高承壓含水層上煤層安全開采技術(shù)探討

尹會(huì)永，魏久傳，郭建斌，朱 魯，施龍青，王以勤

(1.山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266510；2.山東科技大學(xué) 地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510；3.山東瓏山礦業(yè)有限公司，山東 淄博255200)

奧陶紀(jì)灰?guī)r是華北型煤田含煤地層的基底，煤層開采過程中，煤層底板奧灰含水層突水事故時(shí)有發(fā)生。因此，受底板承壓水威脅煤層的安全開采問題，一直是許多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。現(xiàn)已形成了較多的理論及方法，如“突水系數(shù)法”[1]、“下三帶”理論[2]、“下四帶”理論[3]、“關(guān)鍵層”(KS)理論[4]、薄板結(jié)構(gòu)理論[5]、“零位破壞”與“原位張裂”理論[6]、基于GIS的多源信息復(fù)合[7]等方法，對(duì)承壓水上煤層開采起到了良好的指導(dǎo)作用。也有許多學(xué)者針對(duì)煤礦的具體水文地質(zhì)條件，提出具體的防治措施[8-10]。但有些理論被現(xiàn)場(chǎng)工作人員使用起來很不方便，且煤礦防治水工作事關(guān)重大，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)某些理論不敢輕易采納，也對(duì)一些新理論在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用起到一定的限制作用。當(dāng)前，現(xiàn)場(chǎng)工作人員還是主要以國(guó)家、煤炭管理部門頒發(fā)的規(guī)程、規(guī)定為主要依據(jù)，制定相應(yīng)防治水方案、技術(shù)。

目前，隨著北方東部地區(qū)的煤礦開采時(shí)間的加長(zhǎng)，淺部所剩煤炭?jī)?chǔ)量越來越少，越來越多的礦井進(jìn)入深部開采。煤層底板奧灰含水層水壓隨著開采深度的增加而增加，水壓已達(dá)到近12MPa，其對(duì)礦井的威脅性也隨之加大。如何尋找高承壓水上煤層開采技術(shù)并為現(xiàn)場(chǎng)工作人員提供方便、簡(jiǎn)單、實(shí)用的指導(dǎo)，也是目前科技工作者的主要任務(wù)之一。

山東省淄博煤田山東瓏山礦業(yè)公司已開采多年，主要開采太原組10煤。因淺部10煤基本回采完畢，今后礦井將要開采礦井北部的-890m水平的10煤區(qū)域，此區(qū)域奧灰水壓高，最大達(dá)到11.5 MPa，而且水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜。如何減少底板奧灰突水概率，研究深部開采水害防治措施，保障深部高承壓水上10煤的安全開采，是瓏山礦業(yè)公司面臨的主要任務(wù)。本文針對(duì)瓏山礦業(yè)公司的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，以實(shí)用為目的，結(jié)合“下三帶”防治水理論，提出深部10煤承壓水上安全開采技術(shù)，指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)。

1 礦井概況

山東瓏山礦業(yè)有限公司位于山東淄博市博山區(qū)夏家莊鎮(zhèn)，地形南高北低，地形標(biāo)高為+165～+250m。礦井生產(chǎn)能力為30萬t/a，開采標(biāo)高+70～-900m。

礦井含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二迭系下統(tǒng)山西組，可采煤層為石炭系太原組7、9、10煤，目前主要開采10煤。井田內(nèi)發(fā)育大、中型斷層，構(gòu)造復(fù)雜程度屬于中等復(fù)雜程度。主要含水層為第四系潛水含水層、基巖風(fēng)化帶、山西組砂巖含水層、太原組薄層石灰?guī)r及砂巖、本溪組徐家莊灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層，其中對(duì)10煤開采有影響含水層為底板徐、奧灰?guī)r溶含水層。

2 井田深部水文地質(zhì)條件

井田深部區(qū)域指10煤底板標(biāo)高為-650～-900m范圍，面積約2.5km2。地面標(biāo)高+177～+252m，10煤開采深度達(dá)到800～1152m。目前，礦井已施工130皮帶下山、130軌道下山至-890m深度，并形成排水系統(tǒng)。

該研究區(qū)內(nèi)共發(fā)育3條規(guī)模較大的正斷層，已由多個(gè)工作面、巷道控制，控制程度較高。另外，在巷道掘進(jìn)、工作面開采過程中，也發(fā)現(xiàn)較多的小斷層，落差在0～3m左右。研究區(qū)-900m標(biāo)高巖漿巖較發(fā)育，東部在41號(hào)、47號(hào)鉆孔、三節(jié)西一上山、下山處也揭露巖漿巖發(fā)育。該區(qū)10煤較穩(wěn)定,厚度約為1.5m，除深部被火成巖局部侵蝕和局部變薄外，全區(qū)大部分可采，可采系數(shù)77%。

