工作面帶壓開(kāi)采安全評(píng)價(jià)及防治水技術(shù)實(shí)踐

弓遠(yuǎn)程

（太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030026）

煤炭開(kāi)采多數(shù)為井工開(kāi)采，隨著開(kāi)采深度的不斷延伸，煤礦水害逐漸成為影響安全開(kāi)采的重要因素之一，其危害程度僅次于瓦斯危害［1］。許多地方煤礦煤層開(kāi)采受奧灰水影響，在開(kāi)采過(guò)程中，一旦發(fā)生突水，可能帶來(lái)災(zāi)難性后果。因此，針對(duì)奧灰水帶壓開(kāi)采受隱伏構(gòu)造導(dǎo)水問(wèn)題所采取的煤礦防治水安全評(píng)價(jià)和安全技術(shù)措施已成為煤礦防治水工作重點(diǎn)［2-3］。

1 工程概況

1.1 可采煤層概況

榮康煤業(yè)位于洪洞縣劉家垣鎮(zhèn)嶺南村至上樹(shù)垣村一帶，是2006年資源整合的單獨(dú)保留礦井，地理位置為呂梁山南段東側(cè)，汾河西岸?？刹?-11號(hào)煤層，生產(chǎn)規(guī)模900 kt/a，煤系地層為石炭系上統(tǒng)太原組?，F(xiàn)可采煤層為9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)煤層。9號(hào)煤層厚度0.82～1.30 m，平均1.06 m，不含夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。頂板巖性以石灰?guī)r為主，底板巖性以泥巖為主，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。10號(hào)煤層上距9號(hào)煤層間距為1.03～3.97 m，平均1.89 m，煤層厚度1.65～2.80 m，平均2.26 m，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。厚度變化不大，頂板巖性以泥巖為主，底板巖性以粉砂巖為主，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。9號(hào)煤層和10號(hào)煤層距離較近，按同一煤層9+10號(hào)煤層考慮。11號(hào)煤層厚度1.65～3.23 m，平均2.44 m，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。頂板巖性為炭質(zhì)泥巖或泥巖，底板巖性為石英砂巖或泥巖，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層?？刹擅簩拥貙又鶢顖D，見(jiàn)圖1。

圖1 地層柱狀圖

1.2 奧陶系巖溶裂隙含水層

根據(jù)礦井地質(zhì)資料，奧陶系峰峰組厚度101.40～105.30 m，上距11號(hào)煤層底板0～305 m?；?guī)r巖溶裂隙含水層單位涌水量為0.0545～5.799 L/s·m，為弱-強(qiáng)富水性含水層，水位標(biāo)高為+515～+540 m，9+10號(hào)煤層底板標(biāo)高為+245.0～+525.0 m，11號(hào)煤層底板標(biāo)高為+235.0～+515 m，9+10、11號(hào)煤層底板標(biāo)高基本低于奧灰水水位標(biāo)高，屬于帶壓開(kāi)采.礦井在構(gòu)造發(fā)育地段開(kāi)采時(shí)有突水的可能，需對(duì)帶壓開(kāi)采煤層進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，并開(kāi)展防治水安全技術(shù)措施研究。

2 帶壓開(kāi)采安全性評(píng)價(jià)

2.1 煤層底板隔水巖柱特征

（1）隔水巖柱的厚度

9+10、11號(hào)煤層底板隔水層厚度分別至峰峰組灰?guī)r頂面之間的巖層，由泥巖及砂巖組成，裂隙不發(fā)育，完整性較好，該隔水層阻斷了奧陶系峰峰組灰?guī)r含水層與太原組灰?guī)r巖溶裂縫含水層的聯(lián)系。

據(jù)本井田及其周邊地質(zhì)鉆孔資料可知：

井田及其附近9+10號(hào)煤層底板隔水層厚度為32.25～54.72 m之間，9+10號(hào)煤層底板與奧灰峰峰組（O2f）頂界之間隔水層在井田南部較厚，北部較薄。最厚點(diǎn)位于井田東南角邊界附近87號(hào)孔附近，厚度為54.72 m；最薄點(diǎn)位于井田中東部邊界副井檢孔附近，厚度為32.25 m。

井田及附近11 號(hào)煤層底板隔水層厚度為21.32～44.57 m之間，11號(hào)煤層底板與奧灰峰峰組（O2f）頂界地層，南部較厚，北部較薄。最厚點(diǎn)位于井田東南角邊界87號(hào)孔附近，厚度為44.57 m；最薄點(diǎn)位于井田中東部邊界副井檢孔附近，厚度為21.32 m。

