黔北煤田灰岩含水层对开采13号煤层的影响研究

李回贵,苏德国,孙 维,许国胜,王 军,3

(1.贵州工程应用技术学院 矿业工程学院,贵州 毕节 551700; 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400039;3.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院,北京 100083)

煤炭资源是我国现阶段最主要的能源,并将在未来相当长的时间处于我国一次能源消费的主导地位,这是由我国能源赋存情况及技术条件所决定的。近年来,随着煤矿开采深度的逐渐增加,底板水害问题日益突出[1-2]。底板水害大部分发生在工作面回采过程中,少部分发生在掘进过程中,这主要是由于采掘活动改变了围岩的应力状态、孔隙结构及渗透率,降低了隔水层的隔水能力,导致围岩不能抵抗承压水的压力而发生突水[3-6]。

针对底板水的突水机理、监测、预测预警、底板加固等方面,国内外学者进行了深入的研究。尹尚先等[7]对石炭二叠系煤田深部底板奥灰薄灰突水机理及防治技术进行了研究;靳德武等[8]以华北典型煤田煤层底板突水问题为切入点,对煤层底板水害三维监测与智能预警系统进行了研究;余国锋等[9]以淮河能源集团开采深部A组煤遇到的水害问题为研究对象,建立了底板突水灾害大数据预测预警平台;许延春等[10]运用孔裂隙弹性体理论,建立了注浆加固工作面底板突水“孔隙—裂隙升降型”力学模型;蒋向明等[11]采用区域超前探查治理技术对邯郸矿区深部采煤底板水害进行治理,提出了“探、注、验一体化”的治理思路[11];付茂如等[12]采用音频电透视技术和三维并行电法技术对矿井工作面底板水害进行了综合探查;袁子航[13]、刘建林[14]等采用定向钻孔技术对煤层底板水害进行了探查与防治;李涛等[15]在基于承压水单孔放水实验的基础上,提出了底板分类注浆方案;梁盛开[16]、赵亚飞[17]、曹广宇[18]、樊娟[19]等对黔北地区的顶底板突水机理、隐蔽水害致灾因素、龙潭组下组煤开采充水特征及岩溶含水层特征进行了研究。

黔北煤田金沙片区茅口组灰岩对开采13号煤层的影响较大,此类研究相对较少。目前金沙片区需要将13号煤层作为9号煤层的保护层先行开采,抽采9号煤层的瓦斯,降低瓦斯灾害事故的发生。因此,开展13号煤层安全开采可行性研究,为后期金沙片区内的矿井开采深部13号煤层提供依据,对于保障金沙片区煤矿的安全生产具有重要意义。以金沙片区煤矿为研究对象,首先分析底板隔水层岩性及其特征,然后采用《煤矿防治水细则》中的突水系数法[20]及SUFER软件,分析隔水层厚度、茅口组含水层水头值、13号煤层底板突水系数和13号煤层底板突水危险性。

1 研究区域概况

研究区位于贵州省西北部毕节市金沙县境内,地处黔北高原,属以岩溶地貌为主的中低山侵蚀、剥蚀地貌。地势西高东低,最高点位于研究区域西界王家屋基附近的山坡上,标高约为1 625 m;最低点位于研究区东端边界附近,标高约为1 025 m。研究区内最大相对高差约600 m;地表标高一般为1 250～1 450 m,高差100～200 m。研究区域走向长4.0～6.0 km,倾斜宽3.0～4.0 km,面积21.8 km2。根据研究区域内地质资料可知,13号煤层底板茅口组(P2m)含岩溶溶洞水,富水性强,具有不均匀性,属岩溶强含水层。研究区域内茅口组灰岩平均静水位1 296.52 m,并且茅口组灰岩出露矿区南侧及西北侧外部,地表呈峰林、落水洞、溶斗、岩溶洼地地貌,发育有地下河,上述地表出露与岩溶通道为茅口组灰岩提供了良好的水源和补给通道。

2 研究区域隔水层及其特征

2.1 研究区域隔水层厚度及岩性特征

研究区域内历次勘探揭露二叠系地层的钻孔有 38 个,根据获得的钻孔岩性参数对38个钻孔13号煤层至茅口组灰岩顶界的岩层厚度、总厚度及各岩层占比进行了统计分析。对研究区内13号煤层底板至茅口组灰岩顶界的岩性及隔水层厚度统计分析发现,研究区域内13号煤层底板隔水岩组由泥岩、石灰岩、粉砂岩、泥灰岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩、钙质粉砂岩、煤、细砂岩、粗砂岩、铝质泥岩等12种岩石组成。部分钻孔柱状图如图1所示。