影響10煤開采的主要含水層，主要為徐家莊灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r。徐灰在研究區(qū)的淺部有兩層，厚度從10 m左右由深部向淺部逐漸減小。深部徐灰只有一層，厚度較小，水量較小，水壓較大，鉆孔未發(fā)現(xiàn)涌、漏水現(xiàn)象，富水性較差。奧灰在研究區(qū)內(nèi)富水性不均一，水壓高，井下鉆孔均出現(xiàn)奧灰涌水現(xiàn)象，水量25.5～90m3/h，是威脅10煤安全開采的最主要含水層。奧灰水位標(biāo)高為+84～+167m，高程相差較大。根據(jù)鉆孔資料可知，奧灰在頂面以下20m范圍內(nèi)富水性較弱，是深部開采的有利條件。

10煤與奧灰的間距在研究區(qū)內(nèi)為76.76～119.76m，平均92.36m，向深部逐漸增加。巖性主要為黏土頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)黏土、灰?guī)r、雜色頁(yè)巖、煤層等組成。

研究區(qū)突水系數(shù)為(0.1136～0.1437)MPa/m，均大于正常地段的臨界突水系數(shù)，存在奧灰突水危險(xiǎn)。因此，需要選擇合適安全開采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高承壓含水層上10煤的安全開采。

3 高承壓水上10煤安全開采技術(shù)分析

3.1 底板注漿改造可行性分析

煤層底板注漿防治水技術(shù)是對(duì)煤層與有突水危險(xiǎn)的含水層之間可注巖層進(jìn)行注漿，增加其阻隔水性能，達(dá)到承壓水上安全開采的目的。因此，此技術(shù)前提：一是需要有可注巖層，二是巖層穩(wěn)定且具有一定的厚度。研究區(qū)10煤與奧灰含水之間發(fā)育一層厚度較薄的徐家莊灰?guī)r，為巖溶含水層，但該灰?guī)r厚度變化較大，厚度為3.5～0.6m。因此，其穩(wěn)定性不符合注漿要求。另外，其富水性較差，表明此區(qū)域徐灰?guī)r溶發(fā)育程度較低，溶隙發(fā)育較差，容漿性能較差。由此可見，“中間層”——徐灰的可注性較差。而且，在章丘、淄博等地也未有成熟的煤層底板注漿改造含水層的經(jīng)驗(yàn)。因此，該研究區(qū)內(nèi)10煤底板不具備注漿改造的可行性。

3.2 疏水降壓可行性分析

疏水降壓是對(duì)威脅礦井安全生產(chǎn)的主要充水含水層水，通過專門的工程和技術(shù)措施在人工受控的條件下進(jìn)行超前預(yù)疏干或疏降水壓，進(jìn)而減少或消除其在礦井建設(shè)和生產(chǎn)過程中對(duì)礦井安全的威脅[11]。影響10煤開采的主要含水層為徐灰和奧灰，其中最主要的為奧灰含水層，奧灰涌水量較大，水壓高，水位較穩(wěn)定，而且奧灰厚約800m，屬巖溶裂隙含水層，含水性強(qiáng)，為煤系各含水層最大補(bǔ)給來源，具有區(qū)域聯(lián)系性，不是封閉的水文地質(zhì)單元，以動(dòng)儲(chǔ)量為主。因此，該井田不具有疏水降壓的可行性。

3.3 改革采煤方法

通過以上分析，正常回采方法在深部區(qū)域煤層開采適用性不強(qiáng)，因此，需改革采煤方法，實(shí)現(xiàn)10煤的安全開采。通過改革采煤方法，達(dá)到減小底板破壞深度的目的。長(zhǎng)壁工作面充填開采，成本太高，對(duì)本礦井不宜采用。可通過降低工作面開采寬度的方法達(dá)到目的，而且淄博煤田其他礦井也有條帶開采成功的經(jīng)驗(yàn)，為克服煤層底板徐、奧灰水害提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。因此，在深部區(qū)域開采時(shí)，首選條帶開采方法。

4 高承壓含水層上煤層安全開采技術(shù)-條帶開采技術(shù)

