溝底煤礦可采煤層帶壓開采可行性安全評價

趙方亮

(山西高平源野煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

沁水煤田溝底煤礦為晉城礦區(qū)規(guī)劃新建礦井之一，隸屬于山西高平源野煤業(yè)有限公司。井田面積71.07 km2，礦井設(shè)計產(chǎn)能為500萬t/a，全區(qū)可采3號煤層和15號煤層。區(qū)域地層自下而上為：古生界(奧陶系、石炭系、二疊系)、中生界(三疊系)、新生界(第四系)。3號煤層位于山西組下部，厚度為4.35～7.45 m，平均5.88 m，頂板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部為中粒、細(xì)粒砂巖，底板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部為炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖或泥質(zhì)細(xì)砂巖，埋深348.60～832.19 m。15號煤位于太原組下部，上距3號煤底約81.70 m，下距太原組底砂巖(K1)或O2灰?guī)r頂約10.75 m，煤層厚2.65～4.24 m，平均3.45 m，煤層頂板為K2石灰?guī)r，底板為泥巖或含黃鐵礦砂質(zhì)泥巖。井田內(nèi)煤層傾角小于15°。

礦井面臨的最大防治水問題是來自可采煤層基底奧灰?guī)r溶含水層的突水威脅。在煤層開采過程中，受煤層底板采動破壞、導(dǎo)水構(gòu)造、原始導(dǎo)高和奧灰高水壓的共同作用，發(fā)生底板奧灰水突出的可能性極大，將成為影響礦井安全生產(chǎn)的重大隱患。因此，需對其帶壓開采進(jìn)行可行性安全評價。

1 礦井充水條件分析

1.1 充水水源分析

3號煤層頂板的直接充水水源為二疊系砂巖裂隙含水層，估算3號煤層底板破壞深度h=17.8～21.9 m，可與K7砂巖、K6、K5灰?guī)r發(fā)生聯(lián)系，構(gòu)成礦井的底板直接充水水源。15號煤上距K2砂巖0～3.95 m ，距K3砂巖6.18～25.15 m，距K4砂巖17.19～68.74 m，距K5砂巖43.50～80.34 m，距3號煤層75.05～110.47 m。太灰水及3號煤采空區(qū)水為其直接充水含水層。計算15號煤底板破壞深度11.8～45.22 m，在底板薄弱區(qū)域可直接與奧陶系灰?guī)r溝通，構(gòu)成突水威脅，奧灰水為15號煤的底板直接充水水源。

1.2 充水通道分析

可能成為充水通道的主要包括斷層、陷落柱、封閉不良的鉆孔、導(dǎo)水裂隙帶、采空塌陷等。

1) 三維地震勘探結(jié)果顯示：首采區(qū)3 km2范圍內(nèi)14條斷層發(fā)育，其中落差≥5 m的斷層7條，落差>3 m的斷層7條，除1條逆斷層外，其余均為正斷層。首采區(qū)共解釋陷落柱23個，眾多的陷落柱在首采區(qū)內(nèi)形成大量無煤柱，并對陷落柱邊緣煤層也造成一定程度的破壞。

2) 根據(jù)勘探資料，井田內(nèi)施工的鉆孔均按設(shè)計要求進(jìn)行了封孔。雖然鉆孔均已密閉，達(dá)到封孔要求，但是在采礦活動接近或者揭露鉆孔時，仍應(yīng)加強(qiáng)探測。

3) 導(dǎo)水裂隙帶。依據(jù)《三下采煤規(guī)程》，計算3號、15號煤層垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶高度得出：3號煤層垮落帶高度為18.48～23.48 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為56.32～83.49 m。開采3號煤層形成的最大導(dǎo)水裂隙帶高度為83.49 m，小于煤層埋深，不會延伸到地表，可溝通下K9砂巖裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)下石盒子組、山西組砂巖裂隙承壓水含水層；15號煤層垮落帶高度為13.23～18.39 m，導(dǎo)水裂縫帶高度為60.15～132.29 m，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育至灰?guī)r含水層，部分區(qū)域?qū)l(fā)育至3號煤采空區(qū)。

