襄垣大平煤礦3#煤層帶雙壓開采臨界突水系數的研究

宮來喜 周 平

(山西煤炭進出口集團公司,山西省太原市,030006)

★煤礦安全★——唐山多友礦井專用設備制造有限公司協辦

襄垣大平煤礦3#煤層帶雙壓開采臨界突水系數的研究

宮來喜 周 平

(山西煤炭進出口集團公司,山西省太原市,030006)

針對襄垣大平煤礦K2和O2灰巖水突出危險情況進行了分析,結合《煤礦防治水規定》中提供的臨界突水系數值和全國多個突水礦井的研究成果,計算出了大平煤礦可以帶雙壓開采的臨界突水系數值,得出了這些井田可以采用的安全帶壓開采預測模式。

礦井突水 臨界突水系數 破壞深度 導升高度

山西煤炭進出口集團公司有4個煤礦分布在沁水煤田,其中有3個煤礦——大平煤礦、經坊煤礦和霍爾辛赫煤礦存在帶雙壓(K2和O2灰水)開采突水的危險,井田總面積為114.933 km2,總帶壓開采面積86.6663 km2,影響煤量約為87988.82萬t。襄垣縣大平煤礦自建井后就進入帶雙壓開采范圍,隨著年生產能力的增大,采掘范圍也在擴大,采掘工作面的底板標高也在逐漸降低,突水危險性也逐漸增大。

太原西峪煤礦及西山煤田的白家莊礦和古交的許多礦區只承受O2灰巖水影響,長治地區的多個煤礦不僅承受O2灰巖水,還承K2灰巖水的影響,而且承壓較大,加上O2灰巖水和K2灰巖水已經通過構造相互連通,一旦K2灰巖(在大平礦區溶洞發育,連通性好)水突出,就會有源源不斷的O2灰巖水補給。本文參考構造和水文地質條件較復雜的太原西峪煤礦水文地質資料,重點對帶雙水壓(K2和O2灰巖水壓)開采嚴重的襄垣大平煤礦臨界突水系數(TS)進行分析研究。

1 突水系數(TS)的計算依據

目前,全國各生產礦井涉及帶壓開采時,均依據《礦井防治水規定》的突水系數計算公式:

式中:TS——突水系數,MPa/m;

P——隔水層承受的壓力,MPa;

M′——底板隔水層厚度,m。

該公式適用于回采和掘進工作面。就全國用此式計算的實際資料看,底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06 MPa/m,正常塊段不大于0.1 MPa/m。我國部分礦區突水系數(TS)經驗值如下:峰峰礦區0.066～0.076 MPa/m,焦作礦區0.06～0.10 MPa/m,淄博礦區0.06～0.14 MPa/ m,井陘礦區0.06～0.15 MPa/m,軒崗礦區0.075 MPa/m左右。

經過計算,大平煤礦3#煤層開采帶K2灰巖水壓開采的突水系數在0.052～0.091 MPa/m之間,帶O2灰巖水水壓開采的突水系數值在0.020～0.047 MPa/m之間,但沒有突水資料。

參照太原西峪煤礦,對襄垣縣大平煤礦的突水系數進行詳細計算和分析。

2 太原西峪煤礦+650 m水平大巷通過拓-3陷落柱水文地質條件分析

太原西峪煤礦二水平二采區繞道口附近的地層位于石炭紀下部,已揭露11#煤層,且煤巖層扭曲比較嚴重,當+650 m水平中央大巷掘進通過長80 m的拓-3陷落柱時,煤巖層被抬升約30 m,石炭系上統太原組底部的吳家溝灰巖(L0)被揭露出來(厚度約3.0 m),灰巖中含水,且裂隙發育,有水滲漏出,剛穿過陷落柱時的巷道頂板涌水量為5～17 m3/h,3個月后穩定在7～8 m3/h(陷落柱的邊緣形態是東側凹進,西側凸出),經過超過2 a的滲流,整個巷道干燥無水,說明補給水源也全部枯竭,該陷落柱屬疏干型陷落柱(或不導奧灰水的死陷落柱)。

而+650 m水平開拓大巷掘進穿過拓-3陷落柱,揭露吳家溝灰巖(L0)和其它巖層約20 m時,進入11#煤層,此時的煤巖層相對較平緩,推測陷落柱內為1個背斜的軸部或是1條正斷層或逆斷層,由此計算巷道底板突出系數(TS)為0.114～0.176 MPa/m。據西峪煤礦+650 m大巷實際揭露的煤巖層情況,巷道底板與承壓的O2灰巖頂部之間的煤巖層厚度(M)為32.24 m,此地段隔水煤巖柱承受的水壓(P)為1.82 MPa。

