淺談煤礦奧灰帶壓開采的治理措施

巨亞靜

(山西潞安集團左權阜生煤業有限公司，山西 晉中 032600)

引 言

整合礦井資源逐漸枯竭，如何提高礦井回采率，實現安全生產，爭創效益最大化是目前煤礦企業面臨的最大問題。在實際生產過程中執行帶壓開采在所難免，但是，帶壓開采最大的隱患就是頂板與水害管控，必須針對不同地帶、不同地質條件，因地制宜地采取可行性開采措施[1-2]。

1 奧灰突水危害

阜生煤業井田內奧陶系含水層主要為峰峰組、馬家溝組灰巖含水層，根據井田內鉆孔資料及區域地質資料，峰峰組灰巖巖性以石灰巖、泥質灰巖、角礫灰巖為主，其富水性較弱。馬家溝灰巖裂隙較發育，富水性較強[3]。

根據阜生煤業礦井地質報告資料，奧陶系灰巖頂部巖溶發育異常區零散分布在全區，從整體看，奧陶系灰巖頂部巖溶發育相對較弱；奧陶系灰巖頂界面以下100 m內巖溶發育異常區主要分布在井田的北部地區和南部地區，從整體看奧陶系灰巖頂界面以下100 m內巖溶發育相對較弱；奧陶系灰巖頂界面以下100 m～200 m內巖溶發育異常區主要分布在西北部含南部地區，其他地方零星分布，從整體看奧陶系灰巖頂界面以下100 m～200 m內巖溶發育相對較強。根據井田內水源井對奧陶系中統巖溶裂隙含水層抽水試驗資料分析，富水性中等，水化學類型屬HCO3·SO4-Ca型，水位標高+820.07 m。結合區域資料，推測井田內的奧灰水水位標高為+820 m～+823 m。

阜生煤業位于太行山以西的煤田區域，因礦井服務年限已長，面臨資源枯竭，礦井現開采深度不斷延伸，導致底板含水層的水位高于煤層的標高，礦井轉入奧陶系巖溶承壓水面下進行采掘作業，加上屬于資源整合保留礦井，地質資料及勘探資料薄弱，對井下開采條件具有不確定因素，在井下作業現場地下水有涌入開采工作面和巷道的危險性，對礦井的生產及人身安全產生巨大威脅。

2 安全治理措施

經分析礦井井田開采的水文地質條件，結合礦井實際生產作業情況，對礦井的帶壓水害區域探索開采制訂了可行性的安全治理措施及方案。

2.1 水文地質補充勘探

礦井水文地質條件的研究程度薄弱，雖然井田內水源井對奧灰含水層進行過抽水試驗，但是不能真實反映出礦井的奧灰實際情況，據此資料作出的評價具有單一性，須進行水文地質補充勘探，目的是探明奧陶系灰巖含水層，其正是礦井井田影響15號煤層開采的主要含水層。因此，礦井由具有資質的地測部門采用水文地質鉆探、抽水試驗、水化學特征探查、地下水動態觀測進行補充勘探，通過“四位一體”反映出井下具體地質實況，建立奧灰水位觀測系統，在采掘作業中邊推進邊勘探，綜合分析，實時動態掌握奧灰水位。

2.2 工作面布置及要求

礦井開采至今，經過多年開采實踐、現場勘探及研究分析，煤層底板破壞與工作面的長短、巷道開掘斷面、錨桿錨索規格設置、工作面順槽及切眼的布置長度關系較為緊密。工作面布置是水害防治主要的措施之一，經過大量試驗證明，15#煤層的頂底板破壞程度與工作面的布置、采掘順序均有一定的聯系。通過對礦井采掘活動造成的礦山壓力及頂、底板突水試驗、勘查與研究，主要采取以下措施：

1) 設計工作面順槽及切眼長度

根據實際地質情況，在底板隔水層厚度及強度不夠或構造裂隙發育時，為降低礦井突水的風險系數，應考慮大面改小面，縮短回采工作面斜長以減少頂底板破壞程度。經計算，帶壓區內工作面斜長≤148.8 m時，底板突水可能性不大。因此，今后在帶壓區內布置工作面時，應酌情減少工作面巷道斜長長度。

2) 調整采掘工作面布置

采掘工作面布置應盡量避免與斷層帶平行，要降低礦山壓力引起的斷層斷裂帶與周邊剪切疊加后造成的突水幾率。

3) 頂板控制

根據周邊礦井以往開采實踐和現場測定結果，當頂板堅硬不易冒落而形成懸頂跨距過大時，應進行人工放頂，減少懸頂面積，降低初次來壓強度，保證初次來壓步距小于10 m～15 m，最好不大于20 m。

4) 底板注漿加固工作

對有礦井導高大的區域、導水陷落柱、斷裂異常導水帶等、要進行注漿封堵加固，增加隔水層阻抗強度，防治底板突水。

此外，嚴格執行防治水分區，若礦井發生奧灰突水，把水害威脅降至最低。

2.3 掘進巷道防治水措施

掘進工作面嚴格按照探放水規定，采取前方超前探測，并對地質異常區域進行探放水工作，確保掘進安全。

1) 超前探測

礦井帶壓區域巷道掘進中，日常防治水重點是超前探測，前方發現或揭露斷層，且斷層導含水性、位置可能與已有的資料不符，其突水存在不可預知性，采用直流電法、瞬變電磁技術、地質雷達進行掘進頭超前綜合探查，全方位立體式地明確現場構造，為下一步作業提供安全保障。

