩发育及隔水层赋存变化特征。

芦岭矿深部开采水文地质条件较为复杂，Ⅱ1016工作面曾于2010年9月28日出现底板渗、涌水现象，近一年时间内其工作面涌水量稳定在30～35m3/h左右，经水源识别研判为太灰水。Ⅱ1018工作面为上位Ⅱ1016工作面的接替工作面，该面存在潜在突水隐患。因此，笔者从Ⅱ1016工作面水源识别、太灰发育规律、隔水层阻水能力等影响承压水上开采的主控因素入手，为保证Ⅱ1018工作面安全开采及深部地质环境下岩溶裂隙水水害防治提供了地质依据。

1地质与水文地质概况

芦岭煤矿隶属于淮北矿业集团有限责任公司，含煤区域位于淮北煤田宿县矿区的东部，矿区走向长约8.2km，倾斜宽3.6km，总面积约19km2。现主采煤层分别为石炭-二叠系的下石盒子组8、9煤和山西组10煤。其中，8煤层厚度2.72～17.75m，平均为9.6m，9煤层厚度0～7.88m，平均为2.93m，10煤层厚度0～4.97m。经各类钻孔揭露的地层有奥陶系、石炭系（中统+上统）、二叠系、古近系、新近纪和第四系。

芦岭井田位于不对称的宿东向斜西南翼的东南段，总体上为倾向NE的单斜构造。根据岩性及富水性等赋存条件，松散层的含、隔水层自上而下依次可分为4个含水层和3个隔水层。煤系地层的上石盒子组、下石盒子组、山西组各有一含水层段，各含水层段以砂岩裂隙静水储量为主，补给条件差，富水性不均。煤系地层下伏有石炭系太原组薄层灰岩岩溶含水层和奥陶系厚层灰岩岩溶含水层。其中，太灰中的第3、4灰单层厚度较大，富水性强，而奥陶系厚度大，沉积环境为海相，故其富水性强。

Ⅱ1018工作面位于二水平（-400～-590m），开采煤层为山西组10煤，其工作面标高为-510～-560m，走向长342～392m，平均367m，斜长平均120m，平面面积约44040m2，储量为12.3万吨。工作面发育构造2条，落差分别为5～7m和15～25m。充水水源顶板的砂岩含水层，水量以静储量为主，底板灰岩水有补给，水量以动储量为主。

2Ⅱ1016工作面充水水源识别

Ⅱ1016工作面出水后，为判定其出水水源，根据水化学成分的差异性，选取了7种水化学成分指标作为突水水源的样本变量，分别为Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-离子浓度，收集了166个水源样本，采用Fisher判别分析法建立了水源判别模型［5～7］。随后，对该工作面涌水点进行定期采集样品12次，并开展动态检测。将166各样本和后期样本化验成果绘制成判别函数F1-F2散点图（图1）。有图分析可知，水样检测出的水化学特征由煤系水逐渐向灰岩水迁移，说明该工作面是10煤底板灰岩水在砂岩裂隙内渗流路径长、速度慢，经过一些列水文地球化学作用，特别是阳离子交替吸附作用所致。其突水机理为导水断层等导水通道与煤系砂岩裂隙层组沟通，工作面采动后，其底板导水裂隙带沟通煤系砂岩裂隙含水层组，以致灰岩水在工作面底板涌出。

图1　主要含水层水样F1-F2散点图

3太灰发育及富水性特征

本次通过对揭露太灰1灰～4灰的19个钻孔进行统计，可得到下述初步认识：

1）揭露1灰钻孔有19个，两极厚度为0.56～4.81m，平均为2.66m。其中，厚度在2～5m的钻孔个数有15个，占钻孔总数的78%；厚度＜2m的钻孔个数有4个，占钻孔总数的22%。

2）揭露2灰钻孔有11个，两极厚度为0.75～15.89m，平均为5.58m，厚度变化较1灰明显。其中厚度＞5m的钻孔个数有4个，占钻孔总数的36%；厚度在2～5m的钻孔个数有5个，占钻孔总数的45%；厚度＜2m的钻孔个数有2个，占钻孔总数的19%。

3）揭露3灰钻孔有9个，两极厚度为2.34～11.59m，平均为6.58m。其中厚度＞5m的钻孔个数有6个，占钻孔总数的67%；厚度在2～5m的钻孔个数有3个，占钻孔总数的33%。

4）揭露4灰钻孔有4个，两极厚度为0.48～26.49m，平均为13.08m。其中厚度＞20m的有2个，2～5m的钻孔个数有1个，厚度＜2m的钻孔个数有2个，占钻孔总数的45%。

为进一步评价太灰含水层的富水性，本次统计分析了10次抽水试验结果，结果中的单位涌水量按《煤矿防治水规定》91mm标准孔径要求进行统一换算，计算结果见表1。

表1　灰岩含水层标准孔径下的水文地质参数一览表

数据表明，q值随深度变化较为明显：当埋深在200～350m之间时，太灰富水性较好，当深度在350m以下时，q值随着深部增加，其量值呈减小的趋势较为明显，表明太灰富水性弱化趋势较为明显。

