陽煤二礦15#煤層帶壓開采安全性評價

李 駿

（陽煤集團二礦，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

陽泉煤業(yè)（集團）股份有限公司二礦（以下簡稱二礦）是陽泉煤業(yè)（集團）股份有限公司的主要生產(chǎn)礦井，井田內(nèi)煤層主要分布在二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，石炭系太原組的15#煤層為全井田穩(wěn)定可采煤層，厚度較大，煤層厚5.30～8.90m，平均6.83m。地下水含水層按成因可劃分為四個含水層組。即第四系松散巖類孔隙含水層、二疊系碎屑巖類組成的裂隙含水層組、石炭系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層組、奧陶系中統(tǒng)碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組，其中奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層主要由中厚層狀石灰?guī)r組成，夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r，該含水層主要為上、下馬家溝組，富水性強，埋深從東北部向西南逐漸加深，地下水總的流向為北東-南西。據(jù)井田東部施工的供水水源井，單井出水量為2200～2800m3/d，為中等～極強富水性含水層，是礦井的主要供水水源。奧灰水位標高 460m～600.00m，15#煤層底板標高為380m～780m。在井田中部和西部15#煤層底板標高低于奧陶系巖溶水水位標高，存在帶壓開采的問題。為具體分析15#煤層帶壓開采的可行性，本文以15#煤層15011首采工作面的回采為工程背景，對15#煤層帶壓開采的安全性進行綜合性評價。

2 15011工作面水文探查

陽煤二礦為多個小窯、礦井整合而成，礦井資料經(jīng)多方處理，數(shù)據(jù)的完整性、可靠性無法保證，水文地質(zhì)資料匱乏，為更加準確的掌握15#煤層底板的第一手水文地質(zhì)資料，設(shè)計在15#煤層的15011首采工作面施工水文探查孔，通過探查孔具體探查15#煤層底板的巖性組合特征、隔水性能、涌水情況等，且施工后的鉆孔可進行持續(xù)的水文觀測。15011工作面為帶壓開采工作面，故首先對15011工作面底板下方進行水文探查，若將探查孔施工點布置在回采巷道內(nèi)，鉆孔的施工、現(xiàn)場監(jiān)測過程容易影響工作面的正常生產(chǎn)，通過與礦方、施工方協(xié)調(diào)商議后，設(shè)計將探查孔布置在距15011回風(fēng)順槽與專用回風(fēng)巷交叉點80m的專用回風(fēng)巷內(nèi)，探查孔的施工位置詳見圖1（a）所示。水文探查孔應(yīng)盡量大的揭露含水層段體積，使鉆孔與導(dǎo)水裂隙的接觸面達到最大，從而更加準確的探測底板的隔水性能、含水層的富水性。15#煤層與底板下部峰峰組含水層間隔水層平均厚度約為35.0m，因此探查孔終孔的垂深應(yīng)大于35m，考慮到一定富余，鉆孔垂直深度取38m，鉆孔在水平方向的投影和專用回風(fēng)巷軸向方向垂直，鉆孔向下傾斜41°施工，鉆孔長度58m，探查孔施工的剖面圖如圖1（b）所示。

圖1 15011工作面水文探查孔施工示意圖

本次施工采用ZDY-1200S型鉆機[1]，鉆頭選用Ф113mm、Ф75mm三種金剛石復(fù)合片鉆頭，鉆孔開孔采用直徑113mm的鉆頭鉆進11m，然后放入直徑108mm、長度10m的套管，采用水泥漿進行封孔，之后進行耐壓試驗測試，壓力不低于2.5MPa，持續(xù)時間不小于0.5h，封孔質(zhì)量合格后，采用直徑75mm的鉆頭持續(xù)鉆進44m，最終施工鉆孔長度為55m，垂深36m。統(tǒng)計施工過程中鉆孔的出水情況、進尺等數(shù)據(jù)，整理得到表1所示的數(shù)據(jù)。