以往條帶開采方法的研究主要集中力學(xué)分析、礦山壓力、數(shù)值模擬研究等方面，本文以煤層底板防治水“下三帶”理論為指導(dǎo)，對(duì)不同開采深度下的煤層底板破壞深度、底板阻水帶厚度進(jìn)行研究，探討條帶開采寬度，為現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員提供一種簡(jiǎn)便、實(shí)用的計(jì)算方法。

研究表明，煤層底板破壞深度與工作面開采寬度關(guān)系較大[12]，可利用條帶開采方法減少煤層底板破壞深度，增加煤層與奧灰含水層間隔水層的有效厚度。條帶開采是在開采范圍內(nèi)，沿一定的方向劃分條帶，采出一條，保留一條，相間排列。

4.1 開采寬度計(jì)算

根據(jù)“規(guī)程”[13]提供經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算底板破壞深度，即：

h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579 (1)

式中：h1為采場(chǎng)底板破壞深度，m；H為采深，取值范圍為900～1150m；α為10煤傾角，取12°；L為條帶開采寬度，m。

根據(jù)式(1)，計(jì)算不同條帶開采寬度情況下的底板破壞深度。

根據(jù)薄板理論[13]，底板巖層阻水帶厚度的計(jì)算公式為：

式中：h2為底板阻水帶厚度，m；h1為采場(chǎng)底板破壞深度，m；γ為底板巖層評(píng)價(jià)容重，取0.026MN/m3；P為作用于該區(qū)底部的水壓，取值范圍為9.0M～11.5MPa；St為底板巖體抗拉強(qiáng)度，一般取巖石抗壓強(qiáng)度的0.15倍，MPa；

式中：L為壁式工作面斜長(zhǎng)，m；Ly為沿推進(jìn)方向工作面老頂初次來壓步距，取25m。

根據(jù)式(2)，計(jì)算不同工作面斜長(zhǎng)、不同采深(即水壓)條件下所需底板巖層阻水帶厚度。

因以往施工的鉆孔中未發(fā)現(xiàn)奧灰存在導(dǎo)高現(xiàn)象，因此原始導(dǎo)高帶高度為零。

開采寬度要綜合考慮隔水層真實(shí)厚度(W)、底板巖層阻水帶厚度(h2)和底板破壞深度(h1)。在正常情況下，只要滿足

W>h1+h2(4)

則可以認(rèn)為開采是安全的。

但考慮到煤層底板為損傷巖體，可增加一個(gè)損傷系數(shù)，則式(4)變?yōu)椋?/p>

(W×D)>h1+h2(5)

式中，D為巖體損傷系數(shù)，D=0.7；其余同前。

10煤至奧灰平均間距為92.36m，根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)和式(5)確定不同采深條件下采用的開采寬度，見表1。

表1 不同采深條件下10煤安全開采寬度

4.2 煤柱留設(shè)寬度計(jì)算

煤柱留設(shè)寬度的原則為，該留設(shè)寬度的煤柱能承受的極限荷載比煤柱實(shí)際承受的荷載大，保證煤柱的安全系數(shù)大于1。

對(duì)于條帶開采，忽略煤柱兩端的邊緣效應(yīng)[14]，煤柱能承受的極限荷載公式為：

P1=4γH(a-4.92MH×10-3) (6)

式中：P1為煤柱承受的極限荷載值，N/m；a為煤柱的留寬，m；g為上覆巖層的重力密度，N/m；H為采深，m；M為采厚, m。

Wilson(1970)認(rèn)為，上覆巖層的重量并非完全由煤柱承擔(dān)[15]，冒落在采空區(qū)的巖石同樣也承擔(dān)一部分上覆巖層的重量。采空區(qū)承擔(dān)的載荷量與采空區(qū)內(nèi)各點(diǎn)頂板閉合量有關(guān)，即采空區(qū)垂直應(yīng)力與距煤壁的距離成正比，當(dāng)該距離達(dá)到0.3H時(shí)，采空區(qū)垂直力恢復(fù)到原始荷載。

式中，P1′為煤柱承受的極限荷載值，N/m；b為采出條帶寬度，m；其余同前。

保證煤柱實(shí)際承受的荷載要小于極限荷載，安全系數(shù)K≥1.6，即

據(jù)式(9)可得不同采深、不同開采寬度條件下煤柱的留設(shè)寬度，見表2。

表2 不同采深、采寬條件下煤柱的留設(shè)寬度

5 高承壓含水層上10煤安全開采水害綜合防治措施

5.1 進(jìn)一步探查10煤底板水文地質(zhì)條件

在采區(qū)和工作面開拓巷道形成后，要對(duì)每條巷道進(jìn)行底板水文地質(zhì)條件探查。采用先進(jìn)的物探手段圈定徐、奧灰富水區(qū)域，探查徐、奧灰富水程度，為探防水工作提供可靠依據(jù)；對(duì)隱伏構(gòu)造進(jìn)行探查。對(duì)探測(cè)異常區(qū)進(jìn)行打鉆驗(yàn)證；對(duì)物探無富水異常的區(qū)域，也要適當(dāng)打鉆探查煤層底板隔水層厚度及其巖性組合情況。

