馬蘭礦8#煤層帶壓開采研究及防治措施

張旭慶

(西山煤電集團公司，山西 太原 030053)

1 概述

山西西山煤電股份公司馬蘭礦是我國“七五”期間建設的國有重點煤礦。1983年建礦，1990年投產，礦井設計生產能力400萬t/年，服務年限107年。礦井現開采+910 m水平，現生產8#煤層采區為南一下組煤和北三下組煤采區。

馬蘭礦井田水文地質條件為復雜型(Ⅲ)，充水水源主要為奧灰巖溶裂隙水、松撒沖積層及基巖風化裂隙水、山西組砂巖裂隙水、太原組灰巖裂隙巖溶水以及小窯采空水。其中，8#煤層受奧灰巖溶水影響較大。奧灰巖溶含水巖組是一組從寒武系至中奧陶系地層，對礦床具有充水危害的主要是O2f、O2s巖溶含水巖組。井田內揭露奧灰水文勘探孔地層厚度及水壓統計見表1.

表1 井田揭露奧灰鉆孔地層厚度及水壓標高統計表

2 8#煤層帶壓開采現狀

馬蘭井田以547鉆孔O2f+O2s混合水位923.25 m為最高水位，主采8#煤層(最低標高為+680 m)帶壓開采面積約93.2 km2.隨礦井采掘向中部及東部轉移，以及北三采區8#煤的采掘，礦井生產受奧灰水的影響將越來越大，但嚴重不足的是:

1)無定量資料，即不能從水量、水位的定量關系上推斷各含水層間的聯系及分隔程度，以及峰峰組含水層的分塊性。

2)隔水層勘探程度不足，即太原組晉祠段及本溪組厚度在井田內的變化趨勢不明，尤其鋁土巖段的厚度變化趨勢，峰峰組上部古風化殼的裂隙充填、膠結程度。

3 帶壓開采分析

3.1 安全隔水層厚度計算

依《煤礦防治水規定》中計算公式:

式中:

t—安全隔水層厚度，m;

r—采掘工作面底板最大寬度，m;

L—隔水層巖石的容重，t/m3;

Kp—隔水層抗張強度，t/m2;

H—隔水層底板承受的水頭壓力，tf/m3.

奧灰水靜水位依547孔取951.25 m，+910水平8#煤層的最低標高是680 m，8#煤層工作面底板最大寬度為20 m，隔水層的平均容重取2.2 t/m3，隔水層抗張強度取20 t/m2，8#煤層底板至奧灰頂界面的隔水層平均厚度為74 m，代入公式，則8#煤層安全隔水層厚度:

由此可知，910水平8#煤層底板隔水層在不受構造破壞及不出現大的異常的情況下，帶壓開采是可行的。

3.2 8#煤層底板突水系數計算

根據《煤礦防治水規定》有關要求，突水系數計算采用以下公式:

式中:

T—突水系數，MPa/m;

P—8#煤底板隔水層壓強，MPa;

M—8#煤底板底板無破碎隔水層總厚度，m.

就8#煤來講，威脅煤層開采的底板水源主要來自奧陶系巖溶水。因此，在確定水頭壓力時，采用奧陶系巖溶水的水壓標高減去相應的奧陶系頂面標高值作為煤層底板承受的水壓力。

式中:

H—奧灰巖溶水壓標高，m;

h—奧灰頂面標高，m.

底板隔水層厚度(M)是指主采煤層底板至下伏對煤層開發有水壓力嚴重威脅的含水層頂面之間的完整隔水巖層總厚度，即:

式中:

H煤—煤層底板標高，m;

h—奧灰頂面標高，m.

結合式(1)中有關數據，完整隔水巖層總厚度取8#煤層底板至奧灰頂界面的隔水層平均厚度74 m，參考全國的平均系數0.06 MPa/m，經計算，8#煤最大突水系數為:

可見，+910水平8#煤層帶壓開采是可行的。

4 地質構造破壞區奧灰突水可能性分析

4.1 陷落柱因素

截止2013年，井田內共發現陷落柱147個，其中地表出露8個，鉆孔揭露5個，井巷揭露117個。僅17個陷落柱時有淋水、滴水現象，最大突水量達14 m3/h，一般在2.5 ～4 m3/h，1 ～2 天即疏干，補給水源有限，為煤系圍巖水特征，應是賦存的構造水。而在南一8#下組煤18306工作面揭露S71導水陷落柱，突水量7～12 m3/h，水源為奧陶系巖溶水。可以判斷有奧灰巖溶水的混合補給。由以上事實得出，如果陷落柱發育至8#煤以下，由于陷落柱的未膠結帶、空洞帶、陷落柱冒落裂隙帶的存在，將大大減少有效隔水層厚度，增大了突水的可能性。