（2）隔水巖柱的空間分布及其組合關(guān)系

井田及附近11號(hào)煤層底板至奧陶系中統(tǒng)峰峰組灰?guī)r頂界之間地層厚度平均為31.72 m；井田內(nèi)隔水巖層平均累計(jì)厚度28.63 m左右，占據(jù)總隔水層厚度的90%，主要以泥巖和粉砂巖為主，均可以作為隔水層，具有良好的隔水能力。

（3）隔水層工程地質(zhì)特征

11號(hào)煤層頂板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖；底板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖和粉砂巖。11號(hào)煤層頂板泥巖抗壓強(qiáng)度26.80～73.60 MPa，平均50.10 MPa，為軟弱-堅(jiān)硬巖石為主；抗切強(qiáng)度4.44～7.79 MPa，平均5.82 MPa；抗拉強(qiáng)度3.26～3.81 MPa，平均3.58 MPa。

底板泥巖抗壓強(qiáng)度18.0～22.0 MPa，平均20.0 MPa，為軟弱巖石；抗拉強(qiáng)度1.41～2.26 MPa，平均1.88 MPa；抗切強(qiáng)度4.00～5.33 MPa，平均4.75 MPa。由于11號(hào)煤層底板巖石強(qiáng)度為軟弱，遇水易泥化，在一定條件下（頂面來(lái)壓），易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，但隔水性能較好。

2.2 礦山壓力對(duì)底板破壞分析

底板突水是由采動(dòng)礦壓和底板承壓水的共同作用而產(chǎn)生的。由于掘進(jìn)和工作面采動(dòng)，原有地應(yīng)力平衡遭破壞，地應(yīng)力重新分布，在地應(yīng)力重新達(dá)到平衡時(shí)，必然有應(yīng)變能釋放，使巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

采動(dòng)裂隙是構(gòu)成底板承壓水進(jìn)入礦井的主要通道之一。底板是否突水，除取決于煤層底板隔水層厚度外，還與底板破壞深度有關(guān)。破壞深度影響因素主要為煤層底板的巖石類(lèi)型、力學(xué)性質(zhì)、煤層厚度及礦山壓力大小。在隔水層厚度、巖性特征與巖石力學(xué)性質(zhì)一定的情況下，工作面斜長(zhǎng)與底板破壞帶深度基本成正比。煤層開(kāi)采產(chǎn)生的底板擾動(dòng)破壞裂隙與下覆含水層之間的聯(lián)系見(jiàn)圖2。

圖2 采動(dòng)裂隙與下覆含水層之間聯(lián)系

現(xiàn)對(duì)煤層底板導(dǎo)水破壞帶深度（Cp）作具體分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式［4-5］，考慮采深、傾角和工作面斜長(zhǎng)，則可用下述統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算煤層底板破壞深度：

Cp=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

式中：Cp為底板破壞帶深度，m；H為開(kāi)采深度，m；L為工作面斜長(zhǎng)，m，取200 m；α為煤層傾角，°，取8°。

計(jì)算可得，井田內(nèi)開(kāi)采9+10及11號(hào)煤層的底板擾動(dòng)破壞深度分別為20.4～22.1 m和20.5～22.2 m，有效隔水層厚度分別為11.2～34.3 m和0.1～24.1 m?？芍?，在底板隔水層完整地段，下組煤對(duì)奧陶系峰峰組含水層具有有效的隔水作用。

2.3 奧灰?guī)洪_(kāi)采“突水系數(shù)法”評(píng)價(jià)

按照《煤礦防治水細(xì)則》中附錄五公式（式5-4-1）計(jì)算突水系數(shù)，并評(píng)價(jià)奧灰水對(duì)下組煤的突水危險(xiǎn)性。

（1）突水系數(shù)計(jì)算公式

T=P/M

式中：M為底板隔水層厚度，m；P為隔水層承受的水壓，MPa；T為突水系數(shù)，MPa/m。

（2）帶壓開(kāi)采安全性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，確定以下帶壓開(kāi)采分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)：

非突水危險(xiǎn)區(qū)：承壓水位以上區(qū)域

突水威脅區(qū)：T＜0.06 MPa/m

突水危險(xiǎn)區(qū)：T≥0.06 MPa/m

（3）下組煤層底部奧灰水突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

①9+10號(hào)煤層帶壓開(kāi)采突水評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算，井田范圍內(nèi)9+10號(hào)煤層底板承受奧灰水水頭壓力為0.558～3.195 MPa之間，見(jiàn)圖3；突水系數(shù)（T）為0.015～0.069 MPa/m之間，見(jiàn)圖4。

圖3 9+10號(hào)煤層底板承受水頭壓力等值線(xiàn)

