五龍煤業(yè)15號煤層奧灰水帶壓開采技術研究

付聰杰

(太原東山煤電集團有限公司，山西 太原 030043)

礦井水害屬于煤礦開采五大自然災害之一，其中奧灰水突水事故又是諸多水害中突發(fā)性、破壞性最為嚴重的一種[1-2]。我國許多礦井都存在著奧灰水突水威脅，隨著煤層開采不斷向深處延伸，采掘工作面底板承受的地壓、水壓越來越大，煤層開采過程中底板水害威脅也越來越嚴重，因此為了避免礦井出現奧灰水突水事故[3-4]，國內外學者提出了“深降強排”和“帶壓開采”技術來應對底板水害，其中“帶壓開采”技術以其低成本、易實施、影響小等特點被各大礦區(qū)廣泛應用。

1982年10月19日，與五龍煤業(yè)相鄰的東山煤礦六斜坡南端下山探巷接近F12斷層前透水，整個采區(qū)巷道被淹沒。透水點(15號煤層位)標高為699 m，日平均排水量12 500 m3，其動水位保持在760 m左右。突水后據水質分析資料，充水水源為由斷層導入的奧灰?guī)r溶水，因此15號煤層帶壓開采過程中受到奧灰水突水威脅。本文對太原東山五龍煤業(yè)15號煤層奧灰水帶壓技術進行了研究，為礦井水害防治提供了技術指導，保證了礦井安全高效開采。

1 工程概況

太原東山五龍煤業(yè)有限公司位于太原市，生產能力90萬t/a，主采12號、15號煤層，煤層底板標高+780 m以下均處于奧灰?guī)簠^(qū)。井田地層總體走向為北西，為向南西傾伏的單斜構造，地層傾角12°左右且變化不大。斷裂構造、巖溶陷落柱較發(fā)育。落差大于5 m的斷層井田內共有5條。目前15號煤層底板標高+680 m以上區(qū)域已采完，正在開采15號煤層底板標高+680 m以下區(qū)域，該煤層受到奧陶系灰?guī)r巖溶水的威脅，奧灰水水頭高、富水性強，區(qū)內斷層陷落柱為奧灰水進入礦坑的潛在通道，隨著開采深度的加大，帶壓開采的危險性增大。

2 奧灰水帶壓開采條件分析

2.1 奧灰水情況

井田范圍內奧灰含水層地下水大致流向自東向西，水力坡度約1%.綜合考慮各水井受開采水量的影響，其水位較天然地下水位略有下降，以現場觀測數據為基礎，推測本礦奧灰水位標高在780.2～783.3 m之間，奧灰水等水位線及流向如圖1所示。

圖1 奧灰含水層水位等值線圖

2.2 15號煤層底板隔水層分析

2.2.1 隔水巖柱厚度分析

井田及周邊揭露奧灰的鉆孔有7個，根據鉆孔探測對15號煤底板隔水巖柱厚度進行了統(tǒng)計，如表1所示。從表1中可以看出，井田范圍內15號煤層隔水巖柱空間分布整體上井田中南部D6孔附近最厚為85.37 m，向四周逐漸變薄，井田西北角最薄76.19 m(M9)，井田東南角最薄約78 m(內插)，井田內鉆孔隔水巖柱平均厚度約82 m。

表1 15號煤底板隔水巖柱厚度

2.2.2 隔水巖柱的巖性組合特征

15號煤層至奧灰頂面為一套C2b及C3t海陸交互相的含煤建造，以砂巖、泥巖、石灰?guī)r相間出現為特征，中間夾薄煤層。整個巖柱巖層軟硬相間，為柔性、硬脆性、可溶硬脆性三類巖石的組合。根據鉆孔資料顯示，隔水巖柱中抗變形性好的巖石分別占63%、53.32%、54.50%，隔水性好的巖層占37%、46.68%、45.50%.抗變形性好的巖石和隔水性好的巖層均占有較大比例，充分說明該區(qū)底板隔水層有較好的帶壓開采條件。