3 大平煤礦與西峪煤礦水文地質條件對比分析

3.1 巷道底板隔水巖層的擾動破壞深度(CP)或有效破裂帶厚度(hⅣ)

(1)按山西省地質工程勘察院《太原西峪煤礦二水平+650 m大巷通過五坡斷層F3突水條件分析及防治措施》(1992年),計算的斷層帶底板破壞深度(CP)為29.6 m,距斷層帶100 m以外底板破壞深度(CP)為16.8 m。

(2)山東礦院李家祥采用“下三帶”計算法,根據河北、河南、安徽、陜西4省8個礦11個工作面的實測資料,采用多元非線性回歸分析法得出的經驗公式如下:

式中:F——隔水巖柱的堅固性系數,(在正常巖層地段選擇F=2.86,斷層密集帶處取F =1.72,斷層破碎帶處F=0.06);

α——巖層傾角,rad;

H——蓋山厚度,m;

L——回采工作面長度,m。據目前兩個礦的地質條件及目前的開采現狀,太原西峪煤礦+650 m大巷拓-3陷落柱處的蓋山厚度(H)為335 m,巷道的長度取30 m,回采工作面長度(L)為110 m;大平煤礦3105工作面12 m落差斷層處,蓋山厚度(H)為400 m,回采工作面巷道的長度取200 m,主副下山掘進及其它掘進巷道寬度取6 m。即選擇(H)=300、335、400、420 m,L=6、30、110、150和200 m,代入公式(2)分別計算的巷道底板在正常巖層地段和斷裂破碎帶處的破壞深度分別見表1和表2。

表1 大平煤礦在正常巖層地段巷道底板破壞深度m

表2 大平煤礦在斷裂破壞帶處巷道底板破壞深度m

由表1、表2對比可知,按公式(2)計算的巷道底板的破壞深度在斷裂破碎帶處比正常巖層地段處深約0.887 m。

(3)吉林大學胡寬容的采場底板突水功能理論公式:

式中:hⅣ——底板的有效破裂厚度,m;

b——老頂首次或周期來壓、垮落的最大空頂距離,m;

L——采面傾向水平長度,m;

M——煤層采厚或累計采厚,m;

kp頂——頂板巖層平均抗張強度,t/m2;

H水底——采場底板承受的水壓,t/m2;

kp底——底板巖層平均抗張強度,t/m2; r底——底板巖層平均容重,t/m3。

所得結果見表3。

表3 依據(3)式所求大平煤礦底板有效破裂厚度m

公式(3)計算的底板破壞深度值比較接近實際,是經過幾十個礦井的實踐(測)檢驗的,可以作為計算突水系數采用底板破壞深度的重要依據。3.2 巖溶水的導升高度(h)

導升高度指隔水巖柱底部的巖溶承壓水沿隔水巖層中的斷層或孔裂隙上升的高度。在自然狀態下能上升的高度稱為“原始導高”。巖溶水的導升成為掘進及采動生產的安全隱患。

據西峪煤礦所施工鉆孔的簡易水文地質觀測及隔水性能,本溪組底部只要有粘土巖的完整存在,在天然狀態下是不會有巖溶水導升,即視導升高度為0 m。但在斷裂帶附近,由于多組結構面的存在,破壞了粘土巖的完整性,尤其在Ⅰ、Ⅱ級斷裂結構面附近,使本溪組底部粘土巖缺失或破碎,有的地段使本溪組上部石灰巖與奧灰巖對接。據井陘、邯鄲各礦的測試資料及西峪礦區的經驗資料,計算突水系數時,大平礦斷裂地帶采用h=10 m。

3.3 突水系數(TS)的計算

結合全國各突水礦井的突水情況及西峪煤礦的水文地質研究資料,將2009年《煤礦防治水規定》中突水系數公式修正為:

式中符號的意義同前。

3.3.1 太原西峪煤礦+650 m大巷二采區拓-3陷落柱附近底板的突水系數

然而,這條巷道已經掘進過去10年,并且巷道底板通過陷落柱處,由于底臌每年拉底3～4次,至今未有奧灰水突出的跡象,說明奧灰水在此構造處的臨界突水系數(TS)大于0.114 MPa/m。

