帶壓開采煤層底板突水性分析與突水防治措施研究

徐念庭

（晉城澤祥勘探測繪有限公司，山西 晉城 048000）

近些年來，水害問題在我國的發(fā)生率越來越高，這一事故對人們的安全及社會(huì)的發(fā)展均會(huì)產(chǎn)生極大的危害，因此，煤礦必須給予高度重視。目前，華北地區(qū)的大部分煤礦的煤炭開采工作均進(jìn)行到了石炭系下層，與奧陶系石灰?guī)r十分接近，該煤層有著較為發(fā)育的融水，其含水層的水頭壓力極大。因此，在進(jìn)行開采作業(yè)之時(shí)，底板極易出現(xiàn)突水問題。晉能控股裝備制造企業(yè)在開采A煤層的時(shí)候，其操作均為帶壓操作，為了保證安全高效開采，企業(yè)必須對突水問題進(jìn)行詳細(xì)分析，明確導(dǎo)致其形成的原因，并進(jìn)行評估。同時(shí)詳細(xì)分析該問題所造成的危險(xiǎn)性，明確突水問題對開采工作的危害[1]。

1 工程概況

晉能控股裝備制造集團(tuán)公司A 礦，面積30.1km2，在進(jìn)行開采工作的時(shí)候，該企業(yè)主要采取斜井結(jié)合豎井的形式來進(jìn)行，采取走向長壁后退式法來進(jìn)行開采。該礦井之內(nèi)所包含的煤層主要有兩種：一是石炭系上統(tǒng)太原組，其中只有8-2、9、14、15 號煤層可以開采；二是二疊系下統(tǒng)山西組，只有3號煤層可以開采，其余所有的煤層均不可開采。下面針對3號煤層進(jìn)行介紹，該煤層的厚度為3.27～7.95m。平均達(dá)到6.02m，其構(gòu)造詳見表1。在該煤礦中，3號煤層是其主煤層，與下部的奧陶系之中的石灰?guī)r巖溶裂隙的含水層較為相近，是一個(gè)強(qiáng)富水性的含水層。在煤礦之中的各個(gè)含水層之間存在一定的隔水層，在某種程度之上可以將各個(gè)含水層之間存在的水力關(guān)聯(lián)進(jìn)行阻隔，具有較高的隔水效果[2]。

表1 3號煤層巖層情況表

2 底板突水影響因素分析

（1）含水層富水性。奧陶系石灰?guī)r的富水性較強(qiáng)，是一個(gè)承壓性較強(qiáng)的含水層，該煤層所具有的富水性對其是否會(huì)出現(xiàn)突水問題有著直接的影響，并且對突水的水量及該點(diǎn)是否會(huì)發(fā)生涌水有著較大的影響。

（2）隔水層。該層的作業(yè)在于阻隔水，這一功能的形成主要取決于隔水層所具有的厚度及其巖體具有的巖性，并且隔水性會(huì)伴隨著厚度的增加而不斷提升。

（3）含水層承壓水水壓。當(dāng)隔水層保持一定的厚度，其突水事故的發(fā)生率會(huì)隨著水壓的降低而降低，只有當(dāng)水頭達(dá)到了一定的壓力之后，突水事故才會(huì)發(fā)生[3]。

（4）地質(zhì)構(gòu)造。由于裂隙發(fā)育，斷層及陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造是一個(gè)較好的導(dǎo)水通道，對突水問題產(chǎn)生了較大的影響：

①水源對上述地質(zhì)構(gòu)造有著較強(qiáng)的浸泡崩解作用，促使巖石維持一種飽和水狀態(tài)，強(qiáng)度減小，進(jìn)而形成一種有效的突水通道。

②完成作業(yè)面的回采作業(yè)后，采空區(qū)底板會(huì)受到均勻的巖層應(yīng)力，這就導(dǎo)致承壓水會(huì)逐漸滲入到以往的閉合斷層面之中，進(jìn)而導(dǎo)致承壓水不斷向上升。

