工作面帶壓開采安全評價及防治水技術實踐

弓遠程

（太原煤炭氣化（集團）有限責任公司，山西 太原 030026）

煤炭開采多數為井工開采，隨著開采深度的不斷延伸，煤礦水害逐漸成為影響安全開采的重要因素之一，其危害程度僅次于瓦斯危害［1］。許多地方煤礦煤層開采受奧灰水影響，在開采過程中，一旦發生突水，可能帶來災難性后果。因此，針對奧灰水帶壓開采受隱伏構造導水問題所采取的煤礦防治水安全評價和安全技術措施已成為煤礦防治水工作重點［2-3］。

1 工程概況

1.1 可采煤層概況

榮康煤業位于洪洞縣劉家垣鎮嶺南村至上樹垣村一帶，是2006年資源整合的單獨保留礦井，地理位置為呂梁山南段東側，汾河西岸?？刹?-11號煤層，生產規模900 kt/a，煤系地層為石炭系上統太原組。現可采煤層為9號、10號、11號煤層。9號煤層厚度0.82～1.30 m，平均1.06 m，不含夾矸，結構簡單。頂板巖性以石灰巖為主，底板巖性以泥巖為主，為全區可采的穩定煤層。10號煤層上距9號煤層間距為1.03～3.97 m，平均1.89 m，煤層厚度1.65～2.80 m，平均2.26 m，結構較簡單。厚度變化不大，頂板巖性以泥巖為主，底板巖性以粉砂巖為主，為全區可采的穩定煤層。9號煤層和10號煤層距離較近，按同一煤層9+10號煤層考慮。11號煤層厚度1.65～3.23 m，平均2.44 m，結構較簡單。頂板巖性為炭質泥巖或泥巖，底板巖性為石英砂巖或泥巖，為全區可采的穩定煤層?？刹擅簩拥貙又鶢顖D，見圖1。

圖1 地層柱狀圖

1.2 奧陶系巖溶裂隙含水層

根據礦井地質資料，奧陶系峰峰組厚度101.40～105.30 m，上距11號煤層底板0～305 m?；規r巖溶裂隙含水層單位涌水量為0.0545～5.799 L/s·m，為弱-強富水性含水層，水位標高為+515～+540 m，9+10號煤層底板標高為+245.0～+525.0 m，11號煤層底板標高為+235.0～+515 m，9+10、11號煤層底板標高基本低于奧灰水水位標高，屬于帶壓開采.礦井在構造發育地段開采時有突水的可能，需對帶壓開采煤層進行安全評價，并開展防治水安全技術措施研究。

2 帶壓開采安全性評價

2.1 煤層底板隔水巖柱特征

（1）隔水巖柱的厚度

9+10、11號煤層底板隔水層厚度分別至峰峰組灰巖頂面之間的巖層，由泥巖及砂巖組成，裂隙不發育，完整性較好，該隔水層阻斷了奧陶系峰峰組灰巖含水層與太原組灰巖巖溶裂縫含水層的聯系。

據本井田及其周邊地質鉆孔資料可知：

井田及其附近9+10號煤層底板隔水層厚度為32.25～54.72 m之間，9+10號煤層底板與奧灰峰峰組（O2f）頂界之間隔水層在井田南部較厚，北部較薄。最厚點位于井田東南角邊界附近87號孔附近，厚度為54.72 m；最薄點位于井田中東部邊界副井檢孔附近，厚度為32.25 m。

井田及附近11 號煤層底板隔水層厚度為21.32～44.57 m之間，11號煤層底板與奧灰峰峰組（O2f）頂界地層，南部較厚，北部較薄。最厚點位于井田東南角邊界87號孔附近，厚度為44.57 m；最薄點位于井田中東部邊界副井檢孔附近，厚度為21.32 m。

（2）隔水巖柱的空間分布及其組合關系

井田及附近11號煤層底板至奧陶系中統峰峰組灰巖頂界之間地層厚度平均為31.72 m；井田內隔水巖層平均累計厚度28.63 m左右，占據總隔水層厚度的90%，主要以泥巖和粉砂巖為主，均可以作為隔水層，具有良好的隔水能力。

（3）隔水層工程地質特征

11號煤層頂板多為泥巖、砂質泥巖和粉砂巖；底板多為泥巖、砂質泥巖、鋁土質泥巖和粉砂巖。11號煤層頂板泥巖抗壓強度26.80～73.60 MPa，平均50.10 MPa，為軟弱-堅硬巖石為主；抗切強度4.44～7.79 MPa，平均5.82 MPa；抗拉強度3.26～3.81 MPa，平均3.58 MPa。

底板泥巖抗壓強度18.0～22.0 MPa，平均20.0 MPa，為軟弱巖石；抗拉強度1.41～2.26 MPa，平均1.88 MPa；抗切強度4.00～5.33 MPa，平均4.75 MPa。由于11號煤層底板巖石強度為軟弱，遇水易泥化，在一定條件下（頂面來壓），易發生底鼓現象，但隔水性能較好。

2.2 礦山壓力對底板破壞分析

底板突水是由采動礦壓和底板承壓水的共同作用而產生的。由于掘進和工作面采動，原有地應力平衡遭破壞，地應力重新分布，在地應力重新達到平衡時，必然有應變能釋放，使巖體結構發生變化。

