馬蘭礦8#煤層帶壓開采研究及防治措施

張旭慶

(西山煤電集團公司，山西 太原 030053)

1 概述

山西西山煤電股份公司馬蘭礦是我國“七五”期間建設(shè)的國有重點煤礦。1983年建礦，1990年投產(chǎn)，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力400萬t/年，服務(wù)年限107年。礦井現(xiàn)開采+910 m水平，現(xiàn)生產(chǎn)8#煤層采區(qū)為南一下組煤和北三下組煤采區(qū)。

馬蘭礦井田水文地質(zhì)條件為復(fù)雜型(Ⅲ)，充水水源主要為奧灰?guī)r溶裂隙水、松撒沖積層及基巖風(fēng)化裂隙水、山西組砂巖裂隙水、太原組灰?guī)r裂隙巖溶水以及小窯采空水。其中，8#煤層受奧灰?guī)r溶水影響較大。奧灰?guī)r溶含水巖組是一組從寒武系至中奧陶系地層，對礦床具有充水危害的主要是O2f、O2s巖溶含水巖組。井田內(nèi)揭露奧灰水文勘探孔地層厚度及水壓統(tǒng)計見表1.

表1 井田揭露奧灰鉆孔地層厚度及水壓標(biāo)高統(tǒng)計表

2 8#煤層帶壓開采現(xiàn)狀

馬蘭井田以547鉆孔O2f+O2s混合水位923.25 m為最高水位，主采8#煤層(最低標(biāo)高為+680 m)帶壓開采面積約93.2 km2.隨礦井采掘向中部及東部轉(zhuǎn)移，以及北三采區(qū)8#煤的采掘，礦井生產(chǎn)受奧灰水的影響將越來越大，但嚴重不足的是:

1)無定量資料，即不能從水量、水位的定量關(guān)系上推斷各含水層間的聯(lián)系及分隔程度，以及峰峰組含水層的分塊性。

2)隔水層勘探程度不足，即太原組晉祠段及本溪組厚度在井田內(nèi)的變化趨勢不明，尤其鋁土巖段的厚度變化趨勢，峰峰組上部古風(fēng)化殼的裂隙充填、膠結(jié)程度。

3 帶壓開采分析

3.1 安全隔水層厚度計算

依《煤礦防治水規(guī)定》中計算公式:

式中:

t—安全隔水層厚度，m;

r—采掘工作面底板最大寬度，m;

L—隔水層巖石的容重，t/m3;

Kp—隔水層抗張強度，t/m2;

H—隔水層底板承受的水頭壓力，tf/m3.

奧灰水靜水位依547孔取951.25 m，+910水平8#煤層的最低標(biāo)高是680 m，8#煤層工作面底板最大寬度為20 m，隔水層的平均容重取2.2 t/m3，隔水層抗張強度取20 t/m2，8#煤層底板至奧灰頂界面的隔水層平均厚度為74 m，代入公式，則8#煤層安全隔水層厚度:

由此可知，910水平8#煤層底板隔水層在不受構(gòu)造破壞及不出現(xiàn)大的異常的情況下，帶壓開采是可行的。

3.2 8#煤層底板突水系數(shù)計算

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》有關(guān)要求，突水系數(shù)計算采用以下公式:

式中:

T—突水系數(shù)，MPa/m;

P—8#煤底板隔水層壓強，MPa;

M—8#煤底板底板無破碎隔水層總厚度，m.

就8#煤來講，威脅煤層開采的底板水源主要來自奧陶系巖溶水。因此，在確定水頭壓力時，采用奧陶系巖溶水的水壓標(biāo)高減去相應(yīng)的奧陶系頂面標(biāo)高值作為煤層底板承受的水壓力。

式中:

H—奧灰?guī)r溶水壓標(biāo)高，m;

h—奧灰頂面標(biāo)高，m.

底板隔水層厚度(M)是指主采煤層底板至下伏對煤層開發(fā)有水壓力嚴重威脅的含水層頂面之間的完整隔水巖層總厚度，即:

式中:

H煤—煤層底板標(biāo)高，m;

h—奧灰頂面標(biāo)高，m.

結(jié)合式(1)中有關(guān)數(shù)據(jù)，完整隔水巖層總厚度取8#煤層底板至奧灰頂界面的隔水層平均厚度74 m，參考全國的平均系數(shù)0.06 MPa/m，經(jīng)計算，8#煤最大突水系數(shù)為:

可見，+910水平8#煤層帶壓開采是可行的。

4 地質(zhì)構(gòu)造破壞區(qū)奧灰突水可能性分析

4.1 陷落柱因素

截止2013年，井田內(nèi)共發(fā)現(xiàn)陷落柱147個，其中地表出露8個，鉆孔揭露5個，井巷揭露117個。僅17個陷落柱時有淋水、滴水現(xiàn)象，最大突水量達14 m3/h，一般在2.5 ～4 m3/h，1 ～2 天即疏干，補給水源有限，為煤系圍巖水特征，應(yīng)是賦存的構(gòu)造水。而在南一8#下組煤18306工作面揭露S71導(dǎo)水陷落柱，突水量7～12 m3/h，水源為奧陶系巖溶水?？梢耘袛嘤袏W灰?guī)r溶水的混合補給。由以上事實得出，如果陷落柱發(fā)育至8#煤以下，由于陷落柱的未膠結(jié)帶、空洞帶、陷落柱冒落裂隙帶的存在，將大大減少有效隔水層厚度，增大了突水的可能性。