4) 采空塌陷。溝底煤礦井田內(nèi)煤層未進(jìn)行開采，地表不存在塌陷，但隨著井田內(nèi)3號煤層開采后，塌陷裂隙帶與地表基巖分化裂隙帶溝通，導(dǎo)通采掘工作面與地表，這些裂隙將成為大氣降水及地表水與礦坑之間的導(dǎo)水帶。

溝底煤礦正處于基建階段，井下礦井涌水量每天僅有少量的涌水。而隨著開采區(qū)域的增大，充水強(qiáng)度也將逐步增大。

2 帶壓開采可行性安全評價

2.1 帶壓開采水文地質(zhì)條件分析

1) 3號煤底板至15號煤之間厚度為75.05～110.14 m，平均厚度90.29 m，砂質(zhì)泥巖和泥巖的總厚度占統(tǒng)計巖層的27.15%～76.75%，為該組段的主要隔水層。

2) 15號煤底部至峰峰組頂部巖層厚度為11.81～45.22 m，平均厚度26.58 m，鋁土質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖總厚度占統(tǒng)計巖層厚度的35.79%～100%，鋁土質(zhì)泥巖的全區(qū)穩(wěn)定分布，屬于隔水性最好的巖層?？傮w上，15號煤至奧灰的巖層隔水性較好，但厚度較薄，分布不均，可作為帶壓開采的隔水關(guān)鍵層。峰峰組相對隔水層的存在對15號煤的開采具有較大的現(xiàn)實意義[1]。

3) 峰峰組與上馬家溝組含水層天然富水性[2]。峰峰組富水性較馬家溝組弱，峰峰組整體為弱含水層。峰峰組頂部裂隙發(fā)育程度極弱，峰峰組與上馬家溝組水位相差一般為1.88～11.30 m，最大達(dá)90 m。僅局部地段有水力聯(lián)系，大部分地段兩者之間水力聯(lián)系十分微弱。正常地段峰峰組相對隔水層滲透性差，峰峰組頂部相對隔水層很難有效得到上馬家溝組含水層的補(bǔ)給。

2.2 帶壓開采突水危險性評價

1) 掘進(jìn)巷道底板突水危險性評價。掘進(jìn)工作面底板隔水層安全水頭壓力值的計算公式：

(1)

式中：t為安全隔水層厚度，m；L為巷道底板寬度，取4.5 m；r為底板隔水層平均容重，取0.027 MN/m3；Kp為底板隔水層平均抗拉強(qiáng)度，根據(jù)鉆孔巖樣測試成果，為安全起見，取抗拉強(qiáng)度最低的鋁土泥巖的Kp(0.2 MPa/m)值作為計算值；P為底板奧灰最大水頭壓力，取值4.36 MPa。

帶入上式計算得，安全隔水層厚度為14.72 m，遠(yuǎn)小于3號煤的最小隔水層厚度90 m，因此正常情況下3號煤(無構(gòu)造導(dǎo)通塊段)發(fā)生突水的可能性很小。

對于15號煤不考慮峰峰組相對隔水層時，掘進(jìn)過程中可能存在突水危險。如果考慮相對隔水層厚度20～30 m時，則突水概率大幅降低。因此對于15號煤的防治水策略應(yīng)將工作重點(diǎn)放在底板異薄弱、構(gòu)造異常區(qū)域的探查與治理方面，合理、辯證的利用峰峰組頂部地層隔水能力，降低防治水成本。

2) 回采工作面底板突水危險性評價。突水系數(shù)公式：

(2)