4.2 斷層因素

馬蘭井田內部地質構造發育，主要受壓扭應力的作用，斷層面緊密，破碎帶不大，且發育有斷層泥。截止2013年7月底，馬蘭井田共揭露5 m以上斷層96條，多屬高角度正斷層。礦井內斷層雖然較多，對井下采煤及工作面布置影響較大，但據礦井地質報告井田內落差＞20 m的斷層并不發育，落差較小的斷層一般不會造成有效隔水層厚度的大幅減小，但較大正斷層往往使煤層與奧灰水體間距縮小，增大突水的可能性。另外，根據勘探，斷層附近富水性一般較強，在掘進中揭露斷層時沒有發生突水，隨著采動而發生應力重新分布，也可能使底板及斷層帶遭受異常的破壞，變不導水為導水。

綜上所述，帶壓開采是可行的，但應預防構造破壞區發生奧灰水突水的可能性。

5 奧灰水防治措施

5.1 全面強化水文地質勘查工作

1)加快水文地質補勘進度，并建立針對奧灰水的水文動態觀測網，為防治奧灰水及定量分析奧灰水提供依據。

2)加強煤層底板隔水層的巖性組合、厚度、力學性質的勘探及實驗工作，為防治奧灰水提供基礎資料。

3)積極采用新技術、新經驗加強對充水、導水因素的探測研究工作，采取有效防突水措施。

5.2 防突水安全措施

1)在8#煤層回采過程中應采用水文地質物探方法，包括采用直流電法超前探測或井下瞬變電磁法超前探測掘進迎頭前方富水異常區。其中瞬變電磁法對含水體更為敏感，可以用來查找探測含水層及富水區范圍，也可以進行探查斷裂構造及陷落柱的導水性情況。對探測異常區應該按照要求建設防水設施。

因此，在近5年的時間里需要進行的物探工程量和費用見表2.

表2 礦井物探工程量及費用表

同時要采取進一步的鉆探方法驗證探測情況。根據馬蘭礦2015—2019年的開采規劃，礦井計劃總掘進長度29 659 m.近5年施工探放水鉆孔累深達到98 280 m，總施工鉆孔數為1 944個。鉆探工程量見表3.

表3 礦井掘進鉆探工程量及費用表

2)加強排水系統建設。首先應在南五下組煤采區最低點施工直排水系統，在南五下組煤正前與南五進風大巷間施工110 m垂深的管道井，使南五下組煤采區涌水可以沿管道井將水通過麻家口立井直接排至地面，同時實現水泵遠控管理，可以有效解決南五下組煤采區和未來南八下組煤采區水害事故發生時的抗災應急排水。具體施工工程量及設備見表4.

表4 南五下組煤采取排水系統施工工程量及設備表

北三下組煤采區為防止采區開采過程中突發水患造成重大事故，應在北三下組煤采區最低點施工盤區集中水倉，安裝防爆潛水電泵，在水倉合適位置處施工管道立井敷設排水管路，通過管道立井將水直接排至地面。立井地面標高+1 275 mm，距礦地面北二35 kV變電站2 300 m.地面建一配電室放置供電及電氣控制系統設備。具體工程量及設備見表5.

3)加強礦井防治水工程建設。a)在南二下組煤需施工一個專門的水文觀測孔，對奧灰水水位、水壓等進行動態監測。b) 在18305、18306、18308、18303 工作面回采結束后應設計施工專門防水閘墻，進行封閉隔離，防止采動影響造成的奧灰水害事故。c)升級改造中央井底變電所、主斜井底通道的5道防水防火密閉門，使之成為可遠控自動關閉的電動防水防火設施。d)升級改造礦井水文觀測系統，在南、北大巷及南一下組煤水溝增加3處明渠觀測站點，動態監測主要水文孔奧灰水位以及水倉水位的變化情況。

表5 北三下組煤采區排水系統施工工程量及設備表

6 結論

馬蘭礦8#煤層南五下組煤采區和北三下組煤采區帶壓開采可行，但在斷層構造和陷落柱影響下具有奧灰水突出的可能性。按照本質安全型礦井建設要求，要加強兩個采區防治水工程的施工和建設，制定并建立完善的防治水措施，確保礦井安全生產。

［1］李文生.論馬蘭礦煤層開采“三帶”發育高度研究［J］.山西焦煤科技，2007(5):4－5.

［2］張榮華.兩種突水系數計算公式的比較［J］.中國煤炭地質，2012(7):44－47.