2) 探放水

帶壓掘進中，嚴格按照《煤礦安全規程》和《煤礦防治水規定》制定的探放水設計和措施組織施工，要求邊探邊掘，遇到水文地質異常地段、斷裂富水帶及老空水立即停止開掘，執行超前鉆探，從左右煤壁、迎頭煤壁及頂底板不同方位不同角度打探查孔及放水孔。

3) 超前注漿封堵

物探和鉆探查明構造存在具體位置及影響范圍實況，遇到斷層、陷落柱、老空等地質薄弱帶，采取超前注漿對煤壁及煤頂板封堵，待形成帷幕且鉆探驗證安全后再進行掘進，確保掘進安全的同時也為下一步順利開采提前進行加固管理。

2.4 工作面防治水措施

1) 綜合物探

綜合分析研究地面物探成果，以井下物探為主，以一種物探方法為主，其他物探為輔，探明采區地質、水文地質條件特征。

采掘過程中要加強井下物探工作，帶壓開采工作面的探測工作應在危險地段如斷層、陷落柱水文異常區等地段加強井下超前探測。常用有效的物探方法有瞬變電磁側向探測、無線電波坑道透視等。

2) 井下探放水

利用綜合物探手段對導水構造的具體位置、形態進行更為準確的探測和導水評價是必不可少的工作，由于物探具有多解性的特點，鉆探驗證不可缺少。各工作面應根據實際情況編制物探異常區超前鉆探設計，鉆探的設計內容應包括：鉆孔布設方案，鉆孔類型、結構、鉆孔參數、終孔層位，鉆探施工、下套管、套管耐壓試驗、施工機械及施工技術要求。

根據我礦井田的情況，對斷層探水后，如果水壓比較大，以留設煤柱為宜；對巖溶陷落柱，應探明其導水性后再采取相應的措施，若陷落柱面積較大則應以留設防水煤柱為主要措施。

2.5 斷層水防治措施

掘進中堅持“預測預報，有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的方針，必須先行超前探查，明確斷層無水后方可掘進。如斷層含水或斷層導致巷道距奧灰較近，必須進行注漿加固，并確定無水害方可通過。

根據以往報告，對位于帶壓區內落差大于10 m斷層的防水煤柱進行了具體計算，見式(1)、式(2)。對落差≥5 m且<10 m的斷層，留設防水煤柱的寬度；對落差<5 m的斷層應在探明其導水性后再確定是否留設防隔水煤柱或注漿加固處理。

(1)

式中：L為防隔水煤柱寬度，m；K為安全系數，一般取2～5；M為煤層厚度或采高，m；P為水頭壓力，MPa；Kp為煤的抗拉強度，MPa。

(2)

式中：Ha為導水裂隙帶至含水層間防水巖柱的厚度，m；Ts為臨界突水系數，MPa/m；α為斷層傾角，(°)；P為水頭壓力，MPa。

按上述公式(1)、式(2)計算，所得結果取較大值為留設的防水煤柱寬度。

根據以上計算公式，本報告對位于帶壓區內落差>10 m的斷層的防水煤柱進行了具體計算(見表1)。對落差≥5 m且<10 m的斷層，礦方可按照以上計算方法自行計算斷層防水煤柱的寬度；對落差<5 m的斷層應在探明其導水性后再確定是否留設防水煤柱或注漿加固。

表1 主要斷層防水煤柱寬度一覽表

2.6 陷落柱水防治措施

目前，在帶壓開采區內只在井田西南部邊界附近發現一陷落柱(DX8)，該陷落柱所處位置對回采影響不大，可采用留設保護煤柱的方法防止突水事故發生。保護煤柱留設方法可參照《煤礦防治水規定》附錄三公式導水斷層防水煤柱的留設方法比照計算。計算公式如式(3)。

(3)

式中，L為防隔水煤柱寬度，m；K為安全系數，一般取2～5；M為煤層厚度或采高，m；P為水頭壓力，MPa；Kp為煤的抗拉強度，MPa。

按公式(3)計算15號煤層中陷落柱保護煤柱寬度，見表2。

表2 陷落柱保護煤柱留設寬度一覽表

3 實踐論證

經過實踐，總結經驗如下：

1) 礦井采煤工藝為一次性采全高，對底板的破壞嚴重。因此，做好常規奧灰水文監測是最基礎的措施，在采掘作業中，工作面、巷道的布置優化對防治水害起決定性作用，采用鉆探、物探、注漿對導水構造和底板薄弱帶的探查與治理，建立強大的排水系統保障安全開采。

2) 在礦井帶壓區域對奧灰水的預防治理及開采措施取得了安全技術成效。

3) 采取措施查清地質構造，對不利的水文地質條件進行探放水、注漿封堵，甚至保留煤柱繞行布置工作面或縮短工作面及順槽，有效地減少礦井涌水量，杜絕水災事故的發生，達到能夠在奧灰水的威脅下進行安全采煤。

4 結語

煤礦奧灰帶壓開采必須全面掌控井下地質條件，做好探放水及礦壓監測動態管理工作，采取有效針對性治理措施，為礦井正常開采創造條件，從而實現安全效益、經濟效益和社會效益最大化。