基于奥灰突水系数演变的水库下带压开采研究

郭好杰，郭振桥，乐 勇，齐文宇

（1．义马煤业集团股份有限公司宜阳煤矿筹建处，河南 洛阳 471000；2．河南大有能源股份有限公司新安煤矿，河南 新安 471842；3．义马豫西地质工程有限公司，河南 义马 472300）

·试验研究·

基于奥灰突水系数演变的水库下带压开采研究

郭好杰1，郭振桥2，乐 勇3，齐文宇2

（1．义马煤业集团股份有限公司宜阳煤矿筹建处，河南 洛阳 471000；2．河南大有能源股份有限公司新安煤矿，河南 新安 471842；3．义马豫西地质工程有限公司，河南 义马 472300）

小浪底库区蓄水对煤层底板的奥灰承压水形成补给，进而引起新安井田底板突水系数发生变化，矿井水文地质条件日趋复杂。本文介绍了煤层底板岩层条件，阐述了奥陶系灰岩的富水特征，统计绘制了库区水位与水文孔测压值的相关曲线，分析了曲线峰谷值反映的井田水文地质迹象及与安全生产的内在联系，提出了扩大监测、重点巡查、物探查异、打钻注浆、动态评价及应急设防等带压开采的有效对策，以确保矿井安全生产和中长期稳定接续。

高位蓄水；带压开采；突水系数演变

国内水体下采煤防治水工作，主要着眼于煤层的上覆岩层采动裂隙发育高度及其对地表水体的导通危险性研究，而库区蓄水对煤层底板承压含水层的补给，进而引起底板水突水系数演变方面，尚缺专题研究。

新安井田位于河南洛阳新安倾伏向斜北翼，为一平缓的单斜构造，向斜轴向近东西，向东倾伏，北翼倾角平缓，一般为7°～11°。新安煤矿主采二叠系山西组二1煤层，煤层底板主要为砂质泥岩、泥岩隔水层，太原组灰岩弱含水层、本溪组铝土质泥岩隔水层和奥陶系灰岩强含水层。煤层呈藕节状赋存，底板起伏较大，小型褶曲较发育，煤层不稳定。1995年11月，12161掘进工作面曾因揭露底板小断层而导通奥灰水造成淹井事故，2010年矿井水文地质类型划分为极复杂。

新安矿开采范围50．3 km2，设计生产能力150万t/年，其40%井田面积位于小浪底水库+275 m设计水位线之下，水体下煤炭储量达1．2亿t。小浪底水利枢纽工程于1997年10月截流，2001年底大坝主体工程全面完工，库区蓄水通过岩层露头、大断层、封闭不良钻孔等途径与奥灰含水层形成连通关系。小浪底蓄水运营10年间，每年6—8月进行调水调沙试验，9月仍旧持续拦蓄洪峰，冬季高位蓄水应对流域春旱，已经形成季节性的蓄水活动。

1 煤层底板

太原组地层主要岩性由薄层灰岩、硅质泥岩、砂岩、砂质泥岩及薄煤层组成。其中，灰岩一般为3～4层，单层厚度0．2～7．50 m，灰岩总厚7．04～16．35 m，一般为10 m左右，为煤层底板弱含水层，局部揭露少量滴淋水。二1煤底板至L7灰岩顶部之间的砂质泥岩和泥岩隔水层，在矿区范围内普遍发育，厚度较稳定，厚度10 m左右，节理、裂隙多为闭合性或被充填物充填，透水性差，加之太原组灰岩富水性弱，正常地段可阻止该层以下含水层地下水进入矿井，但当遇断裂切穿隔水层而沟通含水层与煤层的水力联系时，则灰岩地下水就能直接进入矿井。

本溪组铝土质泥岩隔水层厚3～25 m，一般9．08 m左右。该层矿区内普遍发育，层位稳定，岩性致密，裂隙不发育，不透水，隔水条件良好，在正常条件下，可阻止奥陶系灰岩水与太原组灰岩水之间的水

力联系。

煤层底板岩层概况见表1。

表1 煤层底板岩层概况表

奥灰距二1煤层底界43．77～74．50 m，一般为53．76 m，其中有2层主要隔水层阻止地下水进入矿井，属具有突水威胁的间接充水含水层。奥陶系灰岩岩性为白云质灰岩、角砾状灰岩、硅质白云岩及白云岩，地层总厚度500 m，地质补勘14个孔揭露该含水层厚度64．84～119 m。岩溶发育程度由浅往深逐渐减弱，富水性不均一，单位涌水量q=0．000 61～4．03 L/S·m，渗透系数K=0．000 45～9．02 m/d。岩溶发育规律受岩性、构造、埋深、水循环条件等因素的影响和控制，发育程度不同，含水层的富水性极不均一，总体评价该含水层富水性属含水性较丰富的含水层，水化学类型呈HCO3-Ca-Mg型。