5.2 留足斷層防水煤柱

開采過程中，采取措施防止斷層帶突水，對(duì)斷層進(jìn)行詳細(xì)探查，探查其富水性、導(dǎo)水性。對(duì)落差較大的斷層(落差大于5m)，嚴(yán)格按規(guī)定計(jì)算留設(shè)足夠的防水煤柱，防止開采引起斷裂構(gòu)造重新活動(dòng)誘發(fā)突水；對(duì)采掘工程揭露的小斷層(落差小于5m)，如果發(fā)現(xiàn)有導(dǎo)水跡象，要計(jì)算留設(shè)足夠的防水煤柱。巷道穿越斷層時(shí)，應(yīng)采取有效支護(hù)和防治水措施，避免斷層出水或滯后出水。

5.3 進(jìn)一步完善礦井排水系統(tǒng)

目前，礦井排水能力能滿足目前排水需要。但考慮到本礦井為受水威脅礦井，應(yīng)進(jìn)一步完善排水系統(tǒng)，增強(qiáng)礦井抗災(zāi)能力。水泵、水管、閘閥、排水用的配電設(shè)備和輸電線路，應(yīng)當(dāng)經(jīng)常檢查和維護(hù)。在每年雨季前，應(yīng)當(dāng)全面檢修1次，并對(duì)全部工作水泵和備用水泵進(jìn)行1次聯(lián)合排水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)處理。水倉(cāng)、沉淀池和水溝中的淤泥，應(yīng)當(dāng)及時(shí)清理；每年雨季前，應(yīng)當(dāng)清理1次。

6 結(jié)論

山東瓏山礦業(yè)公司深部10煤開采，主要威脅含水層為徐、奧灰含水層，其中奧灰富水性較強(qiáng)，水壓高，突水危險(xiǎn)性大。正常開采條件下，該礦井不具備底板注漿、疏水降壓條件，通過改革采煤方法—條帶開采，可減少底板破壞深度，保證底板隔水層的隔水性能。除此之外，還需要進(jìn)行探查底板含水層水文地質(zhì)條件、留設(shè)斷層保護(hù)煤柱和進(jìn)一步完善排水系統(tǒng)等綜合防治水措施，增強(qiáng)礦井綜合抗水災(zāi)害能力，實(shí)現(xiàn)深部10煤高承壓含水層上安全開采。

[1] 段水云.煤層底板突水系數(shù)計(jì)算公式的探討[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003(1):96-99.

[2] 李加祥. 煤層底板“下三帶”理論在底板突水研究中的應(yīng)用[J].河北煤炭,1990(4): 12-15.

[3] 施龍青,宋振騏.采場(chǎng)底板“四帶”劃分理論研究[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2000,19(4):241-245.

[4] 黎良杰.采場(chǎng)底板突水機(jī)理的研究[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),1995.

[5] 張金才,張玉卓,劉天泉.巖體滲流與煤層底板突水[M].北京:地質(zhì)出版社,1997.

[6] 王作宇.底板零位破壞帶最大深度的分析計(jì)算[J].煤炭科學(xué)技術(shù),1992(2):2-6.

[7] 鄭世書,孫亞軍,等.煤礦采掘過程中底板突水危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[C].北京:中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,1992.

[8] 魏久傳,李白英.承壓水上采煤安全性評(píng)價(jià)[J].煤田地質(zhì)與勘探,2000,28(4):57-59.

[9] 張立海,張業(yè)成.中國(guó)煤礦突水災(zāi)害特點(diǎn)與發(fā)生條件[J].中國(guó)礦業(yè), 2008，17(2): 44-46.

[10] 管恩太.焦作礦區(qū)高承壓水上采煤水害綜合控制技術(shù)[J].煤礦安全,2005,36(9):15-17.

[11] 虎維岳.礦山水害防治技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2005.

[12] 施龍青,韓進(jìn).底板突水機(jī)理及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2004.

[13] 國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物水體鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

[14] 沈光寒,李白英,吳戈.礦井特殊開采的理論與實(shí)踐[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1992.

[15] 吳立新,王金莊,郭增長(zhǎng).煤柱設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2000.