但在2003年后,每年做1次直流電法勘探,發現該巷道底板的實際隔水煤巖層厚度在60 m左右,水位在巷道底板60 m以下,約30 m左右厚的奧灰巖溶洞不發育,不含水,成為隔水巖層。直流電法勘探后重新計算的突水系數為0.041～0.048 MPa/m,小于臨界突水系數0.06 MPa/m,不會發生突水。

3.3.2 大平煤礦3105工作面揭露斷層及主副下山巷道突水條件分析

經計算,3#煤層底板距離奧灰巖頂面的距離約為133.14～149.15 m,平均為141.15 m,距K2灰巖頂面的距離約為86.7～99.8 m,平均為93.25 m。3105工作面進風巷掘進工作面掘進到距開口1160 m處的巷道底板標高為+545.5 m,隔水巖柱承受的K2灰巖水壓為3.64 MPa,承受的O2灰巖水壓為2.72 MPa。主副下山巷道已掘進到標高+470 m附近處,3#煤層底板煤巖柱承受的K2灰巖水壓為4.33 MPa,承受的O2灰巖水壓為4.80 MPa。

3105工作面主、副巷道在2009年12月和2010年3月份分別揭露12 m落差斷層時,頂板及底板內均有水滲流出,最大涌水量為80 m3/h,主巷揭露斷層后,涌水量增大,副巷中的水量逐漸減少到3 m3/h左右,出水量的疏干時間在12個月或更長時間,說明斷層的導水性比較好,疏干也快。目前,該斷層沒有導通K2和O2灰巖水,可以安全回采。

經計算,3#煤層底板煤巖柱承受K2和O2灰巖水壓開采突水系數分別為0.041～0.061 MPa/m和0.020～0.031 MPa/m,暫時沒有突水的危險,但是當開拓掘進面延伸到標高+420 m及以下、回采工作面的標高下降到+500 m左右時,就有突水的危險,要引起礦方足夠的重視。

4 用其他帶壓開采預測模式對突水系數驗證

用西安煤炭科學研究總院西安分院水文所李京紅帶壓開采預測模式檢驗。

帶壓開采預測模式為:

式中:Pa——安全采面底板的最高水壓,MPa;

Dph——底板導水破壞深度,m;

δ——弱阻水破壞比率,取60%;

C2——殘余阻水系數,取0.15 MPa/m;

Dbm——底板保護層厚度,m;

Ddh——底板導水高度,m;

ZCP——保護層的整體阻抗水壓系數,取0.13 MPa/m。

在水文地質條件復雜區和構造部位,Pa需乘以系數0.5,如存在相對隔水層,應計入Dbm。該公式在焦作、峰峰、淄博3個礦區所做的預測計算與以往的突水實例進行對比,符合率分別為83%、98%和87%,這說明對帶壓開采具有指導意義。

4.1 西峪煤礦二水平+650 m中央大巷二采區繞道口通過拓-3陷落柱處

參數如下:奧灰水水位為803.56 m;現掘進巷道水平(標高)653.58 m,實際測量的水頭壓力(PW)1.82 MPa;掘巷底板到奧灰巖頂面的距離(或厚度)32.24 m(31.41～33.07 m);掘巷底板的破壞深度(Dph)4.467、2.758、16.8 m;殘余阻水系數(C2)取0.15MPa/m;原始導升高度(Ddh)0 m;弱阻水破壞比率δ取60%;保護層的整體阻抗水壓系數(ZCP)取0.13 MPa/m。

經計算,Pa分別為3.650、2.0404、2.158 MPa,均大于PW=1.82 MPa,可以安全通過,不必做任何工程,1992年開掘通過構造區直到2010年6月,該地段依然沒有任何出水的跡象,礦方和主管單位還在做密切的監控,并作為A級水患預防。

4.2 大平煤礦主、副下山掘進工作面+420 m標高處

參數如下:K2灰巖巖溶水水位為818.59 m;現掘進巷道水平(標高)+420 m;實際測量的水頭壓力(PW)4.82 MPa;掘巷底板到K2灰巖頂面的距離(或厚度)93.25 m;掘巷底板的破壞深度(Dph)4.42 m;殘余阻水系數(C2)取0.15 MPa/ m;原始導升高度(Ddh)0 m(沒有構造),弱阻水破壞比率δ取60%;保護層的整體阻抗水壓系數(ZCP)取0.13 MPa/m。