式中：P為水壓值,MPa；M為隔水層厚度,m；將20～30 m峰峰組阻水段因素考慮進(jìn)去，3號煤層底板隔水層的厚度為110.15～167.26 m，平均144.26 m；煤層底板隔水層奧灰水承壓為0～4.43 MPa，計算得出，3號煤層奧灰水突水系數(shù)為0.002 6～0.03 MPa/m。

將20 mm～30 m峰峰組阻水段因素考慮進(jìn)去，15號煤層底板隔水層厚度為31.81～65.22 m，平均47.37 m；煤層底板隔水層奧灰水承壓為0.367～4.43 MPa。計算得出，15號煤層奧灰水突水系數(shù)為0.01～0.094 MPa/m。相對隔水層厚度，對改善距離奧灰水較近的15號煤層帶壓開采條件意義最大。

3 帶壓開采的防治水技術(shù)路線及措施

3.1 帶壓開采的防治水技術(shù)路線

1) 針對太灰水，由于采掘活動必然引起其進(jìn)入采掘空間，其防治對策主要以局部富水區(qū)預(yù)疏放結(jié)合自然疏放。

2) 針對底板奧灰水威脅，重視底板相對隔水層的探查與評價工作，以導(dǎo)水通道探查與治理預(yù)防為重點(diǎn)。

3) 針對底板潛在的太灰、奧灰水威脅問題，根據(jù)不同水害類型設(shè)計相應(yīng)的水害防治方案，主要包括導(dǎo)水?dāng)鄬印⑾萋渲卫?，底板薄弱地段加固與含水層改造等[3]。

4) 在工作面掘進(jìn)期間、回采開始之前，堅持“物探先行、鉆探跟進(jìn)、探掘分離、不探不掘、不治不采”的方針，做好水害隱患預(yù)測預(yù)報工作，所有水害問題解決之后方可采掘生產(chǎn)。

5) 視不同水害類型留設(shè)相應(yīng)的防水煤柱，優(yōu)化工作面設(shè)計，主動防御潛在水害隱患。

6) 建立完善強(qiáng)大的排水系統(tǒng)，確保礦井、采區(qū)、工作面排水系統(tǒng)完備，具備滿足正常生產(chǎn)和一定的抗災(zāi)防護(hù)能力。

7) 建立完備的預(yù)防礦井水害事故的配套安全技術(shù)措施。

3.2 需采取的保障措施

1) 重視排水系統(tǒng)及應(yīng)急排水系統(tǒng)建設(shè)。礦井排水系統(tǒng)與相應(yīng)防水系統(tǒng)的建立，是實現(xiàn)安全帶壓開采必備基礎(chǔ)。在開采煤層時選擇合適地段設(shè)置抗?jié)撾娕畔到y(tǒng)，提高礦井抗災(zāi)排水能力。礦井排水系統(tǒng)必須保證《煤礦防治水規(guī)定》規(guī)定的抗災(zāi)搶險的排水能力和相應(yīng)的防水系統(tǒng)建立，在水量一旦意外有所增大的情況下，才能避免淹井事故的發(fā)生，至少能爭取時間撤出突水大概率區(qū)的工作人員。

圖1 帶壓開采防治水技術(shù)路線

2) 水文地質(zhì)異常體超前探查及防治。 掘進(jìn)階段地質(zhì)異常體的探查與防治重點(diǎn)是巷道掘進(jìn)頭前方導(dǎo)水構(gòu)造超前探測和巷道掘進(jìn)頭前方導(dǎo)水構(gòu)造治理。目前常用的探測方法是直流電法超前探測技術(shù)、瞬變電磁法等，也可以選用其他物探超前探測方法?；夭呻A段地質(zhì)異常體的探查與防治重點(diǎn)是工作面地質(zhì)構(gòu)造的探測和導(dǎo)水構(gòu)造的治理，目前成熟的物探方法有坑透儀、槽波探測、音頻電透視等。掘進(jìn)和回采前均需采取物探和鉆探綜合的方法進(jìn)行探測。

