龐龐塔擴區主采煤層帶壓開采安全性分析

郗寶華

(山西煤炭職業技術學院地測工程系,山西省太原市,030031)

龐龐塔擴區主采煤層帶壓開采安全性分析

郗寶華

(山西煤炭職業技術學院地測工程系,山西省太原市,030031)

分析了龐龐塔擴區5＃、9＃主采煤層水文地質條件及突水危險性,認為5＃、9＃煤層底板巖性組合、構造條件及回采底板破壞深度均有利于帶壓開采。根據5＃、9＃煤層奧灰突水系數的計算及突水等值線圖的編繪分析,認為5＃煤層一、二采區內鉆孔控制點為安全區,9＃煤層一采區全區和二采區淺部為相對安全區,但二采區深部奧灰突水系數已大于0.06 MPa/m,已進入奧灰突水相對危險區,必須進行專門帶壓開采設計及制定必要的防治水工程預案才能進行帶壓開采。

煤炭開采 帶壓開采 煤層底板 水文地質 突水系數 龐龐塔擴區

華北型煤田中下組煤基本都位于含水豐富的奧灰巖溶含水層之上,雖然二者之間存在厚度不等的砂泥巖隔水層其厚度一般為30～100 m,但在開采過程中仍然會受到水害威脅。目前,開采受底板高壓水威脅的煤層主要采用疏降強排和帶壓開采兩種方法。其中帶壓開采具有成本低、不破壞地下水資源等優點,是目前深部煤炭資源開發的主要方式。但由于開采深度增加,水害危險性隨之增大,因此,進行煤層帶壓開采安全性分析對保證安全生產具有重要意義。本文主要從帶壓開采水文地質條件及突水危險性兩方面進行了分析,以期對安全生產提供重要參考依據。

1 擴區概況

龐龐塔煤礦擴區井田位于山西省呂梁地區臨縣河東煤田中部,井田平面形態呈一長方形,面積約118.68 km2。規劃設計為一座年產1000萬t的特大型礦井。井田內構造總體上為一向西緩傾斜的單斜構造,傾角一般15°～25°。區內主要含煤地層為石炭系上統太原組(C3t)和二疊系下統山西組(P1s),含煤9層,其中全區可采煤層3層,分別為煤層,但由于煤層層間距較小,5＃上煤層常合并為與5＃煤層一同開采。本區各可采煤層特征見表1。

表1 井田內可采煤層特征表

龐龐塔擴區初步設計為兩個采區。以＋750 m水平為界,東部至煤層露頭處為一采區,西部至＋400 m水平為二采區,采區內以礦井主系統巷道為界,分為南、北兩翼,龐龐塔擴區采區位置及水位線關系見圖1。其中,一采區5＃煤層開采標高范圍約為＋750～＋1100 m,9＃煤層開采標高范圍約為＋700～＋1100 m;二采區5＃煤層開采標高范圍約為＋400～＋800 m,9＃煤層開采標高范圍約為＋350～＋750 m。根據井田內水文鉆孔水位觀測資料繪制出的一、二采區太灰、奧灰等水位線圖可知(圖1),一、二采區內5＃、9＃煤層開采最高標高低于太灰含水層,屬全區帶壓區;一采區深部、＋750 m水平東側局部、二采區全區開采最低標高低于奧灰含水層,屬帶壓開采區。因此,分析該礦區水文地質條件,結合突水系數理論對5＃、9＃煤層帶壓開采進行安全性分析很有必要。

圖1 龐龐塔擴區采區位置及水位線關系圖

2 帶壓開采水文地質條件分析

龐龐塔擴區5＃、9＃煤層與上、下主要含水層位置關系見圖2。由圖2可以看出,5＃煤層頂板直接充水水源主要來自二疊系下統山西組(P1s)地層砂巖(5＃煤層上部的各層薄砂巖層)及下石盒子組(P1x)地層K4砂巖水,底板直接充水水源主要來自二疊系下統山西組(P1s)地層K3砂巖水。9＃煤層頂板直接充水水源主要來自石炭系上統太原組(C3t)幾層灰巖(L1－L4)含水層地下水以及5＃煤層采空區積水,底板間接充水水源主要來自中奧陶統峰峰組(O2f)巖溶含水層地下水,這一水源是井田內富水性最強的含水結構體,且承壓水頭很高,除井田東部邊界以西局部地段不帶壓外,井田其他大部分屬帶壓開采范圍。

2.1 煤層底板巖性組合條件分析

隔水層底板抗壓強度及隔水能力與底板巖性組合有很大關系。從收集的井田一、二采區內和周邊地質及水文地質鉆孔資料統計分析可知,擴區內5＃煤層底板至9＃煤層頂板是互層狀的軟、硬巖地層組合。5＃煤層底板至9＃煤層頂板平均厚度為50.8 m,砂質泥巖、泥巖平均占50.5%,砂巖、石灰巖平均占46.8%,煤層平均厚度占2.6%,軟巖與硬巖厚度基本相近。9＃煤層底板至奧灰頂面平均厚度為66.5 m,巖層組合以砂質泥巖、泥巖為主,平均占66.2%;其次為砂巖,平均占28.4%;石灰巖平均占3.1%。軟巖與硬巖比值系數約為2∶1。這種隔水底板軟巖與硬巖組合結構,對提高底板的抗壓強度及隔水能力比較有利。