③由于存在地質(zhì)構(gòu)造，其常常會(huì)造成隔水層之內(nèi)出現(xiàn)裂隙，可顯著降低隔水層的性能。

④斷層、陷落柱等一些地質(zhì)結(jié)構(gòu)之間相互影響，對含水層產(chǎn)生影響，使其持續(xù)擴(kuò)大，進(jìn)而對底板巖層產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致其無法保持完整性。

⑤地質(zhì)構(gòu)造由于作業(yè)面所進(jìn)行的采動(dòng)工作，而受到更深入地活化，使得底板的隔水層不斷擴(kuò)展，從而使底板存在較大的突水風(fēng)險(xiǎn)性。

（5）煤層開采。作業(yè)面進(jìn)行的回采工作將會(huì)對上覆巖受到的應(yīng)力產(chǎn)生影響，使其發(fā)生改變，隨著底板破壞深度的持續(xù)增加，裂隙也不斷發(fā)育，增加其發(fā)生突水問題的可能性。

3 底板突水評價(jià)分析

為了確保底板帶壓開采的安全性，需要對其突水問題進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，本文利用突水系數(shù)的計(jì)算公式來對其進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

式中:T——相對應(yīng)的突水系數(shù)，MPa/m；

P——相對應(yīng)的隔水層所受到的水源壓力，MPa；

M——所對應(yīng)的隔水層厚度，m；

CP——相應(yīng)的采動(dòng)對底板的擾動(dòng)深度，m。

3.1 突水系數(shù)計(jì)算相關(guān)參數(shù)選取

（1）底板隔水層厚度M：

式中:H煤——煤層底板的標(biāo)高，m；

h——奧灰?guī)r層中頂面的標(biāo)高，m。

（2）底板隔水層承受的水頭壓力P：在實(shí)際開采的過程中，太灰和奧灰兩個(gè)巖層的溶水性是導(dǎo)致底板發(fā)生突水問題的核心因素。在確定了水頭的壓力之后，在奧陶系之中可以通過巖溶水的水位標(biāo)高與頂面的標(biāo)高進(jìn)行計(jì)算，以此差值來作為底板所承受的奧灰水的壓力，同時(shí)利用太灰水水位的標(biāo)高與其頂面的標(biāo)高進(jìn)行計(jì)算，以其差值來作為底板所承受的太灰水的壓力[4]。計(jì)算式子如下：

式中：H——奧灰?guī)r的融水標(biāo)高，m；

h——奧灰頂面的標(biāo)高，m。

（3）底板采動(dòng)破壞帶深度值CP：對于采動(dòng)深度的最大值可利用土力學(xué)之中的地基計(jì)算方法來進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如下：

式中:Dmax——底板破壞最大深度，m；

φ——內(nèi)摩擦角，（°）；

a——r與r0之間存在的夾角，（°）；

r——借助a、b來分別表示相對應(yīng)的原點(diǎn)與r0成a角部位存在的螺線半徑，m；

r0——ab之間存在的長度，m；

L——支撐壓力作用范圍，m。

3.2 煤層底板突水分析

通過以上計(jì)算方式來獲取突水系數(shù)，3號煤層突水性計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示，其中表2為奧灰水突水系數(shù)情況表，表3為太灰水突水系數(shù)情況表。

表2 奧灰水突水系數(shù)情況表

根據(jù)表2、表3 的數(shù)據(jù)可知，該煤層奧灰水所具有突水系數(shù)的最小值為0.015MPa/m，最大值為0.027MPa/m；太灰水所具有的突水系數(shù)的最小值為0.018MPa/m，最大值為0.032MPa/m?；谙嚓P(guān)規(guī)定，對于底板因結(jié)構(gòu)問題而受到破壞的區(qū)域，其突水系數(shù)一般都小于0.06MPa/m 以下，隔水層的結(jié)構(gòu)基本完整，并沒有出現(xiàn)斷裂問題，其突水系數(shù)一般小于0.01MPa，帶壓區(qū)所具有的突水系數(shù)一般低于0.06MPa/m，這一個(gè)區(qū)域基本是安全區(qū)。但是由于該部位存在相對發(fā)育的巖溶陷落柱，其底板必定會(huì)發(fā)生突水問題[5]。

