寺河礦5310工作面底板突水危險性評價

蔡王飛

(晉煤集團 寺河礦，山西 晉城 048200)

煤礦生產中突水會造成大量人員傷亡、財產損失，破壞力極強，易發生于帶壓開采面，在承壓水壓力與采掘礦壓相互作用下，原巖應力的平衡狀態發生變化，最終在局部應力集中區域產生應變釋放能量，產生構造變化，導致底板導水裂隙的產生，進而導致事故的發生。近幾年國內外學者對其進行了大量研究，其中“關鍵層理論”提出了在無地質構造前提下，煤礦突水事故常發生在工作面上下出口[1]；“下三帶理論”對各個帶區進行了劃分，得出承壓水導升帶是底板突水帶區中的關鍵[2]；“薄板結構理論”中認為底板隔水帶越穩定，底板突水危險性越小[3]。本文采用理論計算以及綜合物探技術對寺河煤礦5310工作面底板突水情況進行了分析，并對工作面底板突水危險性程度進行了評估。

1 工程背景

寺河煤礦位于山西省晉城市偏西北，隸屬于晉城煤業集團，井田煤層分成二個煤組進行開拓，3號煤層為一組、9號、15號煤層為一組，井田區域劃分為東西兩井區，東區為生產區域，采用斜井開拓，構造復雜程度為中等，東區共6個盤區，盤區面積為6.25 km2，其中東五盤區5310工作面走向長1 775.7 m，傾斜長296.2 m，整體西高東低，中部發育寬緩背向斜，傾角在-4～10°，工作面開采的3號煤層為穩定煤層，平均厚度6.08 m。根據相關地質資料得知，5310工作面底板標高為+302～+340 m，奧灰水位標高為+500 m左右，高出3號煤層底板160～198 m，為了確保工作面回采不受到奧灰水的影響，對工作面進行物探是很必要的。

2 水壓及突水系數的計算

2.1 水壓計算

根據地質資料，井田(東區)淺埋區奧灰水位標高為487.80～536.54 m，其中YS-4孔奧灰水位標高為515.41～538.70 m，已知奧灰水位標高比3號煤層底板標高多出160～198 m，可以得知5310工作面各區域存在奧灰水壓，為了確定水壓大小，利用公式(1)對工作面各區域進行計算。

P=(H-X+L)×0.01

(1)

式中：H為奧灰最高水位，m；X為3號煤層底板標高，m；L為3號煤層底板至奧灰層位的距離，m。

近幾年奧灰水位線最高水位538.70 m，分別選取5310工作面不同位置鉆孔，得到其地板特性，運用公式(1)計算得到5310工作面水壓分布情況，見表1。

表1 5310工作面水壓分布情況

由表1可以看出，水壓范圍在3.69～4.08 MPa之間，最大為4.08 MPa，已知本工作面臨界水壓為6 MPa，所以水壓在正常范圍內，不足以產生導水裂隙。

2.2 突水系數計算

結合礦井實際開采資料，采用突水系數法對5310工作面開采時底板破壞類型(非斷層型)突水危險性進行評價，利用公式(2)計算底板突水系數。

T=P/M

(2)

式中：P為水壓，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

5310工作面水壓已經得知，根據礦井相關資料得知3號煤層底板隔水層厚度最低為100 m，利用公式(2)可以求得突水系數，見表2。

表2 5310工作面突水系數

由表2得知，5310工作面突水系數為0.036 9～0.040 8 MPa/m，小于臨界突水系數0.06 MPa/m，從數值上看底板突水危險性較低，為帶壓開采，容易在斷層及陷落柱附近產生導水裂隙，在采掘過程中容易引發突水，為此工作面必須探查有無導水斷層、導水陷落柱等導水通道。

3 瞬變電磁法及坑透探測

3.1 瞬變電磁法原理及布置方案

礦井瞬變電磁法是煤礦物探的常用手段，不受地形影響，它是通過電子線圈向需要探測的位置發射波形電流[4]，利用不同巖層之間的電性差異，會在各個巖石層位間產生電位差，從而產生感應電流，當突然斷電后，原先形成的渦流場會釋放能量恢復原先特性，從而得出不同巖層間的電阻率，并進一步得出地下巖層結構。