3 15號煤層突水條件分析

礦井只有同時具備礦井水源和突水通道兩個必要條件時，才可能發(fā)生突水事故。其中突水通道的確定是15號煤層帶壓開采研究的重點之一。通過對礦井進行地質勘探可知，奧灰水突水通道主要為斷層和陷落柱。

1) 斷層。五龍井田北界外為F17斷層，井田東北角附近落差15 m左右，西部308號鉆孔附近落差70 m左右。F17斷層在五龍井田15號煤層北部具體位置無鉆孔控制，據東山煤礦15號煤層礦井充水性圖中F17斷層位置，F17斷層距本礦三采區(qū)最近距離約45 m，最遠距離約185 m，推測三采區(qū)15號煤層底板隔水層厚度為77～79 m，本井田位于斷層下降盤，若F17斷層導水，會對五龍煤業(yè)的生產形成較大威脅。

2) 陷落柱。地表發(fā)現及井下揭露的陷落柱共7個，XJ1、XJ2、XJ3、XJ4為井下揭露，其形態(tài)基本控制，陷落柱內地層雜亂無章，柱壁傾角較大。據礦方調查，在開采過程中揭露的絕大多數陷落柱柱體邊緣裂隙不發(fā)育、無滲水現象，富水性和導水性較差，在局部裂隙發(fā)育處有淋水、滴水現象，對礦井的充水影響程度較小。但是隨著煤層傾斜方向埋深的增加，間接底板巖溶水壓力增加，仍有可能發(fā)生突水，即在礦壓作用下滯后突水的可能性不可忽視。特別當陷落柱與斷裂構造或裂隙帶聯(lián)合作用時，有可能成為間接底板巖溶水的通道。

4 15號煤層奧灰水帶壓開采安全性分析

4.1 突水系數計算

1) 底板隔水層承受的壓力(P)。根據奧灰?guī)r溶水等水位線圖內插而得各鉆孔奧灰?guī)r溶含水層的水位標高。水位標高減去相應的奧陶系頂面標高值作為底板隔水層承受的水壓力[5]。

P=(H-h)×0.009 8

式中：H為奧灰?guī)r溶水位標高，m；h為奧陶系頂面標高，m。

2) 底板隔水層厚度(M)。取15號煤層底板至奧陶系峰峰組含水層頂面之間的隔水完整巖層厚度。

3) 根據《煤礦防治水細則》中突水系數計算公式，將15號煤層4個鉆孔數據代入公式(1)中，計算結果如表2所示。

T=P/M

(1)

式中：T為突水系數，MPa/m；P為底板隔水層承受的壓力，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

表2 15號煤突水系數計算

從表中可知，15號煤層最大突水系數為0.066 MPa/m，位于井田西南角；最小為0.006 MPa/m，位于井田北部。

4.2 15號煤層奧灰水帶壓開采分區(qū)

考慮到礦井實際情況，15號煤層帶壓開采分區(qū)采用突水系數和斷層發(fā)育規(guī)模兩項指標進行綜合分區(qū)，劃分指標如表3所示。

表3 帶壓開采分區(qū)劃分

依據表3，將15號煤層奧灰水帶壓開采劃分為3個區(qū)域，如圖2所示。

圖2 15號煤層奧灰水帶壓開采分區(qū)

1)Ⅰ區(qū)(帶壓開采相對安全區(qū)，T<0.06 MPa/m)。在構造發(fā)育簡單區(qū)，突水系數小于0.06 MPa/m。為15號煤層底板標高360～781 m區(qū)域，一、二、三采區(qū)均位于該區(qū)。該區(qū)段內15號煤層隔水層整體上井田中南部D6孔附近最厚，為85.37 m，向四周逐漸變薄，井田西北角最薄約76.19 m(M9)，井田東南角最薄約78 m(內插)，鉆孔隔水巖柱平均厚度約82 m，可以承受一定的奧灰?guī)r溶水的水頭壓力，在無導水斷層、陷落柱等構造的正常地段，帶壓開采是安全的。