根据《煤矿防治水规定》突水系数计算公式：

式中：

P—底板隔水层承受的水压，MPa；

M—底板隔水层厚度，m，取43．77～74．50，考虑采动和构造破坏因素，视为不完整块段；

T—突水系数，MPa/m，小于0．06时，属安全块段。

2 水文监测

在2012年开展的水文监测过程中，对库区水位每天记录1次，利用KJ117矿井水情实时监测系统对水平运输平巷水文孔（孔口标高+36．1 m）奥灰水压每小时记录1次，经过台账合并整理、分析，制作了库区蓄水与奥灰水文相关曲线图，见图1。

从图1可以看出，2012年6—8月随着小浪底水利枢纽工程调水调沙，新安矿奥灰水压进入低谷时段，底板突水系数相对降低，假定矿井最深-60 m标高巷道隔水层最薄，其突水系数可降至0．068 MPa/m，采取注浆改造等有效防治措施后仍可带压开采。而本年度其他时段库区高水位运行，矿区奥灰水压也相应抬高，突水系数有所增大，对于运输平巷附近隔水层厚44 m的块段，突水系数可增至0．05 MPa/m。规定中的临界值并非绝对安全值，当新增硐室、联巷等工程时，亦可扰动围岩造成应力失稳、产生导水裂隙，同样形成突水危险性。

图1 2012年水位-水压监测曲线图

3 关系分析

井上下的水文监测数据不仅在突水系数演变上反映相关关系，而且在曲线特征上可以深入挖掘煤层底板突水机理和诱因，指导矿井采取相应的带压开采措施。

假定库区-奥灰径流带为一个恒定总流模型，根据水力学总流能量方程式：

式中：

z—总流过水断面上某点的位置水头（标高表示）；

p/ρg—过水断面上各点平均动水压强所对应的压力水头；

αv2/2g—过水断面上的流速水头。因此，水压分站监测到的是奥灰水侧压水头，奥灰含水层存在流动的条带。

hw—径流带的水头损失。有水头损失，就会产生水力梯度。

根据达西定律：

模型的水力梯度I发生变化时，必然引起径流带流速的变化。基于以上认识，可深入展开如下几点：

3．1 曲线对比，既相关又不完全一致

总体波动趋势一致。调水调沙期间，奥灰水压降幅小于库区水位降幅；秋冬蓄水期间，奥灰水压增幅也小于水位涨幅。说明底板突水系数会因库区调蓄发生一定的演变，但不会像库区水情一样短期大幅波动，从而对煤层底板的应力扰动表现为慢性影响，这往往造成煤矿管理人员主观上的麻痹大意。

3．2 增减量对比

库区调蓄过程中水位正常变化量约50 m，而奥灰压力水头变化量最大19 m，说明流速水头有所增长，库区调蓄期间奥灰含水层径流活动较平时活跃。孔口标高+36．1 m，换算得出库区开闸泄水期间，奥灰水头高于库区水位，说明此时期奥灰水从东部通道排泄入库区。两条曲线交叉波动，说明径流带在夏秋时段存在拉锯式的排泄、反补，来回冲刷侵蚀通道围岩。经水质化验，奥灰水pH值6．5～8．5，可以推想，库区蓄水十多年间，奥灰径流带较上世纪已更为发育，而随着今后库区几十年的调蓄活动，奥灰径流通道极可能发展为大型溶洞或地下河。通道条件越发达，径流速度越低，承压含水层压力水头就会越大，因此，有必要长期监测奥灰水压变化，分析预测径流带发育变化状况。

3．3 滞后时段

由图1可知，春季奥灰水压峰值滞后于库区水位约22天；夏季奥灰水压谷值滞后于库区水位约7天。虽然库区1—5月奥灰水头波幅仅7 m，或者7—8月奥灰水压处于低谷。但是从图1可以看出，此两个时段适逢奥灰径流活动活跃期，前者库区水反补奥灰含水层，后者为奥灰水排泄入库区。因此，库区高位蓄水期间出现峰值后3周内，要统筹安排隐患排查治理、做好防范工作；水库泄水至谷值后的7—8月份要重点巡查井下是否出现应力失稳、产生底鼓裂隙。

3．4 补给通道

库水低谷期间仍旧保持一定的波动相关性，说明补给通道远远低于库区死水位+210 m。比对矿井水文地质平面图，发现井田东部边界F29断层附近地表标高+201 m，且该处存在3个封闭不良钻孔，印证了以往矿井地质资料关于导水通道的研究判断。