本文采用瞬變電磁法對5310工作面運輸巷和回風巷進行了探測，主要為了確定工作面內部有無地質構造及富水性，布置方案為在5310工作面回風巷(53101巷)和進風巷(53103巷)進行探測，探測儀器使用飛翼YCS111礦用本安型瞬變電磁儀，分成兩組分別從兩巷道切眼開始施工頂板45°、順層0°、底板45°測線。探測時53101巷先進行施工，200 m后53103巷開始施工，共布置6條測線，測線長度1 800 m，每隔20 m布置一個測點，測線角度分別為頂板45°、順層0°、底板45°，布置方案如圖1所示，探測期間得到的數據經過處理后得出了電阻率斷面如圖2及圖3所示。

圖1 布置方案

圖2 53101巷處探測結果

圖3 53103巷處探測結果

從圖2可以看出，電阻率分布在0～55 Ω·m，縱向分布上電阻率均無明顯異常，在0～200 m范圍內，整體上電阻率都分布在30～55 Ω·m，在240～540 m之間，縱向分布電阻率較低，但也都穩定在10～22 Ω·m之間，不能表明在此階段存在富水區，在540～1 800 m之間，分布上電阻率都較高，無明顯低阻異常區。從圖3可以看出，電阻分布同樣在0～55 Ω·m之間，與53101巷對比可以發現整體上靠近進風巷一側工作面區域內電阻率較低，但觀察0～1 800 m測點之間，電阻總體呈現在6～22 Ω·m之間，在0～200 m、700～900 m、1 200～1 400 m、1 500～1 800 m之間電阻都呈現出逐漸增加的態勢，可以表明工作面內無明顯低阻異常區域。綜上所述，在5310工作面內存在富水區的可能性較低。

3.2 探放水定向鉆孔

為了確保物探準確性，對工作面內部的構造情況進行了進一步探查。根據煤礦現有技術條件采用千米定向鉆機對53101巷進行鉆探，目的是為了對工作面3號煤層的含水性及可能存在的隱伏構造的含、導水性進行探測。鉆孔在工作面圈定過程中逐步向采面施工，待采面圈定后進行物探，對物探異常區進行千米鉆孔軌跡分析。本次探測共施工千米鉆孔65個，分為5組，各組鉆孔開孔方位角為0～80°不等，孔深在345～550 m，鉆孔平均長度為475 m，開孔間距均為0.5 m，開孔順序由西往東依次施工。

工作面經千米定向鉆孔覆蓋，施工過程中未見異常出水，涌水量為10 m3/h，最大涌水量為30 m3/h。綜合分析認為工作面內部不存在導水斷層、導水陷落柱等導水通道，且煤層頂、底板的富水性較弱。經千米定向鉆孔軌跡分析未發現明顯導水異常。

3.3 后續預防措施

工作面回采過程中地測科定期觀測、收集工作面現場資料，發現異常出水或其它地質異常情況，要及時分析、處理，采取相應的安全技術措施。工作面回采過程中隊組每班應有專人監測工作面、兩側巷道及采空區頂、底板出水情況，發現異常要及時向地測科及相關單位匯報。工作面53101巷及53103巷內備排水能力不小于30 m3/h的排水泵，一開一備，并接好排水管路，保證能及時排出工作面及巷道內積水。

4 結 語

1) 通過理論計算得出5310工作面水壓分布在3.69～4.08 MPa之間，小于臨界水壓6 MPa；突水系數最大為0.040 8 MPa/m ，小于0.06 MPa/m(突水系數臨界值)。

2) 經瞬變電磁探測以及鉆探驗證無導水斷層、導水陷落柱等導水通道，綜合分析，認為5310工作面在奧灰承壓水帶壓開采安全區，可以正常回采。