底板隐伏导水断层安全性评价

梁 锋,庄 通,田 军,彭 瑞,王经明

(1.山东能源枣矿集团三河口矿业有限责任公司,山东 济宁 277605; 2.华北科技学院 安全工程学院, 北京 东燕郊 065201)

0 引言

底板隔水层厚度不大,但存在隐伏导水断层时,如何准确评价底板的安全性是华北聚煤盆地鲁西石炭二叠系煤田中小型煤矿面临的重要问题。如果采用地面导斜钻孔对石炭系含水层实施大规模底板注浆改造,其成本之高对于中小规模的煤炭企业难以承受,而且因为断层发育构造复杂,注浆效果也难以保证。如果采用疏干降压的方法,由于底板存在导水断层,沟通下伏奥陶系强含水层,疏干效果也无法保证。以鲁西南矿区某矿北部东翼采区31336工作面为例,开展了安全开采的攻关研究——测试了底板的破坏深度、开展了底板水文地质异常检测与导水通道定位、底板递进导升的数值模拟,最后对底板的安全性进行了评价,仅用很小工程量就保证了工作面的回采。

针对煤层底板的突水机理进行了不断地研究[1-3]。先后出现了“下三带”理论[4-6],“下四带”理论[7-8],“原位破裂”理论,“优势面”理论[8],“关键层”理论[9-11]和“递进导升”理论等。目前有学者提出突水系数改进法[12]。其中递进导升突水机理可以很好反映底板的突水演化过程,对鲁西煤田最为适用。该理论是王经明、董书宁[13-15]在1992年和1994年在对韩城马沟渠煤矿和淮南新庄孜煤矿底板破坏深度、应力、应变、渗透性、渗透压、断层的扩展和两盘相对位移观测,以及物理模拟和数值模拟的基础上提出的。该理论认为如果煤层底板存在着初始导升,在矿压和水压的作用下,导升高度将会进一步扩展,当其扩展到底板破坏区时,即发生突水,突水判据为：H0+ΔH+h≥M。

式中,H0为初始导升高度;ΔH递进的导升高度;h为采矿的破坏深度;M为底板隔水层的厚度。如图1所示为煤层底板突水的形成过程。后来王进尚博士对突水机理又进行补充说明[16],认为裂隙尖端的扩展若要造成递进导升作用,还需要将尖端前方的岩桥贯穿,因此建立了岩桥破裂的公式。

递进导升理论在鲁西南矿区某矿北部东翼采区31336工作面的成功应用,为北区3#煤其他工作面的回采提供了有力的借鉴作用。

图1 煤层底板突水的形成过程

1 31336工作面水文地质条件

1.1 构造

三采区东翼采区内含3个工作面位于井田东北部,处于欢城-4断层、62-1断层和F56断层围成的三角区域,如图2所示, 31336工作面为首采工作面。

(1) 欢城-4断层,位于采区的东部边界,为鲁西南矿区某矿与欢城煤矿的分界线。断层倾角约70°,落差40～260m,三采区内落差为50m。该断层是欢城断层的分支,与欢城断层呈阶梯状组合。

(2) F62-1断层：位于采区的西部,倾角70°左右,落差40～65m。

(3) F56断层：位于采区的北部,倾角70°,落差0～12m。

三采区东翼处于上述3条断层的上盘,其中欢城断层和62-1断层造成奥灰含水层与本区的三灰对接。在采区的南部还存在着一条走向近NS,落差为0～10m的FS7断层,该断层在31336工作面的南部,但怀疑在奥陶系灰岩层位仍有断裂,成为31336工作面底板隐伏导水通道。

1.2 底板含水层

三采区底板地层结构如图3所示,其中主要含水层为太原组三灰、十下灰和奥陶系石灰岩。

三灰含水层上距3下煤41.44m,厚度4.60～10.10m,平均为8.56m,单位涌水量0.0225L/s·m,富水性弱。水位标高 -263.0m。

图3 3下煤层底板地层柱状图

十下灰上距3#煤70.21m,厚2.50～6.41m,平均为4.84m,单位涌水量0.0184L/(s·m),渗透性系数为0.15m/d,富水性弱。

奥陶系石灰岩上距3#煤约92.95m,厚度400-600m。静止水位标高-179m,单位涌水量0.0161～0.1258L/s·m,水质类型为SO4-Na·Ca或SO4-Ca·Na型,富水性弱至中等。

1.3 隔水层

煤层与三灰之间下伏隔水层厚度约40m,与奥灰之间隔水层的厚度约77～140m,为粘土岩、泥岩、少量粉砂岩、细粒砂岩和灰岩(三灰和十下灰),如图3所示。由于三灰与奥灰因欢城断层和62-1断层对接,三灰成为3#煤有威胁的含水层。

