突水系數法在回坡底煤礦奧灰突水危險性評價中的應用與研究

劉德旺（山西焦煤集團公司,山西省太原市,030024）

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突水系數法在回坡底煤礦奧灰突水危險性評價中的應用與研究

劉德旺
（山西焦煤集團公司,山西省太原市,030024）

摘要應用突水系數法對回坡底煤礦11＃煤層帶壓開采的突水危險性進行計算和分區,在此基礎上針對11＃煤層存在底板薄和雙重底板采動破壞問題,對分區實際安全性加以分析和評價。根據評價提出了11＃煤層帶壓開采的安全防范技術措施。在采取安全防范措施的條件下,回坡底煤礦已進行了11＃煤層的安全回采。

關鍵詞突水系數法 突水危險性評價 突水危險性分區 防范技術措施

回坡底煤礦11＃煤層是距奧陶系灰巖最近的可采煤層,依據礦井中長期規劃,在近5年內開采井田北部奧灰壓力水頭超過煤層底板的帶壓區的11＃煤層,因此需要評價11＃煤層帶壓開采的安全性。通常用隔水層底板所承水壓P與煤層底板至奧陶系灰巖頂板之間的厚度M的比值,即突水系數T （P/M）來評價帶壓開采的安全性,并進行突水危險性分區。由于11＃煤層距奧灰近,底板隔水層薄,因此需要根據礦井的帶壓特征對分區的實際安全性進行進一步的分析與評價,并在此基礎上提出相應的安全防范措施,保障煤礦的生產安全。

1　礦井概況

回坡底煤礦井田范圍呈北東—南西向長條多邊形分布,總面積40.0088 km2,設計生產能力120 萬t/a,分東西兩區,現主采下組10＃、11＃煤層。10＃煤層平均厚2.55 m,11＃煤層平均厚3.27 m,兩煤層間距平均6.54 m,11＃煤層與奧灰層平均間距25.4 m。

井田主要含水層有太原組（K1、K2、K3）石灰巖溶隙含水組和中奧陶統石灰巖溶隙含水組。太原組灰巖中K2灰巖最厚,平均厚8.9 m,單位涌水量0.0087～0.21 L/s·m,水位標高522.5～695.1 m,含水層富水性屬于弱－中等,是下組煤開采的頂板充水含水層。奧灰最上層是峰峰組上段（O2f2）塊狀石灰巖溶隙含水層,是帶壓區下組煤層開采的突水威脅含水層,平均厚38.6 m,質純而溶隙發育,富水性較強。峰峰組水位標高519.2 ～540.6 m,平均530.0 m,低于太原組K2灰巖水位。井田位于上團柏和下團柏邊界斷層之間,總體為傾向北西,傾角5°～15°的單斜構造,斷裂發育一般。煤層埋深向北遞增,井田北部為11＃煤層奧灰帶壓區,帶壓區約為井田面積的一半。

2　11＃煤層底板突水危險性預測及分區

2.1突水危險性評價方法與計算

帶壓開采突水危險性評價通常采用《煤礦防治水規定》的突水系數法。

突水系數是水壓力和隔水層厚度的比值:

式中:T——突水系數,MPa/m;

P——隔水層底板所承水壓,MPa;

M——11＃煤層底板至奧陶系灰巖頂板之間的隔水層厚度,m;

H——奧陶系O2f2承壓含水層壓力水頭標高（水位）,m;

h——煤層底板標高,m。

因此,11＃煤層帶奧灰水壓突水系數就可用奧灰水位H、11＃煤層底板（底面）標高h、11＃煤層底板至奧陶系灰巖頂板之間的隔水層厚度M來計算。11＃煤層至奧灰含水層之間的隔水層由鋁質泥巖、粉砂巖、泥巖、石英砂巖等致密巖石組成,厚度15.14～35.89 m,一般25.4 m,具有良好的隔水性能。

11＃煤層最低點的突水系數是井田中最大的突水系數,最低點11＃煤層底面標高為＋240 m,隔水層厚度為25.4 m,奧灰壓力水頭標高為＋530 m,由式（1）計算得出突水系數為0.122 MPa/m,大于完整地段臨界突水系數0.1 MPa/m。依據計算結果得井田11＃煤層突水系數等值線圖,如圖1所示。

圖1　11＃煤層突水系數等值線和分區圖

2.211＃煤層帶壓開采突水危險性理論預測分區

按《煤礦防治水規定》臨界突水系數在隔水底板構造破壞地段為0.06 MPa/m、隔水層完整無斷裂構造破壞地段為0.1 MPa/m的規定值,帶壓突水危險性分區:相對安全區即帶壓開采突水危險性小,一般不會發生突水,僅在存在導水構造（導水斷裂或陷落柱）時發生突水,其突水系數取值范圍為0.0098 MPa/m＜T≤0.06 MPa/m;突水危險區即帶壓開采突水危險性較大,隔水底板完整地段是安全的,斷裂構造破壞地段不安全,一般情況下,底板都存在或大或小的斷裂構造,其突水系數取值范圍為0.06 MPa/m＜T≤0.1 MPa/m;突水高危險區即帶壓開采存在突水的高危險,突水系數已超過完整底板的臨界值,一般會發生突水,其突水系數取值范圍為T＞0.1 MPa/m。

根據上述帶壓突水危險性分區情況及式（1）和圖1得出,當承壓含水層壓力水頭剛到開采11＃煤層底面時,突水系數0.0098 MPa/m以上的井田北半部處于帶壓區,11＃煤層帶壓區存在高危險區、危險區和相對安全區3個突水危險性分區。高危險區位于井田北東部局部地區;危險區在北部呈北東向長條分布;相對安全區分布在帶壓區南部,占帶壓區面積大半。

