錦瑞煤業(yè)奧灰水帶壓開采危險性評價

付 曉

（晉能集團錦瑞煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033400）

1 工程地質(zhì)概況

山西錦瑞煤業(yè)位于河?xùn)|煤田中段柳林國家規(guī)劃礦區(qū)柳林北區(qū)的東北部，三交詳查區(qū)中東部，設(shè)計生產(chǎn)能力為120 萬t/a，礦井剩余可采煤層為8、9號煤層。8 號煤層最低開采標(biāo)高為+700m，9 號煤層最低開采標(biāo)高為+690m，兩層煤層間距平均為8.23m。

該井田位于柳林泉域的北部徑流帶，含水巖組主要為奧陶系中統(tǒng)峰峰組及上馬家溝組灰?guī)r含水層。根據(jù)收集區(qū)域資料顯示，上馬家溝組巖溶發(fā)育程度最高，富水性最強，峰峰組次之。井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高為+802.2m～+805.4m，單位涌水量為0.13303L/s?m。井田內(nèi)8、9 號煤層為局部帶壓開采煤層。

2 奧灰水突水條件

（1）底板突水影響因素分析

① 底板隔水層厚度及分布特征

8、9 號煤層平均間距僅8.23m，二者水文地質(zhì)條件相似。9 號煤底板至奧陶系灰?guī)r頂面，以鋁質(zhì)泥巖、泥質(zhì)、砂質(zhì)泥巖為主夾不穩(wěn)定的薄層砂巖和石灰?guī)r，平均55.0m，巖性致密，特別是本溪組的鋁土泥巖質(zhì)地細(xì)膩，具有極好的隔水性能，為礦區(qū)主要隔水層組，對下伏奧灰水起到了重要的阻隔作用。

② 底板隔水層巖性組合特征

9 號煤層底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、泥灰?guī)r，軟硬相間，屬軟弱～半堅硬類底板，具有良好的隔水作用。其巖石物理力學(xué)特性見表1。

（2）奧灰水水文地質(zhì)特征

① 奧灰水位

井田內(nèi)奧灰水位為802.2 ～805.4m，地下水總趨勢為由北向南，向柳林泉方向排泄。

② 奧灰?guī)r溶含水層富水性

含水層富水性是底板發(fā)生突水的內(nèi)在因素，決定著突水量的大小及其穩(wěn)定性。據(jù)ZK4 號孔O2f+O2s抽水試驗，水位埋深161.20m，水位標(biāo)高796.46m，單位涌水量0.13303 L/s?m，滲透系數(shù)0.5887m/d，富水性中等。

（3）地質(zhì)構(gòu)造對底板突水的影響

井田為一單斜構(gòu)造，未發(fā)現(xiàn)斷層和陷落柱。目前發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)構(gòu)造情況不會對奧灰水突水造成影響。

（4）突水系數(shù)計算

采用突水系數(shù)法對井田8、9 號煤層進行突水危險性評價，其計算公式為：

其中：

K-突水系數(shù)，MPa/m；

P-底板靜水壓力，MPa；

M-隔水層厚度，m。

各煤層鉆孔突水系數(shù)計算結(jié)果見表2。

表2 各煤層鉆孔突水系數(shù)計算結(jié)果表

根據(jù)上表計算結(jié)果可知，8 號、9 號煤層的最大突水系數(shù)小于受構(gòu)造破壞塊段突水的臨界值0.06MPa/m，均屬于相對安全區(qū)。

3 礦井帶壓開采危險性評價

3.1 奧灰水帶壓對開拓巷道影響的評價

（1）井下開拓巷道層位

采區(qū)大巷采用分區(qū)布置，一采區(qū)8、9 號煤層聯(lián)合布置，大巷層位大多沿8 號煤層頂板布置，局部沿9 號煤層布置；二采區(qū)8、9 號煤層分層布置大巷，大巷層位分別沿8、9 號煤層布置。以上巷道最低層位位于9 號煤層中，9 號煤層底板內(nèi)無開拓巷道。