(a)J1604钻孔

2.2 研究区域隔水层隔水性能分析

隔水层岩性决定岩层的隔水性能。组成岩层的矿物颗粒越细,其隔水性能越好。根据上述分析可知,13号煤层至茅口组灰岩顶界中共有9种隔水性能较好的岩层,平均厚度14.88 m,隔水性岩层总厚度占隔水层厚度平均为75.56%。隔水层的厚度影响岩层的隔水能力。隔水层的厚度越大,其隔水性能也就越好。不同的岩性组合也决定底板的阻水性能,因此,判断底板的岩性组合对矿山安全开采十分重要。结合图1可以发现,研究区域内隔水层岩性上下岩层相对较软、中间岩层相对较硬,这种隔水层结构在13号煤层开采时采动破坏相对较小,水压破坏不易发生,说明采动底板破坏深度和承压水导升高度相对较小,因此,这种岩性组合的隔水层隔水性能相对较好。

3 茅口组灰岩含水层对开采13号煤层的影响

3.1 突水系数法

我国目前最常用的评判带压开采安全标准是突水系数,参考《煤矿防治水细则》附录五中关于“安全隔水层厚度和突水系数计算公式”[20],该突水系数用地下水水压与隔水层厚度的比值来表示:

(1)

式中:T为突水系数,MPa/m;p为底板隔水层承受的实际水头,MPa;M为底板隔水层的厚度,m。

根据我国煤矿底板突水的实际资料来看,底板受构造破坏段的突水系数不得大于0.06 MPa/m,隔水层完整无断裂构造破坏地段的突水系数不得大于0.10 MPa/m。

3.2 13号煤层底板隔水层厚度

为了研究茅口组灰岩含水层对13号煤层开采井下工作面发生底板突水的危险性,对研究区域内的38个钻孔13号煤层底部隔水层厚度等信息进行统计分析。13号煤层底板距离茅口组灰岩含水层顶界的隔水层厚度为13.53～35.15 m,平均值为19.48 m,只有极个别钻孔揭露的隔水层厚度大于30 m。根据钻孔数据绘制13号煤层底板隔水层厚度等值线图,如图2所示。对比全国范围内其他煤矿突水事故的情况,黔北煤田金沙片区底板隔水层厚度相对较小。从图2中可以看出:研究区域西北部范围内13号煤层底板隔水层相对较厚,其他区域厚度较小,表现出从北向南隔水层厚度逐渐减小的趋势。

图2 13号煤层底板隔水层厚度等值线图

3.3 茅口组灰岩含水层水头值

根据贵州省煤田地质局地质勘察研究院提交的研究区域精查地质报告和补充勘探地质报告提供的数据显示,茅口组静水位为152.76～1 331.11 m,平均值为1 296.52 m。统计了38个钻孔茅口组灰岩顶界埋深和静水位标高(见表1),计算了茅口组灰岩含水层水头值,并且根据钻孔数据绘制了研究区域内茅口组灰岩水头值的等值线图,如图3所示。结合表1和图3可以发现,茅口组灰岩顶界埋深为728.05～1 158.71 m,平均值为957.15 m;茅口组灰岩含水层水头值为1.35～5.57 MPa,平均值为3.33 MPa;茅口组灰岩含水层水头值主要沿煤层延伸方向逐渐增高。

图3 13号煤层底部隔水层所受水头值等值线图

3.4 13号煤层掘进工作面安全隔水层厚度

分析13号煤层进行巷道掘进作业时掘进工作面安全隔水层厚度,采用《煤矿防治水细则》[20]附录五中关于“安全隔水层厚度和突水系数计算公式”,其中掘进工作面安全隔水层厚度计算公式如下:

(2)

式中:t为安全隔水层厚度,m;γ为底板隔水层岩层平均重度,MN/m3;L为巷道底板宽度,m;Kp为底板隔水层的平均抗拉强度,MPa。

根据研究区域地质资料和生产状况,巷道底板宽度L取4 m;底板隔水层岩层平均重度γ取0.025 MN/m3;底板隔水层承受实际水头p依据研究区域最低点705钻孔数据,取5.68 MPa;底板隔水层的平均抗拉强度Kp取2.0 MPa。将上述参数代入式(2)计算得到掘进工作面安全隔水层厚度t=5.35 m。

由表1中的13号煤层隔水层厚度统计数据可以发现,研究区域全区范围内13号煤层掘进工作面安全隔水层厚度均能够满足要求,在掘进工作中正常情况下一般不会出现突水威胁;但是当遇导水断裂带、断层带、陷落柱、导水地质构造时,仍然有突水危险,所以生产过程中应采用物探、钻探等技术手段查明地质构造情况。

