3安阳煤矿5煤底板突水机理分析2014-6-23
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安阳煤矿5号煤层底板突水机理分析
罗小阳 胡玉红
山西约翰芬雷华能设计工程有限公司陕西分公司
摘要:通过分析安阳煤矿5号煤层底板突水机理，判断安阳煤矿5号煤层底板各个含水层对煤层威胁程度，进而采取合理的防治煤层底板承压水害的措施。
关键词: K2灰岩；奥灰岩；突水；充水强度。
一、井田地质概况及煤层
安阳井田位于合阳县城附近，井田西以F8、F9断层为界，南以F4断层为界，北以合阳县城镇规划区为界，东以5号煤层底板250m等高线为界。井田内共施工了225个钻孔，其中补充勘探报告施工了8个孔，均揭露了奥陶系灰岩。
井田地质构造主要由安阳箕状向斜、合阳背斜和刘家岭背斜组成。较大的断层有F1断层、F2断层、F3断层、F4断层、F7断层、F8断层和F9断层，段距在10m~150m之间。井田内无岩浆侵入，未发现有无溶洞和陷落柱。
井田可采煤层和局部可采煤层仅有4、5、10、11号四层煤层。4、5号煤层位于太原群上段地层之中，10、11号两层煤位于太原群下段地层之中。
二、水文地质
5号煤层底板以下的含水层主要有太原群砂岩含水层和岩溶裂隙水。太原群砂岩含水层为K3砂岩与K2顶板石英砂岩含水层。K3砂岩为灰～灰白色中粗粒砂岩，硅质胶结，坚硬且裂隙较发育，部分钻孔遇该层漏水，该含水层与K2灰岩直接相连，无隔水层，故可视为同一含水层。水位高程+382m，q=0.0012～0.252L/s·m，K=0.00125～1.18m/d，水质属HCO3·SO4～Na·Ca型。
岩溶裂隙水中太原群K2灰岩含水层岩性为黑灰色，致密、坚硬，隐晶质结构，具壳状断口，裂隙岩溶发育不均。厚度由0～22.71m不等，一般5～10m，平均7.78m。顶板岩性为砂质泥岩或石英砂岩，底板多为10号煤或砂质泥岩。岩溶较发育，有小溶孔及溶蚀现象。水位高程多在+400m以上。q=0.000041～0.57L/s·m，Kcp=0.00665m/d，含水性不一。在+350m高程以上水质为HCO3·C1～Na·Mg型，矿化度0.63～1.115g/L；在+350m高程以下水质多属SO4·HCO3—Na·Ca型，矿化度1g/L左右。
岩溶裂隙水中奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层中石灰岩为石炭二叠系煤田基底，全层厚约530m，岩性为灰～深灰色石灰岩、白云质灰岩、中厚层灰质白云岩及薄层泥灰岩组成，成份以CaCO3、MgCO3为主，致密较坚硬，隐晶质—微晶质结构。在裂隙岩溶发育段，常有充填物存在，充填段厚度不等，多与岩溶大小有关，充填物多为铝质泥质及灰岩碎块，且多被铁质浸染。凡质纯的灰岩或白云岩裂隙较为发育。
三、底板突水水源
5号煤层底板突水水源主要由K2灰岩水和奥灰水。K2灰岩厚度变化大，岩溶裂隙发育不均，发生漏水者达1/3，严重漏水者15%，其分布位置多于构造断裂F3、F4、F8、F9附近和金水沟两岸及基底起伏变化较大、高程在+400m以上的区域，这种严重漏水的现象显示了与构造断裂及岩溶发育的有机联系。K2灰岩虽严重漏水，但孔内仍具有水位，高程均在+400m以上，仅深部边界水7号孔的水位、水质与奥灰岩基本一致，是两者之间补排一致，还是因构造发生水力联系，有待于进一步研究。K2灰岩虽系岩溶裂隙水，但含水性不强，其本身含水对煤层影响不大。但如果其与奥水水存在水力联系，则奥灰水将通过补给K2灰岩水威胁5号煤层。K2灰岩水为5号煤层底板充水的直接水源。