圖2 煤層與上、下含水層關系示意圖

2.2 煤層底板含水層富水性分析

按鉆孔單位涌水量,含水層富水性可分為4個等級:弱富水性、中等富水性、強富水性和極強富水性。利用以往水文孔抽水試驗資料編繪富水性分區圖,對龐龐塔擴區井田內一、二采區太原組灰巖含水層和奧陶系峰峰組灰巖含水層進行富水性分區。根據分析可知一、二采區太灰整體富水性為弱,單位涌水量最大僅為0.084 L/s·m。一、二采區奧灰富水性整體由弱到中等。其中,以礦井系統巷道為界,北部奧灰富水性弱,南部富水性由弱到中等。

2.3 構造發育程度分析

龐龐塔煤礦已開采區域揭露構造情況屬于簡單型。據此推斷分析,龐龐塔擴區井田構造發育程度應與龐龐塔煤礦相似,屬于簡單型。對礦井生產影響程度有限,但從防治水角度分析,必須加強對含、導水構造的預防與探查,防止發生構造導水事故。

2.4 回采期間底板破裂深度分析

當工作面回采后,煤層底板隔水層上部一定厚度巖層因采礦擾動而被破壞,這部分巖層不具備隔水能力。據采礦實踐證明,采動作用下煤層底板擾動破壞深度不僅與下伏巖性有關,而且與煤層傾角、工作面斜長等因素有關。計算底板破壞深度,選用計算式:

式中:CP——底板破壞深度,m;

H——底板埋深,m;

Lx——工作面斜長,m;

α——煤層傾角,(°)。

5＃煤層工作面底板埋深175 m,工作面斜長240 m,煤層傾角20°,將數值代入式(1),計算可得5＃煤層開采后底板破壞深度為26.36 m,這個數值遠小于5＃煤底板至9＃煤層頂板的平均厚度(50.8 m)。

9＃煤層工作面底板埋深237 m,工作面斜長240 m,煤層傾角20°,9＃煤層開采后底板破壞深度為26.88 m,這個數值遠小于9＃煤層底板至奧灰頂面平均厚度(66.5 m)。根據現場工作經驗,該經驗公式計算值由于其與相應變量并非絕對線性關系,通常結果偏大。因此,回采期間底板破壞深度不至于引起底板突水,可以進行帶壓開采。

3 帶壓開采突水危險性分析

在煤層帶壓開采過程中,一旦發生奧灰突水,其結果將是災難性的。因此,在帶壓開采安全性評估中,對掘進巷道及回采底板突水危險性分析預測及危安區劃分極為重要。

3.1 掘進巷道底板突水危險性分析

根據掘進工作面底板安全隔水層厚度的計算公式:

式中:t——安全隔水層厚度,m;

L——巷道底板寬度,取5m;

γ——底板隔水層的平均重度,取0.022 MN/m3;

KP——底板隔水層的平均抗拉強度,依據《山西省河東煤田臨縣龐龐塔煤礦及擴區補充勘探地質報告》資料顯示,5＃煤層底板KP為0.63～1.14 MPa,取平均值0.885 MPa;9＃煤層底板KP為0.83～1.48 MPa,取平均值1.115 MPa;

P——底板隔水層承受的水頭壓力,取4.7 MPa。

將各參數帶入式(2),可得5＃、9＃煤層安全隔水層厚度分別為8 m和7.2 m。該厚度遠小于礦井實際最小隔水層厚度,因此在正常塊段工作面掘進底板受奧灰水威脅可能性較小。但在構造破壞地帶,因斷層、陷落柱等的存在,可能具有導水性,在承壓區內有可能發生突水。

3.2 回采工作面底板突水危險性分析

綜合考慮了礦壓及水壓對底板的破壞,有效隔水層及奧灰頂面相對隔水層等因素,選用突水系數修正公式進行評價:

式中:T——突水系數,MPa/m;

P——底板隔水層的水壓力,依據鉆孔中奧灰頂面標高與奧灰水位標高差得出,MPa;

Mi——底板隔水層中第i層巖層厚度,依據鉆孔中直接測出,m;

Cp——采礦對底板擾動的破壞深度,依據前面計算值可得5＃煤層為26.36 m,9＃煤層為26.88 m;

hd——承壓水導升高度,擴區內地質構造簡單,在沒有隱伏斷裂構造的前提下一般不會發生巖溶水導升,此時hd為0;如果有隱伏斷裂構造造成奧灰水向上導升,則按平均導升系數2.5 m/MPa與奧灰水壓值進行換算,m;