經計算,Pa為10.6457MPa,由于是構造破碎帶,底板的抗壓強度按一半計算,即Pa= 10.6457/2=5.323 MPa,大于實際測量的水頭壓力(PW)4.82 MPa。巷道可以安全通過,一般情況下可以不做防治工程。

5 結論

(1)一般工作面突水,要滿足4個條件:工作面的跨度要達到一定的距離,跨度越大破壞深度就越大;工作面回采或推進要達到一定的距離或采空區范圍要達到一定的面積;與煤層底部直接接觸的石灰巖溶孔、裂系及溶洞內必須富含水;斷裂構造屬張性或扭張性的,非壓性或壓扭性的。

(2)目前,襄垣大平煤礦和太原西峪煤礦井田范圍內的95%以上的陷落柱屬“死的”柱體(不導奧灰水),所以,在陷落柱內及柱體周圍承壓水不存在導升高度。但是不排除隨采動影響一段時間后會有承壓水從柱體內及其與圍巖接觸處突然涌出。

(3)太原西峪煤礦巷道掘進通過斷層帶處的臨界突水系數為0.093 MPa/m左右,由于獲取的數據很少,只是超前鉆探取水樣獲得的突水資料,為了安全,西峪煤礦過斷層帶處的臨界突水系數值調整為0.085 MPa/m。

襄垣大平煤礦由于沒有突水資料,參照西峪煤礦巷道掘進通過斷層帶處的臨界突水系數,取0.075 MPa/m,正常地段回采掘進工作面的臨界突水系數值取0.115 MPa/m作為參考值。井田任意工作面計算的突水系數值接近這些參考數字時,必須采取相應的安全技術預防措施。

(4)大平煤礦不同于太原西峪煤礦之處在于煤層底板承受K2灰巖水壓大于所承受的O2灰巖水壓,一旦突水后,瞬時涌水量會很大,當壓力釋放到一定程度后,補給的水壓力就是O2灰巖水的靜水壓力。如果沒有O2灰巖水的補給,或者兩個含水層水沒有聯通,涌水量會很快減少、衰竭。

[1]李景紅.帶壓安全開采預測模式及應用方法研究[J].煤田地質與勘探,1997(4)

[2]尹萬財.工作面底板突水因素分析及防治對策[J].中國煤田地質,1997(9)

[3]周平,閻富生.西峪煤礦陷落柱的發育特征與分布規律[J].中國煤田地質,1996(9)

[4]王作宇,劉鴻泉.承壓水上采煤[M].北京:煤炭工業出版社,1993

[5]樸樹林,周平.西峪煤礦帶壓開采對晉祠泉水影響分析[J].中國煤田地質,1998(9)

[6]國家安全生產監督管理總局、國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定(施行)[M].北京:煤炭工業出版社, 2009

(責任編輯 梁子榮)

A study on the m in ing practice in#3 coal seam of Xiangyuan Daping coalm ine threatened by critical water inrush

Gong Laixi,Zhou Ping
(Shanxi Provincial Coal Im/Export Group Co Ltd,Taiyuan,Shanxi province 030006,China)

On the basis of an analysis of the danger ofwater inrush from K2and O2limestone strata in Xiangyuan Daping coalmine and also on the basis of the criticalwater inrush values provided in the’Provisions ofwater disaster prevention in coalmines’and the research achievements obtained in multiple coalmines threatened bywater inrush disaster around this country,this paper gives an account about the critical water inrush values underwhich mining can be carried outwhile karstwater appears to under high pressure inDaping coalmine.Also presented is themode to predict the safermining underwaterpressure applicable in coalmines in this category.

water inrush in coal mine,critical water inrush coefficient,depth of destruction, height ofwater table

TD745.21

A

前面表1、表2和表3中的公式分別計算的底板破壞深度值后,得出的突水系數值為TS= 0.114～0.176 MPa/m。

宮來喜(1960-),男,高級工程師,碩士,現任山西煤炭進出口集團有限公司董事、黨委委員、副總經理、煤礦安全生產管理局局長。多年來,一直從事煤礦的安全生產管理工作,鉆研科技,解決安全生產中的技術難題,主持的8項科研項目榮獲國家、省、山西焦煤集團頒發的科研成果獎10余項,其中,“白家莊礦6#煤層蹬空綜采技術研究”獲中國煤炭工業科學技術二等獎和“山西省科學技術獎”二等獎,“實行目標成本管理的實踐”獲省經貿委、省企管會三等獎。