根據(jù)水文地質(zhì)鉆孔現(xiàn)場施工情況及表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析總結(jié)可得以下結(jié)論：①涌水情況；探查孔鉆進13.0m后，即鉆進垂直深度為8.5m時開始出水，出水量約為1.2m3/h，安裝水壓表測得壓力為0.7MPa，出水量穩(wěn)定；鉆進至36.0m時（垂深23.5m），出水量增大至 3.5m3/h，水壓 1.1MPa，持續(xù)放水24h后，鉆孔出水量穩(wěn)定在1.5m3/h左右，水壓0.9MPa；之后隨著鉆孔繼續(xù)鉆進，出水量無大的波動，直至鉆孔鉆進52.0m（垂深41.0m），出水量劇增至8.5m3/h，水壓為1.6MPa；綜上可知本溪組砂巖含水層富水性較弱，峰峰組灰?guī)r含水層富水性較強。②隔水性能；由水壓、涌水量兩方面分析考慮，本溪組泥巖及峰峰組上部泥巖、灰?guī)r組合巖層隔水性能良好，根據(jù)探查結(jié)果可認為15#煤層和下部石灰?guī)r含水層存在厚度35.0m的隔水層。③底板柱狀圖；根據(jù)水文探查孔取得的巖心識別、度量，可得到15011底板柱狀圖如圖2所示。綜上可得，本溪組富水性較弱，不具備引發(fā)工作面或采空區(qū)突水的條件，下方峰峰組灰?guī)r含水層富水性較強，具備引發(fā)工作面突水的條件，峰峰組含水層和15#煤層間存在厚度約為35.0m的鋁質(zhì)泥巖、砂巖組合隔水層，隔水性能良好。

表1 鉆孔施工相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖2 15#煤層底板巖性柱狀圖

3 15011工作面底板突水危險性預(yù)測

3.1 底板塑性破壞深度計算

不管采用何種方法進行底板突水危險性的評價，均離不開對工作面采動影響下底板破壞深度的分析，工作面底板破壞深度應(yīng)綜合考慮采動礦壓和承壓水壓力的共同作用下，底板塑性破壞深度疊加計算公式為[2]：

由于采動影響引起的底板破壞深度：

式中：k1為工作面煤壁附近應(yīng)力集中系數(shù)，為2.5；h為15011工作面平均埋深，為450m；γ上覆巖層平均容重，為2.65MN/m3；Cm底板巖層的內(nèi)聚力，為12.78MPa；Φ底板巖層平均內(nèi)摩擦角，為26°；M工作面采高，為5.8m；將以上參數(shù)代入式（2）計算可得采動影響下底板破壞深度為7.8m，帶入式（1）可得15011工作面回采期間底板破壞深度為11.6m。

3.2 突水危險性綜合分析

3.2.1 突水系數(shù)法

采用突水系數(shù)法確定工作面底板突水危險性的公式如下[3]：

式中：Ts為突水系數(shù)，單位：MPa/m；P為工作面與下方含水層間水頭壓差，根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果取1.6MPa；M為有效隔水層厚度，15011工作面與奧灰含水層間巖層總厚為35.0m，破板塑性破壞深度為11.6m，承壓水導(dǎo)升帶高度為4.5m，則M=18.9m，代入式（3）可得突水系數(shù)為0.085MPa/m，通過查閱相關(guān)的研究成果可知[4]，完整底板條件下臨界突水系數(shù)值為0.1MPa/m，1551工作面底板突水系數(shù)小于0.1MPa/m，故可認為1551工作面帶壓開采比較安全。

3.2.2 底板突水極限水壓力分析

工作面回采期間，可將底板簡化為四邊固支的矩形薄板，將整個隔水層劃分為底板采動破壞帶（h1）、完整隔水層帶（h2）、導(dǎo)升帶（h3），如圖 3 所示，底板是否存在突水的可能性，主要取決于有效隔水層厚度及其承載能力，該問題可通過Ritz法求解，最終得到底板有效隔水層帶能承載的極限水頭壓力為[4]：

式中：Lx為薄板的長度，即為工作面長度220m；Ly為薄板寬度，即為工作面周期來壓最大懸頂距，為45m；τ為抗剪強度，為8.5MPa；h2有效隔水層厚度，為 18.9m；γ 為巖石平均容重，為2.65MN/m3；μ為底板巖層破松比，為0.33；H底板隔水層總厚度，為35m；將以上參數(shù)代入式（4）計算可得Ps=5.6MPa，遠大于15#煤層底板奧灰水的水壓，故可知底板無突水危險。

圖3 底板隔水帶力學(xué)模型

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場施工水文地質(zhì)探查鉆孔研究表明，陽煤二礦15011工作面下方本溪組富水性較弱，不具備引發(fā)工作面或采空區(qū)突水的條件，下方峰峰組灰?guī)r含水層富水性較強，水頭壓力約為1.6MPa，隔水層厚度為35m，具備引發(fā)底板突水的條件。進一步理論分析計算表明，15011工作面采動影響下底板破壞深度為11.6m，突水系數(shù)為0.085MPa/m，突水系數(shù)小于0.1MPa/m，極限水壓為5.6MPa，遠大于實際水壓，在完整底板條件下工作面能夠安全的生產(chǎn)。