為保障帶壓開采安全,對突水危險性理論分區進行實際安全性的評價。

3　11＃煤層帶壓分區的安全性分析與評價

3.1底板隔水層厚度安全分析

臨界突水系數是隔水底板平均每米厚度所能承受的最大安全水壓力,代表底板的隔水質量,臨界突水系數越大,隔水質量越高。計算突水系數的M是整個底板的厚度,而不是有效隔水層厚度。

11＃煤層隔水層厚度15.14～35.89 m,厚度變化較大,在隔水層薄弱處、構造裂隙發育處需要進行底板注漿加固。

3.2突水危險性分區實際安全性的評價

影響底板突水主要有水壓P,底板厚度M、底板巖性及組合、構造發育程度及導水性、底板承壓含水層的巖溶發育程度、煤厚或采高、采煤方法的工程條件（如工作面長度等）等因素。按一般突水系數法對回坡底礦井11＃煤層帶壓區進行計算和分區。但一般突水系數法僅包含水壓和厚度兩種因素,而且在厚度中未考慮實際存在的底板導水破壞深度,這在一般情況下是可以的,但在礦井有特殊情況時是不夠的,需要針對實際情況,對分區安全性進行分析與評價。

回坡底煤礦對安全生產不利的特殊情況是11＃煤層底板偏薄及與上覆開采煤層10＃煤層間距小。

（1）底板偏薄。11＃煤層平均厚度25.4 m較一般中等厚度偏薄,在底板導水破壞深度和底板自重等因素作用下,其實際臨界安全壓力和臨界突水系數都偏小,破壞地段的實際臨界突水系數小于0.06 MPa/m。

按底板破壞深度經驗公式計算,長度150 m回采工作面底板破壞深度約為16 m。依照此破壞深度,11＃煤層底板的有效隔水層厚度為0～20 m,平均10 m,占底板平均厚度的39%,小于一半,因此底板平均隔水質量偏低,實際臨界突水系數小于規定值（0.06 MPa/m、0.1 MPa/m）。當遇到較大斷層時,底板有效隔水層厚度就為零或接近于零。

（2）底板雙重采動破壞。11＃煤層較厚,平均為3.27 m,其上的10＃煤層平均厚2.5 m,且兩煤層層間距平均為6.54 m,故先采10＃煤層,因此開采11＃煤層就存在雙重采動破壞問題,破壞力度和深度大,大幅減小了底板有效隔水層厚度,對帶壓安全開采不利。

4　11＃煤層帶壓開采的安全防范技術措施

（1）將11＃煤層突水系數超過0.10 MPa/m的突水高危險區列為禁采區。

（2）在突水系數超過0.06 MPa/m的突水危險區,不得將開拓巷道設計（布置）在11＃煤層底板中。

（3）利用10＃煤層開采資料,對落差大于5 m的較大斷層進行注漿加固或留設11＃煤層防隔水煤柱;對11＃煤層底板薄弱處進行底板注漿加固。

（4）帶壓區開采由淺至深,循深漸進,回采工作面不跳采。

（5）加強11＃煤層整個帶壓區的水文動態觀測,準確測定深部奧灰峰峰組含水層水位標高,同時加強對井下涌水量的觀測。

（6）加強和完善東一采區排水系統,排水設備采用具有抗淹沒性能的潛水電泵,以臥式為宜。帶壓采區深部建立由潛水泵組成的抗災強排系統,強排水能力不小于400 m3/h。

（7）制定11＃煤層帶壓開采奧灰突水處置預案,帶壓開采期間24 h有人進行底板水情觀測記錄,保證通訊暢通。

（8）加強有掘必探、有采必探、有疑必鉆,嚴格執行物探先行、化探跟進、鉆探驗證的措施,積極采用物探、鉆探相結合的手段對斷層、陷落柱等隱伏構造進行超前探測,及時對物探異常區進行鉆探驗證。

（9）完善水災應急救援預案和現場處置方案,定期組織進行水災救援演練。

（10）定期組織防治水知識培訓教育,使各級管理技術人員、一線職工熟悉透水征兆、避水災路線,提高其水害防范意識。

5　結語

應用突水系數法對礦井11＃煤層帶壓開采的突水危險性進行計算和分區,在此基礎上針對11＃煤層存在底板薄和雙重底板采動

破壞問題,對分區實際安全性加以分析和評價。根據評價提出了11＃煤層帶壓開采的安全防范技術措施。在采取安全防范措施的條件下,回坡底煤礦已進行了11＃煤層的安全回采。

參考文獻:

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（責任編輯張艷華）

The study on the water inrush risk assessment of Ordovician limestone using water inrush coefficient method and its application in the Huipodi Coal Mine

Liu Dewang
（Shanxi Coking Coal Group Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030024,China）

AbstractThe water inrush risk on which the No.11 coal seam of Huipodi Coal Mine was mined under safe water pressure of aquifer using water inrush coefficient method was calculated and zoned,and then,the analysis and assessment of actual safety of water inrush risk zoning was carried out aiming at the issues that there was the thin floor and the double mining failures of floor in the No.11 coal seam.The prevention technical measures,which were used to mine the No.11 coal seam under safe water pressure of aquifer,were proposed according to above assessment.The No.11 coal seam was safely mined in the Huipodi Coal Mine after applying the measures.

Key wordswater inrush coefficient method,water inrush risk assessment,water inrush risk zoning,prevention technical measures

中圖分類號TD745

文獻標識碼A

作者簡介:劉德旺（1972－）,男,山西平遙人,高級工程師,2015年7月中國礦業大學（北京）地質工程專業碩士畢業,目前主要從事礦井水害防治方面的研究工作。