M0——煤底板隔水層厚度,直接由鉆孔資料得出,m。

將5＃煤層施工的8個鉆孔(鉆孔號為P20～P28)奧灰突水系數計算結果編繪成突水系數等值線圖見圖3。一、二采區內鉆孔控制點的奧灰突水系數最大為0.04 MPa/m,根據等值線圖變化趨勢推測在二采區北翼西北角和南翼西側奧灰突水系數大于0.04 MPa/m,接近0.045 MPa/m。在正常塊段,開采5＃煤層奧灰突水可能性較小。

圖3 5＃煤層奧灰突水系數等值線圖

圖4 9＃煤層奧灰突水系數等值線圖

將9＃煤層施工的9個鉆孔(鉆孔號為P20～P28)奧灰突水系數計算結果編繪成突水系數等值線圖見圖4。一、二采區內鉆孔控制點的奧灰突水系數最大為0.07 MPa/m,根據等值線圖變化趨勢推測在二采區北翼深部奧灰突水系數大于0.07 MPa/m接近0.09 MPa/m。因此,一采區全區和二采區淺部突水系數小于0.06 MPa/m,正常塊段突水可能性較小,但在二采區深部奧灰突水系數已大于0.06 MPa/m,已進入奧灰突水過渡區。

帶壓開采突水小概率區為突水系數小于0.06 MPa/m的區域,突水概率相對較小,正常情況下,堅持預測預報,有掘必探,有采必探,先探后掘,先治后采的原則,進行常規的巷道超前探測、工作面精細探查工作,主要探查陷落柱、構造破壞帶等,采取一定的防治水措施后可以實現帶壓開采。

帶壓開采過渡區為突水系數介于0.06～0.1 MPa/m之間的區域為過渡區。除采用小概率區的防治水措施外,還應運用留設防隔水煤巖柱、底板富水區局部注漿改造、隔水層薄弱區局部注漿加固等帶壓開采措施,做好突水預測預報動態監測、應急救援預案等工作,加強礦井防排水能力,以實現過渡區安全帶壓開采。

4 結論

(1)5＃、9＃煤層隔水底板為軟巖與硬巖組合結構,對提高底板的抗壓強度及隔水能力比較有利;回采期間底板破壞深度不至于引起底板突水,可以進行帶壓開采。

(2)5＃、9＃煤層安全隔水層厚度遠小于礦井實際最小隔水層厚度,因此在正常塊段工作面掘進底板奧灰水威脅可能性小;5＃煤層一、二采區內鉆孔控制點的奧灰突水系數最大為0.04 MPa/m; 9＃煤層一采區全區和二采區淺部突水系數小于0.06 MPa/m,但在二采區深部奧灰突水系數已大于0.06 MPa/m,已進入奧灰突水過渡區。

由此可見,只要主采煤層工作面開采前,做好工作面構造及底板隔水層的完整性狀況探查,通過正確留設防水煤柱,合理選擇采煤方法,采取相應的堵水措施,同時加大突水監測和預測預報工作,實現安全帶壓開采是可行的。

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(責任編輯 張毅玲)

2014年我國多種發電設備平均利用小時數下降

據統計,受電力需求增長放緩、新能源裝機比重不斷提高等因素影響,2014年全國6000k W及以上電廠發電設備平均利用小時為4286小時,同比減少235小時,是1978年以來的最低水平。

水電方面:2014年底,全國水電裝機容量3億k W,設備平均利用小時3653小時,同比增加293小時,是2006年以來的最高水平。

核電方面:2014年底,全國核電裝機容量1988萬k W,設備平均利用小時7489小時,同比減少385小時。

火電方面:2014年底,全國火電裝機容量9.2億k W,設備平均利用小時4706小時,同比減少314小時,是1978年以來的最低水平。

風電方面:2014年底,全國并網風電裝機容量9581萬k W,設備平均利用小時1905小時,同比減少120小時。

Safety analysis of mining under pressure in the primary mineable coal seam of Pangpangta expansion area

Xi Baohua
(Department of Geology Surveying Engineering,Shanxi Vocational and Technical College of Coal,Taiyuan,Shanxi 030031,China)

In this paper,the author analyzed the hydrogeological conditions and water inrush risk in No.5 and No.9 primary mineable coal seams of Pangpangta expansion area,which showed that the lithological association,structural conditions and failure depth of stoping floor in No.5 and No.9 coal seam floors were conducive to the mining under pressure.According to the calculation of water bursting coefficient in Ordovician limestone and the compilation analysis of water bursting contour map in No.5 and No.9 coal seams,the drilling control points in the first and second mining areas of No.5 coal seam were identified as safe areas,and the whole first mining area and shallow part of the second mining area in No.9 coal seam were comparative safe areas, while the water bursting coefficient in Ordovician limestone in the deep second mining area in No.9 coal seam was greater than 0.06 MPa/m.So the deep second mining area had turned into comparative dangerous area,and special design of mining under pressure and engineering plan of water prevention and control must be conducted for mining under pressure.

coal mining,mining under pressure,coal seam floor,hydrogeologe,water bursting coefficient,Pangpangta expansion area

TD823

A

郗寶華(1977－),女,講師、工程師,畢業于太原理工大學資源勘查專業,主要從事礦山水文地質與煤礦地質研究。