2) Ⅱ區(qū)(帶壓開采相對危險區(qū)，0.06 MPa/m≤T<0.1 MPa/m)。在構造發(fā)育簡單區(qū)，突水系數大于0.06 MPa/m，不大于0.1 MPa/m，為15號煤層底板標高小于360 m以下地段，面積約為0.045 km2。該區(qū)段內15號煤層隔水巖層厚79～81 m。五龍資料顯示，此區(qū)域奧灰富水性中等，若開采此區(qū)15號煤層，必須加強隱伏導水構造探測，對于斷層破碎帶、陷落柱，要通過注漿等措施，增加破碎帶強度，同時注漿加固底板隔水層，方可保證安全開采。

3) Ⅲ區(qū)(帶壓開采危險區(qū)，構造復雜區(qū))。在落差不小于5 m斷層所形成的斷層破碎帶一線，為斷層發(fā)育復雜區(qū)。斷層落差較大，破壞了煤層底板隔水層完整性，降低了隔水層厚度，增加了奧灰突水的可能性。地面揭露的X4、X6陷落柱貫穿15號煤層直至地面，導通奧灰水的可能性較大，周圍30 m劃為可能導水危險區(qū)。

5 帶壓開采防治水措施

五龍煤業(yè)15號煤層底板標高781 m以下區(qū)域位于奧陶系巖溶水水位以下，為帶壓開采礦床。根據井田及區(qū)域水文地質資料，奧灰含水層的水壓大，富水性強，只能采取防、堵措施。煤層下伏隔水層發(fā)育穩(wěn)定，15號煤層底板隔水層平均厚約82 m，在完整的情況下，基本可以阻止奧灰?guī)r溶水的突出。因此，是否存在導水通道是各煤層帶壓開采是否安全的關鍵因素。

5.1 建立健全水文地質監(jiān)測系統(tǒng)

本礦井范圍內有一供水井，沒對O2f進行抽水試驗，僅對O2s、O2x進行了混合抽水試驗，相應的水文地質資料還不能完全滿足帶壓開采的需求。還需要對奧灰含水層進行進一步的探查，查明本井田內奧灰含水層分層段的富水性和厚度情況。逐步建立健全水文地質監(jiān)測系統(tǒng)。

5.2 加強導水通道探測

井田內地表填圖發(fā)現的斷層F29、F30、F31、F32、F43位于帶壓區(qū)，除F32、F43在井田東部井下部分揭露外，均無鉆孔控制。帶壓區(qū)地表填圖發(fā)現X4、X6陷落柱，東部井下揭露XJ1、XJ2、XJ3、XJ4陷落柱。為保證安全，在未來開采15號煤層時，要加強對斷層、陷落柱及其導水性的探測，防止奧灰突水，同時防止充分采動后激活斷層活性，使不導水斷層變?yōu)閷當鄬樱斐蓨W灰突水。

5.3 制定專項防治水措施

深入研究15號煤層的底板阻水性能，陷落柱、斷層的發(fā)育規(guī)律和探查方法，隨時針對工作面的具體水文地質條件制定防治水的具體措施。

6 結 語

1) 通過對五龍煤業(yè)15號煤層底板隔水層分析，15號煤隔水層厚度為78.4～85.37 m，隔水層抗變形性好的巖石和隔水性好的巖層均占有較大比例，充分說明15號煤層底板隔水層具備較好的帶壓開采條件。

2) 通過對15號煤層突水條件分析，F17斷層是否導水會對五龍煤業(yè)的生產造成較大威脅。煤層最大突水系數為0.066 MPa/m，位于井田西南角，大于底板受構造破壞塊段臨界突水系數0.06 MPa/m，存在突水的可能性。

3) 根據突水系數和斷層發(fā)育規(guī)模，將15號煤層帶壓開采危險程度劃分為3個區(qū)域：帶壓開采相對安全區(qū)、帶壓開采相對危險區(qū)和帶壓開采危險區(qū)，并結合15號煤層帶壓開采實際條件，制定了相應的防治水措施。