3.5 13号煤层底板突水系数分析

选取研究区域内13号煤层与茅口组灰岩的隔水层厚度数据,将不同埋深13号煤层底板所受茅口组灰岩含水层实际水头值代入式(1),计算得到研究区域内13号煤层底板突水系数(见表1),绘制突水系数等值线图,如图4所示。

图4 13号煤层底板突水系数等值线图

从表1可以看出,研究区域内38个钻孔中:突水系数T<0.06 MPa/m的钻孔有1个(701钻孔);0.06≤T<0.10 MPa/m的钻孔有4个;0.10≤T<0.15 MPa/m的钻孔有8个;T≥0.15 MPa/m的钻孔有25个。

从图4可以发现,研究区域内13号煤层底板茅口组灰岩含水层突水系数为0.049～0.328 MPa/m,突水系数大的区域位于研究区域西北部,该部分区域13号煤层埋深较大,底板隔水层所受水头值较大,且底板隔水层厚度较小。整体而言,13号煤层浅部区域突水系数相对较小,自西南向东北方向逐渐变大。

3.6 13号煤层底板突水危险性分区

根据《煤矿防治水细则》附录五中关于“安全隔水层厚度和突水系数计算公式”,从我国煤矿底板突水的实际资料来看,底板受构造破坏段的突水系数不得大于0.06 MPa/m,隔水层完整无断裂构造破坏的地段的突水系数不得大于0.10 MPa/m。将研究区域13号煤层底板突水系数等值线图划分为非危险区(突水系数T<0.06 MPa/m)、较危险区(0.06≤T<0.10 MPa/m)、危险区(0.10≤T<0.15 MPa/m)、极危险区(T≥0.15 MPa/m),具体如图5所示。

图5 13号煤层底板突水危险性分区图

从图5中可知,研究区域内非危险区(突水系数T<0.06 MPa/m)仅出现在区域的西北部(该区域煤层埋藏较浅且底板隔水层相对较厚)零星区域,面积有限,约为3 368 m2,非危险区面积占比为0.03%。研究区域内较危险区(0.06≤T<0.10 MPa/m)仅出现在区域的西北部(该区域煤层埋藏较浅且底板隔水层相对较厚)和南部(该区域煤层埋藏较浅)面积较小的区域,为257 318 m2,较危险区面积占比为2.59%。研究区域内危险区(0.10≤T<0.15 MPa/m)出现在区域的西北部和南部的区域,即黄色填充区域,面积为1 536 620 m2,危险区面积占比为15.46%。研究区域内极危险区(T≥0.15 MPa/m)出现在区域的西北部和南部的区域,即橘红色填充区域,为研究区域的大部分区域,面积为8 140 891 m2,极危险区面积占比为81.92%。各区域所占面积见表2。

表2 13号煤层底板突水危险性分区统计

综上所述,通过突水系数法进行判断,13号煤层开采时西北部零星区域内满足承压水上开采的安全性要求,其余区域内进行茅口组灰岩承压水上开采时存在不同程度的突水危险性,尤其是在占大部分区域的极危险区内进行开采时,受茅口组灰岩水害威胁大,茅口组灰岩水害的防治工作困难。

4 结论

为了研究黔北煤田金沙片区茅口组灰岩含水层对开采13号煤层的影响,统计了研究区域内38个钻孔的岩性、隔水层厚度和茅口组灰岩顶界埋深等数据,计算了茅口组灰岩顶界含水层水头值,并采用《煤矿防治水细则》中的突水系数法分析了研究区域内的突水系数,研究发现:

1)13号煤层底板隔水层由泥岩、石灰岩、粉砂岩、泥灰岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩、钙质粉砂岩、煤、细砂岩、粗砂岩、铝质泥岩等12种岩石组成。其中,隔水性能较好的岩层有9种,累计厚度占隔水层厚度比例平均为75.56%;含水性岩层有3种,累计厚度占隔水层厚度比例平均为24.44%。

2)13号煤层底板隔水层厚度为13.53～35.15 m,平均值为19.48 m;13号煤层掘进工作面安全隔水层厚度为5.35 m,正常情况下隔水层厚度能够满足要求,但是应注意断层等构造的影响,生产过程中应采用物探、钻探等技术手段查明地质构造情况。

3)研究区域内38个钻孔中:T<0.06 MPa/m的钻孔有1个(701钻孔),占比2.6%;0.06≤T<0.10 MPa/m的钻孔有4个,占比10.5%;0.10≤T<0.15 MPa/m的钻孔有8个,占比21.1%;T≥0.15 MPa/m的钻孔有25个,占比65.8%。

4)研究区域内非危险区面积占比为0.03%,较危险区面积占比为2.59%,危险区面积占比为15.46%,极危险区面积占比为81.92%。