4.2 斷層因素

馬蘭井田內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，主要受壓扭應(yīng)力的作用，斷層面緊密，破碎帶不大，且發(fā)育有斷層泥。截止2013年7月底，馬蘭井田共揭露5 m以上斷層96條，多屬高角度正斷層。礦井內(nèi)斷層雖然較多，對井下采煤及工作面布置影響較大，但據(jù)礦井地質(zhì)報告井田內(nèi)落差＞20 m的斷層并不發(fā)育，落差較小的斷層一般不會造成有效隔水層厚度的大幅減小，但較大正斷層往往使煤層與奧灰水體間距縮小，增大突水的可能性。另外，根據(jù)勘探，斷層附近富水性一般較強，在掘進中揭露斷層時沒有發(fā)生突水，隨著采動而發(fā)生應(yīng)力重新分布，也可能使底板及斷層帶遭受異常的破壞，變不導(dǎo)水為導(dǎo)水。

綜上所述，帶壓開采是可行的，但應(yīng)預(yù)防構(gòu)造破壞區(qū)發(fā)生奧灰水突水的可能性。

5 奧灰水防治措施

5.1 全面強化水文地質(zhì)勘查工作

1)加快水文地質(zhì)補勘進度，并建立針對奧灰水的水文動態(tài)觀測網(wǎng)，為防治奧灰水及定量分析奧灰水提供依據(jù)。

2)加強煤層底板隔水層的巖性組合、厚度、力學(xué)性質(zhì)的勘探及實驗工作，為防治奧灰水提供基礎(chǔ)資料。

3)積極采用新技術(shù)、新經(jīng)驗加強對充水、導(dǎo)水因素的探測研究工作，采取有效防突水措施。

5.2 防突水安全措施

1)在8#煤層回采過程中應(yīng)采用水文地質(zhì)物探方法，包括采用直流電法超前探測或井下瞬變電磁法超前探測掘進迎頭前方富水異常區(qū)。其中瞬變電磁法對含水體更為敏感，可以用來查找探測含水層及富水區(qū)范圍，也可以進行探查斷裂構(gòu)造及陷落柱的導(dǎo)水性情況。對探測異常區(qū)應(yīng)該按照要求建設(shè)防水設(shè)施。

因此，在近5年的時間里需要進行的物探工程量和費用見表2.

表2 礦井物探工程量及費用表

同時要采取進一步的鉆探方法驗證探測情況。根據(jù)馬蘭礦2015—2019年的開采規(guī)劃，礦井計劃總掘進長度29 659 m.近5年施工探放水鉆孔累深達到98 280 m，總施工鉆孔數(shù)為1 944個。鉆探工程量見表3.

表3 礦井掘進鉆探工程量及費用表

2)加強排水系統(tǒng)建設(shè)。首先應(yīng)在南五下組煤采區(qū)最低點施工直排水系統(tǒng)，在南五下組煤正前與南五進風(fēng)大巷間施工110 m垂深的管道井，使南五下組煤采區(qū)涌水可以沿管道井將水通過麻家口立井直接排至地面，同時實現(xiàn)水泵遠控管理，可以有效解決南五下組煤采區(qū)和未來南八下組煤采區(qū)水害事故發(fā)生時的抗災(zāi)應(yīng)急排水。具體施工工程量及設(shè)備見表4.

表4 南五下組煤采取排水系統(tǒng)施工工程量及設(shè)備表

北三下組煤采區(qū)為防止采區(qū)開采過程中突發(fā)水患造成重大事故，應(yīng)在北三下組煤采區(qū)最低點施工盤區(qū)集中水倉，安裝防爆潛水電泵，在水倉合適位置處施工管道立井敷設(shè)排水管路，通過管道立井將水直接排至地面。立井地面標(biāo)高+1 275 mm，距礦地面北二35 kV變電站2 300 m.地面建一配電室放置供電及電氣控制系統(tǒng)設(shè)備。具體工程量及設(shè)備見表5.

3)加強礦井防治水工程建設(shè)。a)在南二下組煤需施工一個專門的水文觀測孔，對奧灰水水位、水壓等進行動態(tài)監(jiān)測。b) 在18305、18306、18308、18303 工作面回采結(jié)束后應(yīng)設(shè)計施工專門防水閘墻，進行封閉隔離，防止采動影響造成的奧灰水害事故。c)升級改造中央井底變電所、主斜井底通道的5道防水防火密閉門，使之成為可遠控自動關(guān)閉的電動防水防火設(shè)施。d)升級改造礦井水文觀測系統(tǒng)，在南、北大巷及南一下組煤水溝增加3處明渠觀測站點，動態(tài)監(jiān)測主要水文孔奧灰水位以及水倉水位的變化情況。

表5 北三下組煤采區(qū)排水系統(tǒng)施工工程量及設(shè)備表

6 結(jié)論

馬蘭礦8#煤層南五下組煤采區(qū)和北三下組煤采區(qū)帶壓開采可行，但在斷層構(gòu)造和陷落柱影響下具有奧灰水突出的可能性。按照本質(zhì)安全型礦井建設(shè)要求，要加強兩個采區(qū)防治水工程的施工和建設(shè)，制定并建立完善的防治水措施，確保礦井安全生產(chǎn)。

［1］李文生.論馬蘭礦煤層開采“三帶”發(fā)育高度研究［J］.山西焦煤科技，2007(5):4－5.

［2］張榮華.兩種突水系數(shù)計算公式的比較［J］.中國煤炭地質(zhì)，2012(7):44－47.