牛山煤業工作面帶壓開采分析及防治措施

王晉茂

（山西高平科興牛山煤業有限公司，山西 高平048400）

煤礦安全生產主要受瓦斯、水害以及工作面支護效果等方面的影響。其中，煤礦生產的水害威脅主要可以分為三類：工作面地表含水層對煤層開采的威脅、煤層頂板強含水層的威脅以及底板帶壓含水層對煤層開采的威脅[1]。目前，針對前兩種水害威脅的治理工作已初步成熟。而針對底板帶壓含水層對工作面煤層開采的威脅一般采用“深降強排”或“帶壓開采”兩種方式，但對其底板水的防治水處理還缺乏經驗。本文著重對帶壓開采的安全性進行分析，并對防治水工作提出相應的措施。

1 工程概況

本文以山西高平科興牛山煤業有限公司為例開展研究，該礦共有三個可開采煤層，分別為3號、9號和15號。目前，礦井有三個井筒，分別為主斜井、副斜井和回風立井。礦井各個煤層的涌水量和對應排水量如表1所示。

表1 礦井各煤層涌水量及排水能力統計 m3/h

礦井各個煤層的地質、煤層情況具體總結如下：

1）3號煤層的平均厚度為5.71 m，煤層結構相對簡單，屬于穩定可開采煤層，頂板的主要成分為砂巖和砂質泥巖，底板的主要成分為砂質泥巖。

2）9號煤層的平均厚度為1.74 m，煤層頂板主要成分為中粗砂巖，底板主要成分為砂質泥巖，屬于區內穩定的可采煤層。

3）15號煤層的平均厚度為4.29 m，煤層頂板的主要成分為泥巖和石灰巖，底板主要成分為泥巖，屬于全區穩定可采煤層。

2 礦井帶壓開采安全性分析

2.1 奧灰含水層的水文地質特征分析

該組含水層由峰峰組、上馬家溝組和下馬家溝組石灰巖、泥質灰巖、白云巖及薄層泥灰巖等組成。井田內ZK302水文孔揭露本統厚度251.80 m，裂隙、巖溶較為發育，分別揭露峰峰組、上馬家溝組及下馬家溝組含水層，主要含水層位于下馬家溝組中[2]。井田內部施工有1個水文孔，同時工業廣場有水源井資料，具體如表2所示。

表2 奧灰孔資料統計表

3號煤層最低標高為+670 m，9號煤層最低標高為+620 m，15號煤層最低標高為+570 m，3號、9號煤層最低標高高于奧灰水水位，不存在奧灰水帶壓開采問題。15號煤層最低標高低于奧灰水水位，井田西部中間地帶存在奧灰水帶壓開采問題。故本文著重針對15號煤層帶壓開采安全性進行分析。

2.2 15號煤層隔水層性能分析

根據帶壓開采區及周邊施工至奧灰頂界以下鉆孔的數據統計，15號煤層隔水層厚度為15.023 m（ZK202號孔）～4.24 m（牛D號孔）。結合本礦區鉆孔資料綜合分析，15號煤層底板巖性包括鋁土泥巖、泥巖、砂質泥巖等。該組地層阻隔了其上覆與下伏含水層的水力聯系，是良好的隔水層。柔性巖層占主導地位，其次為脆性巖層。無論從厚度上還是巖性上看，該巖柱均具有良好的隔水性能[3]。再結合本礦區鉆孔資料綜合分析，由于褶曲的存在，區內隔水巖柱的空間分布形態在厚度上一般為不均勻分布，厚度變化較大，從隔水層等厚線圖可看出，15號煤層帶壓開采區隔水層厚度從四周往中間逐步變薄，隔水層厚度相差5.76 m。

2.3 15號煤層突水系數的計算

按《煤礦防治水細則》附錄五的公式，計算井田奧灰帶壓開采區15號煤層底板突水系數公式如式（1）所示：

式中：T為突水系數，MPa/m；P為隔水層底板承受的水壓，MPa，P=0.099～0.473 MPa；M為底板隔水巖柱厚度，m，M=4.24～15.02 m。

經計算可得：15號煤層突水系數在0.011～0.065MPa/m之間。

結合從15號煤層底板突水系數等值線圖（如圖1所示）可以看出突水系數從帶壓區周邊往帶壓區中間由低到高呈遞增趨勢，其中G鉆孔處突水系數較大，為0.065 MPa/m。

圖1 15號煤層底板突水系數等值線

2.4 安全性分析

2.4.1 掘進工作面的安全性分析

根據《煤礦防治水細則》附錄五掘進工作面底板隔水層安全水頭壓力值的計算公式如式（2）所示。

式中：t為安全隔水層厚度；L為巷道底板寬度，取L=7m；Kp為底板隔水層的平均抗拉強度，取Kp=1.02MPa；P為底板隔水層承受的水頭壓力，取P=7.26 MPa。

經計算可得：15號煤層的安全隔水層厚度為：3.11 m，而礦井帶壓區的最小隔水層厚度4.24 m，因此工作面掘進不會受到底板奧灰水的威脅。

2.4.2 采煤工作面的安全性分析

按《煤礦防治水細則》附錄四的公式，計算井田奧灰帶壓開采區15號煤層采煤工作面底板隔水層安全水頭值，計算公式如式（3）所示。

式中：M為底板隔水層隔水層厚度，取M=4.24～9.47m；Ts為臨界突水系數，取Ts=0.1 MPa/m；Ps為底板隔水層安全水頭壓力，MPa。

計算結果如表3所示。

表3 采煤工作面底板隔水層安全水頭值計算表

如表3所示，不同隔水巖柱厚度對應的實際水頭壓力值均小于安全水頭值，即說明在正常情況下采煤工作面不會受到底板奧灰水的威脅。

3 工作面帶壓開采防治措施研究

牛山煤業具備帶壓開采的條件，但在實際掘進和開采過程中由于對隱伏導水構造探查不清的問題，可能存在奧灰突水的現象[4]。因此，需加強對隱伏導水構造的探查和治理，根據牛山煤業的實際生產情況，從探查、預防以及治理三方面開采帶壓開采的防治水工作，具體措施如下：

1）采用物探、鉆探以及化探等手段實現對煤層底板巖層水文地質特征進行探查，并著重對距離帶壓區較近的X1、X2陷落柱進行專項探查。

2）因本礦井15號煤層開采時隱伏斷層、陷落柱是奧灰突水的重要通道。因此，必須對導水斷層留設防水煤柱。

3）本礦井陷落柱不太發育，15號煤層帶壓區沒有發現陷落柱，但帶壓區東邊有兩個陷落柱距離帶壓區較近，為防止陷落柱突水事故，確保礦井安全生產，必要時對導水陷落柱必須留設防水煤柱[5]。

此外，還需為牛山煤業建立全套的防排水系統、突水水源快速判別系統以及水害應急措救援措施和應急預案。

4 結論

牛山煤業井田西部中部的15號煤層奧灰水帶壓開采區全部為安全區，且為保證實際掘進或開采的安全性，從探查、預防以及治理三個方面提出防治水措施：

1）15號煤層的安全隔水層厚度為3.11 m，而礦井帶壓區的最小隔水層厚度4.24 m，因此工作面掘進不會受到底板奧灰水的威脅。

2）不同隔水巖柱厚度對應的實際水頭壓力值均小于安全水頭值，即說明在正常情況下采煤工作面不會受到底板奧灰水的威脅。

3）需對X1、X2陷落柱進行專項探查，并為導水斷層和陷落柱分別設防水煤柱。