（2）井下開拓巷道帶壓分析

井筒落底巷道、井底硐室、東翼大巷西段及西翼大巷部分巷道位于奧灰?guī)旱南鄬Π踩珔^(qū)，突水系數(shù)小于0.06MPa/m。

（3）井下開拓巷道承壓分析

奧灰?guī)簠^(qū)掘進巷道底板隔水層安全水頭壓力值按下式計算：

P=2Kp·t2/L2+rt

式中：

P-底板隔水層能承受的安全水壓，MPa；

t-隔水層厚度，取平均厚度55m；

L-巷道寬度，取大巷最大寬度5.2m。

r-底板隔水層的平均重度，2.59×10-2MN/m3；

Kp-底板隔水層的平均抗拉強度，取0.04MPa。

帶入計算得8、9 號煤層開拓大巷底板隔水層能承受的安全水壓為10.375MPa。從上述計算分析，8、9 號煤層開拓大巷底板隔水層能承受的安全水壓為10.375MPa，遠大于9 號煤層最大水頭壓力1.736MPa。因此，8、9 號煤層開拓大巷沿8、9 號煤層頂板布置合理，滿足奧灰?guī)洪_采要求。

（4）導(dǎo)水構(gòu)造威脅分析

根據(jù)8、9 號煤層已有巷道實際揭露情況及以往勘察報告及5、8 號煤層采掘現(xiàn)狀分析，井田內(nèi)主要開拓大巷均未揭露導(dǎo)水?dāng)鄬印⑾萋渲?，不存在突水威脅。

綜合以上分析，位于奧灰?guī)簠^(qū)內(nèi)的開拓大巷層位布置不受奧灰突水威脅，無需改造。

3.2 奧灰水帶壓對回采工作面開采影響的評價

（1）現(xiàn)有工作面長度合理性分析

① 底板擾動破壞分析

采用“三下開采規(guī)范”經(jīng)驗公式進行計算：

式中：

H-開采深度，m；

α-煤層傾角，取8°；

L-工作面斜長，按設(shè)計取255m。

根據(jù)本次及以往地質(zhì)勘探資料，井田內(nèi)9 號煤層位于帶壓區(qū)鉆孔為ZK2、ZK4、ZK5，底板破壞深度計算成果見表3。

表3 9號煤層底板破壞深度計算成果表

根據(jù)上述計算，底板破壞后有效隔水層厚度為26.24～30.43m。井田內(nèi)8、9 號煤層工作面長度為255m 開采時，底板隔水層厚度均大于礦壓作用對煤層底板的破壞深度，具有一定的保護層。

② 回采工作面采動后的安全水壓分析

回采工作面安全水壓計算：

依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》附錄中安全水頭壓力值計算公式

式中：

P-安全水壓，MPa；

M-底板隔水巖柱厚度，m；Ts-臨界突水系數(shù)，MPa/m。

水頭壓力計算：

式中：

H-水頭高度，m；

h1-奧灰水位標(biāo)高，m；

h2-煤層底板標(biāo)高，m；

h3-奧灰頂面標(biāo)高，m；

M-底板隔水巖柱厚度，m；

P-水頭壓力，MPa。

井田內(nèi)奧灰?guī)簠^(qū)鉆孔安全水頭壓力值計算成果見表4。

表4 回采工作面安全水頭壓力值對比表

綜上分析，井田內(nèi)8、9 號煤層工作面長度為255m 開采擾動后，底板有效隔水層厚度，能夠有效抑制奧灰?guī)r溶水突破煤層底板隔水層的能力，具備帶壓安全開采的條件。

（2）回采工作面最大長度論證

井田內(nèi)8、9 號煤層工作面最大長度計算公式：

式中，h1小于有效隔水巖柱厚度M有效。

M有效=P/Ts

P-實際水頭壓力；

Ts-臨界突水系數(shù)，MPa/m。

經(jīng)計算得出井田內(nèi)8、9 號煤層工作面最大長度Lmax，詳見表5。

表5 8、9 號煤層工作面最大長度對比表

根據(jù)上述計算，在不考慮底板導(dǎo)升帶前提下，井田內(nèi)8、9 號煤層工作面最大長度Lmax小于272.21m 時，具備帶壓安全開采的條件。

4 結(jié)束語

通過對錦瑞煤業(yè)9 煤底板隔水巖層物理力學(xué)性質(zhì)分析，采用突水系數(shù)法對井田8、9 號煤層進行帶壓開采分區(qū)和突水危險性評價。經(jīng)過分析和計算，位于奧灰?guī)簠^(qū)內(nèi)的開拓大巷層位布置不受奧灰突水威脅，無需改造；井田內(nèi)8、9 號煤層工作面長度為255m 開采擾動后，底板有效隔水層厚度，能夠有效抑制奧灰?guī)r溶水突破煤層底板隔水層的能力，具備帶壓安全開采的條件。并得出在不考慮底板導(dǎo)升帶前提下，井田內(nèi)8、9 號煤層工作面最大長度應(yīng)小于272m，目前工作面設(shè)計長度為255m，滿足奧灰?guī)洪_采要求。