4 带压开采对策延伸

1）扩大监测网络。按照控制各采区、控制上下山的原则，在各采区上下山分别增设1处水压监测孔，实现水压监测点落差控制在50 m。同时，为各水文孔安装自动监测分站，通过矿井水情实时监测系统采集、储存及处理数据，全时段分析奥灰含水层动态变化。安排专职技术人员，长期观测记录库区每日水位，特殊时段加密测报。

2）高危期重点巡查。雨季汛期和库区高位蓄水期，重点巡查井下巷道围岩变化情况，观测采掘工作面底鼓裂隙发育状况，发现异常及时采取探查治理措施。

3）加大物探力度。掘进工作面超前探要严格按照不超过70 m有效探测距离进行控制，回采前和回采过程中采用瞬变电磁、直流电法、坑道透视及震波透射等物探手段，探查底板是否存在富水异常区。

4）底板注浆与动态评价。重点对物探异常区进行钻探，查明富水区段的位置，汇总涌水量水压等数据，初步评价突水危险性；注浆加固或改造底板后再次复查。从工作面开掘到回采结束，要先后组织进行底板突水危险性评价、防治水方案评价、排水能力评价、水灾应急管理评价、钻探评价、注浆加固或改造效果评价、采中复查评价及采后水情评价工作，针对评价内容进行措施改进、隐患整改和理论创新，最终形成水害治理闭环管理模式。

5）疏水降压。在底板岩巷物探低阻区，有选择性地施工疏水降压孔，以不低于100 m3/h的流量持续疏水加以利用，从而形成奥灰承压水的区域漏斗，降低局部工作面底板突水系数。

6）应急控水。对于周边不存在采空区的工作面，可以在巷道停采线附近的相对薄煤区段，施工应急控水墙轮廓基础，并预存砌料、泄水管、闸阀等，一旦工作面发生透水，可在短时间内快速构筑“工事”，在墙体和围岩安全承压的条件下，将泄水量控制在排

水能力之内，有效防止灾情扩散。

7）推行四级排水系统设防标准。在不考虑探放老空水因素前提下，针对潜在的底板突水危险性，推行四个层面的有效排水能力设防，即开掘头面（非上坡）不低于200 m3/h、采煤工作面不低于300 m3/h、下山采区不低于1 000 m3/h、矿井主排水泵站不低于5 000 m3/h。在此设防标准指引下，由矿机电部门研究制定四级排水系统的水泵、管路和供电设备等的详细配置管理方案。

5 结 语

在当前煤矿防治水的紧迫形势下，新安煤矿地质勘探程度仍旧相对较低，为确保矿井中长期稳定的生产接续，需要通过大量的补勘工程、技术革新、长期监测、人才培养等工作，掌握奥灰水径流条带的发育分布详情，进而全面分析库区蓄水对底板突水危险性的影响，及时采取有效的防范措施。

［1］李义昌，郑伦素．水文地质及工程地质学［M］．徐州：中国矿业大学出版社，1988：54-66．

［2］吴持恭．水力学（上）［M］．北京：高等教育出版社，2003：71-82．

［3］贺治强，李书文，郭好杰，等．季节性降水和蓄水对矿井涌水量的影响［J］．中州煤炭，2011（3）：18-35．

Study on Mining with Pressure under Reservoir Based on Ordovician Limestone Water Inrush Coefficient Evolution

Guo Hao-jie，Guo Zhen-qiao，Le Yong，Qi Wen-yu

The coalmine hydrogeology conditions becomes complicated because the ordovician limestone confined aquifer below the coalseam floor gets recharged by Xiaolangdi reservoir area after its sluice，which leads to water burst coefficient of coalseam floor changing．The article introduces the stratum conditions of the coal seam floor，elaborates the water rich feature of the Ordovician limestone，counts and draws the relative curve between the reservoir water level and the pressure of the hydrological hole，analyses inner relations between the hydrogeology factors reflected by the peak and valley of the curve and the safety production，proposes effective countermeasures such as expanding monitor，key point inspect，exploration detecting，drilling grouting，dynamic evaluating and emergency prevention which aiming at mining with pressure，ensures the safety and middle-long term steady succeed for the coal mine．

Water storage in high level；Mining under safe waterpressure of aquifer；Water burst coefficient evolution

［TD741］

B

1672-0652（2013）05-0053-04

2013-02-19

郭好杰（1973—），男，河南洛阳人，1995年毕业于郑州煤田地质学院，工程师，主要从事煤田地质工作（E-mail）271138268＠qq．com