采動裂隙是構成底板承壓水進入礦井的主要通道之一。底板是否突水，除取決于煤層底板隔水層厚度外，還與底板破壞深度有關。破壞深度影響因素主要為煤層底板的巖石類型、力學性質、煤層厚度及礦山壓力大小。在隔水層厚度、巖性特征與巖石力學性質一定的情況下，工作面斜長與底板破壞帶深度基本成正比。煤層開采產生的底板擾動破壞裂隙與下覆含水層之間的聯系見圖2。

圖2 采動裂隙與下覆含水層之間聯系

現對煤層底板導水破壞帶深度（Cp）作具體分析

根據經驗公式［4-5］，考慮采深、傾角和工作面斜長，則可用下述統計公式計算煤層底板破壞深度：

Cp=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

式中：Cp為底板破壞帶深度，m；H為開采深度，m；L為工作面斜長，m，取200 m；α為煤層傾角，°，取8°。

計算可得，井田內開采9+10及11號煤層的底板擾動破壞深度分別為20.4～22.1 m和20.5～22.2 m，有效隔水層厚度分別為11.2～34.3 m和0.1～24.1 m?？芍诘装甯羲畬油暾囟?，下組煤對奧陶系峰峰組含水層具有有效的隔水作用。

2.3 奧灰帶壓開采“突水系數法”評價

按照《煤礦防治水細則》中附錄五公式（式5-4-1）計算突水系數，并評價奧灰水對下組煤的突水危險性。

（1）突水系數計算公式

T=P/M

式中：M為底板隔水層厚度，m；P為隔水層承受的水壓，MPa；T為突水系數，MPa/m。

（2）帶壓開采安全性分區標準

依據《煤礦防治水細則》，確定以下帶壓開采分區標準：

非突水危險區：承壓水位以上區域

突水威脅區：T＜0.06 MPa/m

突水危險區：T≥0.06 MPa/m

（3）下組煤層底部奧灰水突水危險性評價

①9+10號煤層帶壓開采突水評價

經計算，井田范圍內9+10號煤層底板承受奧灰水水頭壓力為0.558～3.195 MPa之間，見圖3；突水系數（T）為0.015～0.069 MPa/m之間，見圖4。

圖3 9+10號煤層底板承受水頭壓力等值線

圖4 9+10號煤層帶壓開采評價分區

②11號煤層帶壓開采突水評價

經計算，井田內,11號煤層底板承受奧灰水水頭壓力為0.558～3.195 MPa之間，突水系數（T）為0.021～0.091 MPa/m之間。

井田范圍內全部帶壓開采，大部分處在突水威脅區（井田南部）、有一部分處在突水危險區（南區北部），見圖5。突水危險區與井田中部下團柏正斷層相鄰，未來開采在進入突水危險區時，必須做好防探水工作，留設足夠保安煤（巖）柱，以確保安全。

圖5 11號煤層帶壓開采評價分區

3 帶壓開采防治水技術

3.1 斷層防隔水煤（巖）柱的留設

承壓水由斷層或斷層一側的強含水層直接突破煤層而進入采區。據《煤礦防治水細則》，其有效防治措施為：在緊靠斷層上盤一側留設防隔水煤柱，見圖6。

圖6 含水或導水斷層防隔水煤（巖）柱留設

其計算公式如下：

式中：L為煤柱留設的寬度，m；M為煤層厚度或采高，m；KP為煤層抗拉強度，MPa；P為作用于煤柱的水頭壓力，MPa；K為安全系數，一般取2～5。本次計算安全系數取5。

9+10號煤層平均厚度4.87 m（包括兩煤層間泥巖），11號煤層平均厚度2.38；作用于煤柱的水頭壓力P值井田內平均值為1.505 MPa，最大為3.195；煤的抗拉強度(Kp)，取0.30 MPa。

分別采用9+10號煤層隔水層底板所受水壓的均值及最大值，斷層防隔水煤柱留設寬度為47 m和69 m。斷距小于30 m的斷層防隔水煤柱，采用47 m；斷距超過30 m的斷層防隔水煤柱，采用69 m。

分別采用11號煤層隔水層底板所受水壓的均值及最大值，斷層防隔水煤柱留設寬度為23 m和33 m。考慮到9+10號煤層距離11號煤層較近，在11號煤層開采時，防隔水煤柱的留設參考9+10號煤層。

3.2 底板注漿加固及改造

井田南區11 號煤層下距奧灰界面21.32 ～44.57 m之間，在煤層開采底板擾動裂隙形成后，有效隔水層厚度在0.1～24.1 m之間，給下組煤層底板奧灰水帶壓開采帶來較大的隱患。

（1）含水層注漿改造

為了防止奧陶系灰巖巖溶裂隙水突入礦井，在探查工程完成后，考慮薄層灰巖含水層與奧陶系灰巖含水層可能連通，可對薄層灰巖進行注漿，將含水層變為隔水層，以提高對奧陶系灰巖水的阻擋能力。

（2）隔水層注漿加固

在工作面回采前，將已探明的隔水層破碎帶進行注漿，保證隔水層的連續性和完整性，提高防突水能力。

4 結語

鑒于榮康煤業9+10號煤層、11號煤層底板位于奧灰水水位之下，帶壓開采存在突水危險的情況。本文分析了兩組煤層底板隔水巖層特征及存在的突水因素，采用奧灰帶壓開采“突水系數法”通過理論計算，對9+10號煤層、11號煤層突水情況進行了安全評價：大部分處在突水威脅區、有一部分處在突水危險區，未來開采在進入突水危險區時，必須做好防、探水工作，留設足夠保安煤（巖）柱，確保安全；最后通過理論計算確定了針對不同性質斷層，留設煤柱的寬度要求及底板注漿加固等一系列防治水安全技術措施。