奥陶系石灰岩区域性水位标高+372m，其储水空间以溶蚀裂隙为主，为脉状岩溶水，溶蚀裂隙发育程度与构造有关，致使其富水性具有明显的非均一性质。据钻孔抽水试验，单位涌水量0.000647～0.0471L/s•m，属富水性弱的含水岩组，溶蚀裂隙有随着抽水时间的延长而逐渐畅通的过程，局部地段溶蚀裂隙连通性良好，富水性强。井田东部主采5号煤层处于奥灰区域水位高程+372m以下，奥灰水将对煤层开采造成威胁。奥灰岩溶水为5号煤层底板充水的间接水源。
四、底板突水通道
1. 底板破坏裂隙
煤层开采过程中，底板受到不同程度的破坏，会产生一些破坏性裂隙，破坏裂隙一般为10m，将导通太原群砂岩含水层（包括K2灰岩含水层）。因此，底板破坏裂隙为5号煤层底板充水的主要通道。
2. 断层
井田内断裂构造发育。断层在不同地段所受构造应力的强度不完全相同，在水平及垂直方向的导水性亦不均一。从地层、岩性、断层性质，简易水文等因素分析，本井田断裂因以正断层为主，其断裂面的性质多为张扭性，开启程度好，断层角砾及破碎带充水条件好，导水性较强。因此断层将导通底板K2灰岩水和奥灰岩承压水。
五、矿井充水强度分析
1. 煤层底板
煤层底板太原群K2灰岩水属直接充水含水层，充水强度中等，局部地段隔水条件较差的铝土质泥岩较薄，并与富水性强的奥灰岩溶水发生水力联系时，矿井充水水量将急剧增大。
2. 奥灰岩溶水
煤系沉积基底奥陶系灰岩，含水空间以溶蚀裂隙为主，富水性强且具有明显的不均一性，岩溶水连通性良好，具有区域性的水位标高+372.00m，水头压力大，东部主要可采5号煤层处于+372.00m以下，由于太原群下部岩层隔水性能不稳定，奥灰水将对煤层开采造成威胁。
六、引起煤层底板突水的因素分析
位于煤层底板下部的奥灰岩溶承压含水层，是造成底板突水的主要源泉。其水头压力大，承压水在水压力的作用下不断侵蚀、冲刷底板隔水层，渗透至上覆隔水层的构造裂隙中，降低隔水层的完整性，减弱岩体的抵抗强度，并扩大隔水层内部的裂隙，最终形成突水通道。
煤层采掘前，奥灰水的静压力始终与上覆岩层的自重力处于一种自然地平衡状态，煤层的采掘破坏了这种平衡。采动压力使得煤层底板产生新的裂隙，据澄合各矿多年观测，采动压力对正常地层的破坏深度为10m，对构造破碎带的破坏深度达20m。采动引起的底板破坏减小了隔水层的有效厚度，降低了隔水性能，局部可失去阻水性。
七、结论及水害防治措施
太原群K2灰岩距离5号煤层较近，为煤层直接充水含水层，煤层回采后底板导水裂隙带将导通该含水层。奥灰岩为5号煤层底板的间接充水含水层，主要通过补给K2灰岩而威胁煤层开采。因此，K2灰岩水是水害防治的重点。其防治措施主要有如下几点：
1. 巷道掘进进入煤层后需委托有资质的单位进行探放水实验，进一步查明K2灰岩水和奥水水之间的水力联系。
2. 若K2灰岩水涌水量较大或K2灰岩水与奥灰水之间存在水力联系，工作面开采前，需采取注浆置换K2灰岩水，将K2灰岩含水层改造为隔水层等措施加固煤层底板，降低煤层底板带压系数，以减小工作面底板突水的可能性。
3. 设计在满足工作面生产能力的基础上适当减小工作面长度，减小工作面回采后对底板的扰动带深度。
作者简介：罗小阳，出生于1982年10月17日，男，2006年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，大学本科学历，2006年7月至2011年9月在中煤西安工程设计公司工作，2011年10月至今在山西约翰芬雷华能设计工程有限公司陕西分公司工作。