结合太灰赋存及灰岩富水性特征综合分析，1灰到4灰的各单层灰岩厚度显示逐渐增大趋势，结合井下钻孔揭露及现场观察，1灰～4灰各单层灰岩的富水性依次呈逐渐增大趋势。但太灰作为同一含水层时，其富水性有随深度逐渐弱化的趋势。

4 10煤-1灰隔水层阻水性能力评价

由29个揭露10煤底-1灰顶之间隔水层的钻孔资料统计，10煤底板至1灰隔水层厚度两极范围为24.77～84.04m，平均厚度为62.31m，Ⅱ1018工作面附近10煤底-1灰顶之间隔水层厚度变化范围为64～72m。结合钻孔89-1与89-3的2个钻孔数据，10煤底-1灰顶隔水层厚度分别为75.95m和65.35m。

芦岭井田10煤底板裂隙经统计，底板附近裂隙的平均密度为0.125～0.43条/m2。且底板隔水层岩性以泥岩、砂岩互层为主，泥岩中裂隙不发育。隔水层中裂隙发育相对较弱。

据钻孔抽水结果，10煤底板隔水层抽水量q= 0.000 l22L/（s.m），K=0.00023m/d（包括10煤顶板砂岩在内）。根据煤矿防治水规定，q≤0.1L/（s.m），为弱富水性。

总之，研究区内10煤底板至1灰隔水层裂隙发育较弱，富水性差，隔水层厚度较大，即Ⅱ1018工作面底板地层具备构成有效阻水岩层的基本条件［8］。

5结论

1）Ⅱ1016工作面经Fisher判别分析法判定，水样检测结果表明该工作面充水水源为灰岩水。

2）钻孔揭露表明，1灰到4灰的各单层灰岩厚度显示出逐渐增大趋势，且1灰-4灰的富水性从上向下有逐渐增大趋势。

3）埋深在200～350m之间时，太灰富水性较好，当深度在350m以下时，q值随着深部增加，其量值呈减小的趋势。

4）经突水系数法计算，Ⅱ1018工作面开采时突水系数（T）值较大，但若将太灰中的1灰、2灰隔水改造，T值将低于突水临界值，可进行安全开采。

参考文献：

［1］葛家德，王经明.任楼煤矿导水陷落柱的化学预警研究［J］.煤炭工程，2007（9）：85-88.

［2］乔伟，李文平，赵成喜.煤矿底板突水评价突水系数-单位涌水量法［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（12）：2466-2474.

［3］虎维岳，田干.我国煤矿水害类型及其防治对策［J］.煤炭科学技术，2010，38（9）：92-96.

［4］吴玉华，张文泉，赵开全，等.矿井水害综合防治技术研究［M］.北京：中国矿业大学出版社，2009：161-167.

［5］鲁金涛，李夕兵，宫凤强，等.基于主成分分析与Fisher判别分析法的矿井突水水源识别方法［J］.中国安全科学学报，2017，22（7）：109-115.

［6］王敏，张占松，胡松，等.基于主成分分析的Fisher判别法L地区水淹层识别中的应用［J］.长江大学学报（自然科学版），2010，7（4）：79-82.

［7］刘鑫，陈陆望，林曼利，等.采动影响下矿井突水水源Fisher判别与地下水补给关系反演［J］.水文地质工程地质，2013，40（4）：36-43.

［8］李波.峰峰组隔水关键层对下组煤带压开采的影响研究［J］.煤炭科学技术，2015，43（10）：67-71.

（责任编辑：郝安林）

中图分类号：TD745

文献标志码：A

文章编号：1673-2928（2016）04-0049-03

收稿日期：2015-10-22

基金项目：安徽省教育厅重点（Kj2013A249）；宿州区域发展协同创新中心全国开放课题资助项目（2014SZXTQP06）。

作者简介：马杰（1984-），男，宿迁学院教师，硕士，主要从事工程地质、水文地质的教学与科研工作。

Safety Evaluation of Mining Under-group Coal Seams above High Confined Karstwater in Deep Level

MA Jie1，2
（1.School of Resources and Civil Engineering，Suzhou University；2.Coal Mine Exploration Engineering Center of Anhui Province，Suzhou 234000，China）

Abstract:Combining with drilling data，pumping test results，fracture statistic of floor aquifuge and water bursting source recognition，this paper analyzed occurrence characteristics of taiyuan group's 1stand 2ndthin-bedded limestone，evaluated water-resisting ability of floor aquifuge，identified the source of inrush-water inⅡ1016 coal face.The results shows：1）By using fisher discrimination analysis method，the source of water irruption is limestone water.2）From 1stlimestone to 2ndlimestone of taiyuan group，the thickness of every single layer is thickening，the water abundance is increased，however，seen as one aquifer of taiyuan group，its water yield property shows a weakening tendency.3）The thickness of aquifuge between the bottom of 10thcoal and the top of 1stlimestone is stable，and its crack development and water abundance are weak.

Key words:deep level；karstic fissure water；aquifuge；source of inrush-water