2 31336工作面底板安全性评价

2.1 底板隐伏断层导水性分析

三采区煤层底板标高-240～260m,高于三灰水头3～23m,低于奥灰水头 84m,表明如果奥陶系和三灰两含水层之间的水力联系不强,三灰对煤层开采的威胁不大。因此,确定三灰是否与奥灰之间存在联系通道成为评价31336工作面安全的关键。如图2所示,31338工作面下方的FS7地层尖灭于31336工作面外,表明该断层可能隐伏于31336工作面底板下方。由于欢城断层和F62断层都有阶梯状分支,为了探查底板隐伏导水断层并评价其危险性,将下伏三灰含水层作为隐蔽导水通道的指示层在31336工作面内施工钻孔进行水压、水温和水质探查。10个钻孔中有4个安排在FS7断层的延伸方向,其余的6个分别安排在延长线的左右两侧(见图2中的S1,…,S10)。所有钻孔在揭露三灰以前都没出水,揭露三灰以后,都发生了不同程度的涌水,在钻孔密封稳定24h后,测得了各孔的水压和水温,结果如图4和图5所示,图的左侧临近欢城断层,右侧临近F62-1断层,白色线条为FS7隐伏断层。

图4 31336工作面三灰水压等值线图(等值线单位bar)

图4和图5显示,断层FS7延长线处水压和水温都较两侧的高,等值线呈平行线状对称地延伸,水压分别向两侧降低,显示出地下水在三灰内以断层为通道,向两侧流动。图4还显示,左侧的水压高于右侧水压,表明欢城-4断层对本区的三灰也存在一定的补给;图5显示,右侧的水温高于左侧的水温,表明温度向右侧扩散得快,扩散范围大,说明欢城断层一侧为上游,F62-1断层一侧为下游。由于三采区奥灰水位较三灰水位高出84m,断层水的越流来自奥灰含水层。钻孔水文地质观测显示,隐伏导水通道仅达到三灰,对三灰以上至3下煤约40m厚的地层没有影响,钻探表明底板上游41.44m的完整隔水层厚度,是安全的。

2.2 底板破坏深度测试

31336工作面FS7断层隐伏导水通道发育于三灰以下,三灰以上40m隔水层是否安全仍需要评价。首先要确定开采对煤层的破坏深度。已知31336工作面长度310m,宽度为97m,煤层厚度平均为3.58m,倾角5°。煤层底板承受的三灰水压为0.3MPa。工作面长壁式开采,一次采全高,自由垮落法管理顶板。

为了确定底板破坏深度,在距离31336工作面最近的、开采条件类似的工作面进行了应变法观测。观测始于前方35m,结束于工作面过后60m。数据采集频率为10/min,观测结果如图6和图7所示。

由图6和图7可以看出：底板应变由浅到深在逐渐减小,9m深处岩层的应变量较大,最大值达到0.0085;而11m深测点岩层的应变量最大值约为0.0028～0.003之间;12m深处的地层应变量始终小于0.002。按照混凝土(传感器与孔壁围岩的耦合剂)破坏应变极限0.003计算,11m深的测定应变值在工作面推过监测孔7m处达到最大值,约为0.003,据此确定工作面底板的破坏深度为11m,远小于煤层至三灰的厚度41.44m,底板的采动破坏不会造成突水。此结果与80年代在淮南新庄孜煤矿开采3.05m厚的工作面注水试验实测的数据相同[8]。

图6 临近工作面底板9.00m深处应变曲线

图7 临近工作面底板11.00m深处应变曲线

2.3 底板递进导升数值模拟

根据31336工作面的地层结构和开采条件,对工作面突水的危险性采用了FLAC3D软件进行了数值模拟,检查隐伏导水断层是否能递进扩展与底板破坏深度接通。计算采用的主要岩层的力学参数,见表1。

表1 岩性岩石力学参数表

根据工作面3#煤层埋藏深度,模型顶部所受荷载由岩层的自重应力计算而得。根据实测,取三灰以下为断层发育区,如图8所示,三灰以上为断层损伤区(强度变弱)。计算时取周期来压步距10m为开挖步距。计算发现煤层底板破坏深度为11m,底板导水通道扩展了5m,但没有和底板破坏区接通,如图9所示,因此不会发生突水。

图8 31336工作面顶底板地层结构(蓝色为煤系地层,黄褐色为奥灰,绿色凸起为断层)

图9 31336工作面回采后顶底板破坏情况(蓝色为未破坏区,其他色为破坏区。底板下的红点为递进导升区—未达到地板破坏区)

2.4 底板安全性综合评价

底板3灰以下的隐伏导水通道是否能够导通底板,造成突水,可以采用以下公式加以判别。

H0+ΔH+h≥M

式中,H0为自然导升高度,对于3灰,H0=0;ΔH为递进导升高度,根据计算ΔH=5m;h为底板破坏深度,根据实测,h=11m;M为底板隔水层厚度,即3灰顶板至3煤底板的距离,已知M=40m。

如果公式成立,则底板将发生突水,否则将不会发生突水。将各参数的数值代入公式后得到：

H0+ΔH+h=16m

公式不成立,即不会发生突水。

3 结论

(1) 钻探工程证实了对FS7断层向北隐伏延伸于31336工作面煤层底板以下,且沟通了三灰与奥灰的水力联系,使得31336 工作面由不带压转变为带压状态,隐伏导水通道构成了工作面安全开采的威胁。

(2) 应变法对31336工作面底板开采过程中的监测,发现底板的开采破坏深度为11.00m,为定量准确评价底板的安全性提供了依据。

(3) 对工作面开采过程中的应力场模拟显示FS7隐伏导水通道在开采过程中扩展了5m,为定量评价底板的安全性提供了参数。

(4) 综合分析认为在回采过程中底板的递进导升高度不会和底板破坏深度对接,尚有24m厚的有效隔水层在起作用,底板不会发生突水。