表3 太灰水突水系統(tǒng)情況表

基于上述分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采動(dòng)作業(yè)的破壞深度、隔水層的厚度和含水層的標(biāo)高均保持一定數(shù)值的時(shí)候，這一煤層所具有的突水系數(shù)基本需要可借助巖溶水的水壓來進(jìn)行明確。

4 帶壓開采底板突水防治措施

3號煤層盡管屬于一個(gè)安全區(qū)，但是依舊存在發(fā)生突水問題的可能性，并且在西北方向的巖溶陷落柱相對發(fā)育，因此，需要對隱伏陷落柱進(jìn)行探測，為預(yù)留防水煤柱提供支持，同時(shí)密切觀察礦井下水量的實(shí)際變化問題[6]。3 號煤層在進(jìn)行帶壓開采的時(shí)候，需要持續(xù)加強(qiáng)防治水工作，因此，對其制定了以下幾點(diǎn)措施：

（1）為了避免底板因斷層因素而發(fā)生突水問題，需要詳細(xì)判斷其水質(zhì)條件，并基于此來預(yù)先設(shè)置防水柱。

（2）通過嚴(yán)格控制開采作業(yè)的長度，采取小條帶或者持續(xù)性的開采方式來降低開采工作中底板受破壞的深度及發(fā)生突水問題的風(fēng)險(xiǎn)性，此外，也可有效避免斷層受到采動(dòng)影響。

（3）煤礦需要詳細(xì)調(diào)查水文地質(zhì)條件，及時(shí)找出其中的問題，并進(jìn)行及時(shí)處理。

（4）建立健全的動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)來實(shí)時(shí)監(jiān)測地下水，對水害進(jìn)行及時(shí)預(yù)報(bào)。

（5）在實(shí)施開采作業(yè)的時(shí)候，通過運(yùn)用超前探查的形式來對作業(yè)面前側(cè)與底板承壓水層的地質(zhì)狀況及構(gòu)造進(jìn)行確定，基于這一資料來完成作業(yè)面的安全設(shè)計(jì)。通過采取探放水鉆孔，確定作業(yè)面之間是否存在底板承壓含水層的倒水構(gòu)造，并基于此來提高其安全性。在開展回采作業(yè)的時(shí)候，需要判斷底板承壓水層的地質(zhì)條件，并針對一些異常區(qū)域?qū)嵤┿@探，以此來提升回采作業(yè)的高效性和安全性[7]。

（6）通過疏水來降低壓力或者將有害含水層進(jìn)行疏干，預(yù)先設(shè)置各種類型的防水煤柱，以有效阻隔有害水源，完成水口的封堵，或者增強(qiáng)裂隙帶，并對含水層進(jìn)行相應(yīng)的填充，加固底板[5]。

（7）建立完善的排水系統(tǒng)，做好預(yù)防，加強(qiáng)管理，確保其人員的責(zé)任意識得到提升。在實(shí)際工作的過程中，積極采取有效的預(yù)防措施，避免回采過程發(fā)生突水問題，保證涌水量維持在安全范圍。

5 結(jié)論

（1）分析導(dǎo)致突水事故發(fā)生的各個(gè)因素及其機(jī)制。通過計(jì)算奧灰?guī)r和太灰?guī)r含水層的影響之下3號煤層的突水系數(shù)，明確其是否屬于穩(wěn)定區(qū)，計(jì)算結(jié)果顯示，該煤層屬于一個(gè)穩(wěn)定區(qū)，基本不會(huì)發(fā)生突水事故，同時(shí)突水系數(shù)與巖溶水壓之間存在的關(guān)系為正比。

（2）制定完善的措施來預(yù)防突水問題，如設(shè)置防水煤柱子、降低作業(yè)面的長度等等，同時(shí)采取防結(jié)合探的形式來加強(qiáng)管理。在進(jìn)行回采的過程中，可對底板突水進(jìn)行較好的防治，確保礦井生產(chǎn)的安全高效。