3) 斷層及井田邊界附近防水煤柱留設(shè)。在落差較大斷層附近布置采面且工作面位于斷層上盤時，必須留設(shè)防水煤(巖)柱，按照斷層防水煤(巖)柱寬度的計算公式計算。如因采掘部署需要穿過斷層時，應(yīng)實施探查工程進(jìn)行水害評估，必要時進(jìn)行治理，將隱患排除后方可進(jìn)行采掘活動[4]。

4) 含水層的改造。通過改造峰峰組頂部弱富水含水層，變含水層為隔水層，以達(dá)到增加隔水層厚度的目的[5]?？赏ㄟ^地面建立注漿站，將注漿的漿液全部在地面配置完成，通過管路輸送到井下需要的注漿點(diǎn)。注漿材料可選擇底板水泥-水玻璃或底板化學(xué)漿注漿。結(jié)合國內(nèi)注漿加固的技術(shù)現(xiàn)狀，可以采用井下常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)，從工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷打斜孔穿層進(jìn)入灰?guī)r中，然后進(jìn)行注漿加固。

5) 水情水害監(jiān)測。在井田六個盤區(qū)選擇合適位置各布置1個奧灰長觀孔，作為工作面回采過程中的底板突水的奧灰水動態(tài)觀測孔。隨著傳感器技術(shù)和5G技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，建立運(yùn)行可靠、自動化程度更高，能夠連續(xù)觀測地下水位、水壓、涌水量的觀測系統(tǒng)。自動對井田內(nèi)各含水層水、突水點(diǎn)水、礦井涌水量、采區(qū)涌水量等進(jìn)行全方位的動態(tài)監(jiān)測，提供直觀、準(zhǔn)確、及時的水位和涌水量信息。

6) 由于隨著開采深度的增加，礦壓將逐漸增大，為防治回采對底板破壞的影響誘發(fā)的突水，建議對工作面布置應(yīng)盡量縮短其斜長，尤其在底板隔水層較薄和構(gòu)造發(fā)育區(qū)段，最大限度的降低回采對底板的破壞深度。

4 結(jié)論及建議

1) 通過對礦井充水條件進(jìn)行分析，對帶壓開采危險性進(jìn)行評價，根據(jù)3號、15號煤層面臨的帶壓開采危險程度，提出了帶壓開采防治水技術(shù)路線和配套安全保障措施。

2) 在生產(chǎn)設(shè)計前，要加強(qiáng)對斷層、陷落柱等水害隱患的探查與防治工作。要對其底板隔水層較薄區(qū)域、構(gòu)造較發(fā)育區(qū)域采取物探、鉆探進(jìn)行精細(xì)探查，并采取相應(yīng)的防治手段如留設(shè)防水煤柱、采用注漿加固或其它防治水技術(shù)措施。

3) 根據(jù)采掘銜接計劃，應(yīng)加強(qiáng)奧灰水文地質(zhì)條件和構(gòu)造導(dǎo)水性的勘查和研究，實施進(jìn)一步的水文地質(zhì)精細(xì)探查工作，進(jìn)行補(bǔ)充勘探，以確保安全采掘。

4) 加強(qiáng)防治水安全保障與管理系統(tǒng)建設(shè)，落實防治水配套技術(shù)措施。

5) 加強(qiáng)職工的防治水安全技術(shù)知識教育培訓(xùn)，重點(diǎn)對突水征兆、防治水措施、預(yù)案、避災(zāi)路線、自保互保意識的教育培訓(xùn)，增強(qiáng)和提高職工的防治水意識。

6) 鑒于新建礦井防治水技術(shù)人員不足的現(xiàn)狀，采掘工作面物探工作可與晉煤技術(shù)研究院物探所合作。防治水工作是礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)性工作，建議與科研院所、專業(yè)院校進(jìn)行合作，引進(jìn)專業(yè)防治水技術(shù)人員，工作中注重防治水新裝備、新技術(shù)的應(yīng)用，不斷提升礦井防治水技術(shù)水平。