圖4 9+10號(hào)煤層帶壓開(kāi)采評(píng)價(jià)分區(qū)

②11號(hào)煤層帶壓開(kāi)采突水評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算，井田內(nèi),11號(hào)煤層底板承受奧灰水水頭壓力為0.558～3.195 MPa之間，突水系數(shù)（T）為0.021～0.091 MPa/m之間。

井田范圍內(nèi)全部帶壓開(kāi)采，大部分處在突水威脅區(qū)（井田南部）、有一部分處在突水危險(xiǎn)區(qū)（南區(qū)北部），見(jiàn)圖5。突水危險(xiǎn)區(qū)與井田中部下團(tuán)柏正斷層相鄰，未來(lái)開(kāi)采在進(jìn)入突水危險(xiǎn)區(qū)時(shí)，必須做好防探水工作，留設(shè)足夠保安煤（巖）柱，以確保安全。

圖5 11號(hào)煤層帶壓開(kāi)采評(píng)價(jià)分區(qū)

3 帶壓開(kāi)采防治水技術(shù)

3.1 斷層防隔水煤（巖）柱的留設(shè)

承壓水由斷層或斷層一側(cè)的強(qiáng)含水層直接突破煤層而進(jìn)入采區(qū)。據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，其有效防治措施為：在緊靠斷層上盤(pán)一側(cè)留設(shè)防隔水煤柱，見(jiàn)圖6。

圖6 含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲海◣r）柱留設(shè)

其計(jì)算公式如下：

式中：L為煤柱留設(shè)的寬度，m；M為煤層厚度或采高，m；KP為煤層抗拉強(qiáng)度，MPa；P為作用于煤柱的水頭壓力，MPa；K為安全系數(shù)，一般取2～5。本次計(jì)算安全系數(shù)取5。

9+10號(hào)煤層平均厚度4.87 m（包括兩煤層間泥巖），11號(hào)煤層平均厚度2.38；作用于煤柱的水頭壓力P值井田內(nèi)平均值為1.505 MPa，最大為3.195；煤的抗拉強(qiáng)度(Kp)，取0.30 MPa。

分別采用9+10號(hào)煤層隔水層底板所受水壓的均值及最大值，斷層防隔水煤柱留設(shè)寬度為47 m和69 m。斷距小于30 m的斷層防隔水煤柱，采用47 m；斷距超過(guò)30 m的斷層防隔水煤柱，采用69 m。

分別采用11號(hào)煤層隔水層底板所受水壓的均值及最大值，斷層防隔水煤柱留設(shè)寬度為23 m和33 m?？紤]到9+10號(hào)煤層距離11號(hào)煤層較近，在11號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)，防隔水煤柱的留設(shè)參考9+10號(hào)煤層。

3.2 底板注漿加固及改造

井田南區(qū)11 號(hào)煤層下距奧灰界面21.32 ～44.57 m之間，在煤層開(kāi)采底板擾動(dòng)裂隙形成后，有效隔水層厚度在0.1～24.1 m之間，給下組煤層底板奧灰水帶壓開(kāi)采帶來(lái)較大的隱患。

（1）含水層注漿改造

為了防止奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水突入礦井，在探查工程完成后，考慮薄層灰?guī)r含水層與奧陶系灰?guī)r含水層可能連通，可對(duì)薄層灰?guī)r進(jìn)行注漿，將含水層變?yōu)楦羲畬?，以提高?duì)奧陶系灰?guī)r水的阻擋能力。

（2）隔水層注漿加固

在工作面回采前，將已探明的隔水層破碎帶進(jìn)行注漿，保證隔水層的連續(xù)性和完整性，提高防突水能力。

4 結(jié)語(yǔ)

鑒于榮康煤業(yè)9+10號(hào)煤層、11號(hào)煤層底板位于奧灰水水位之下，帶壓開(kāi)采存在突水危險(xiǎn)的情況。本文分析了兩組煤層底板隔水巖層特征及存在的突水因素，采用奧灰?guī)洪_(kāi)采“突水系數(shù)法”通過(guò)理論計(jì)算，對(duì)9+10號(hào)煤層、11號(hào)煤層突水情況進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)：大部分處在突水威脅區(qū)、有一部分處在突水危險(xiǎn)區(qū)，未來(lái)開(kāi)采在進(jìn)入突水危險(xiǎn)區(qū)時(shí)，必須做好防、探水工作，留設(shè)足夠保安煤（巖）柱，確保安全；最后通過(guò)理論計(jì)算確定了針對(duì)不同性質(zhì)斷層，留設(shè)煤柱的寬度要求及底板注漿加固等一系列防治水安全技術(shù)措施。