帶壓開采煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及防治措施

琚 翔

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

近年來，我國煤礦水害問題日趨嚴(yán)重，給人民生命財(cái)產(chǎn)及國家經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失，引起了全社會(huì)的廣泛關(guān)注[1]。我國華北型煤田大部分礦井已經(jīng)開采石炭系下部煤層，煤層距奧陶系石灰?guī)r近，巖層溶水較發(fā)育，含水層水頭壓力大，在煤層開采時(shí)易引發(fā)底板突水事故。經(jīng)坊礦煤層屬于帶壓開采，為了保證帶壓開采的安全性，需分析底板突水的影響因素，對(duì)礦井進(jìn)行突水危險(xiǎn)性評(píng)估。通過對(duì)煤層進(jìn)行突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，判斷煤層開采受底板突水的威脅程度。依據(jù)突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)成果制定合理的防治水方案，選擇正確的防治水措施，并應(yīng)用于工程實(shí)踐。

1 工程概況

經(jīng)坊井田位于長治市上黨區(qū)韓店鎮(zhèn)境內(nèi)，面積30.72 km2，開采標(biāo)高+840～ +390 m，礦井采用斜井+豎井聯(lián)合開拓，采用走向長壁后退式綜放采煤法，采掘平面圖見圖2。井田內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，其中山西組3號(hào)煤層和太原組8-2、9、14、15號(hào)煤層為可采煤層或局部可采煤層，其余均屬不可采煤層。3號(hào)煤層位于山西組中下部，煤層厚度3.27～7.95 m，平均厚度6.02 m。3層煤地質(zhì)柱狀圖見圖1。3號(hào)煤層為礦井主采煤層，賦存于石炭系太原組地層中，煤層距離下部主要含水層為奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，屬強(qiáng)富水性含水層。井田內(nèi)各含水層之間存在隔水層，一定程度上能阻隔各含水層之間的水力聯(lián)系，起到良好的隔水作用。

圖1 3號(hào)煤層巖層柱狀圖

圖2 采掘平面圖

2 底板突水影響因素分析

（1）含水層富水性

奧陶系石灰?guī)r為含水豐富的高承壓含水層，其富水性是決定底板突水的水量大小和突水點(diǎn)是否能持涌水的基本條件。

（2）隔水層

隔水層能夠有效阻隔水，其阻水能力取決于隔水層的厚度、隔水層巖體的巖性等，且隔水層厚度越大，隔水效果越好。

（3）含水層承壓水水壓

一定隔水層厚度條件下，水壓較小時(shí)發(fā)生底板突水事故的可能性較小，只有足夠的水頭壓力才能引發(fā)突水事故。

（4）地質(zhì)構(gòu)造

斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造由于裂隙發(fā)育，是良好的導(dǎo)水通道，其對(duì)底板突水的影響是多方面的[3-4]：

① 水源對(duì)斷層、陷落柱巖石存在浸泡崩解作用，使巖石處于飽和水狀態(tài)，強(qiáng)度降低，并使其產(chǎn)生有利導(dǎo)升的突水通道。

② 工作面回采后采空區(qū)范圍內(nèi)的底板巖層應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致承壓水滲入原為閉合的斷層面內(nèi)，使承壓水進(jìn)一步向上導(dǎo)升。

③ 地質(zhì)構(gòu)造的作用往往會(huì)導(dǎo)致隔水層內(nèi)產(chǎn)生裂隙，削弱底板隔水層的隔水能力。

④ 斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造相互作用、連通，導(dǎo)致底板含水層影響范圍擴(kuò)大，并進(jìn)一步破壞底板巖層的完整性。

⑤ 地質(zhì)構(gòu)造因工作面開采的采動(dòng)影響而進(jìn)一步活化，使底板隔水層裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，增加底板突水的可能性。

（5）煤層開采

工作面回采導(dǎo)致底板上覆巖層的應(yīng)力將發(fā)生改變，底板的擾動(dòng)破壞深度加大，裂隙將會(huì)進(jìn)一步發(fā)育，增加了突水風(fēng)險(xiǎn)。

3 底板突水評(píng)價(jià)分析

底板突水的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是保障帶壓安全開采的關(guān)鍵，本文采用突水系數(shù)計(jì)算公式來評(píng)價(jià)3號(hào)煤層的突水危險(xiǎn)性。

突水系數(shù)計(jì)算公式簡(jiǎn)述如下：

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；P為隔水層承受的水壓，MPa；M為底板隔水層的厚度，m；Cp為采動(dòng)對(duì)底板的擾動(dòng)深度，m。

3.1 突水系數(shù)計(jì)算相關(guān)參數(shù)選取

（1）底板隔水層厚度M

式中：H煤為煤層底板標(biāo)高，m，h為奧灰頂面標(biāo)高，m。

（2）底板隔水層承受的水頭壓力P

對(duì)煤層開采有底板突水危險(xiǎn)的水源主要來自太灰和奧灰?guī)r溶水。在確定水頭壓力時(shí)，采用奧陶系巖溶水的水位標(biāo)高減去相應(yīng)的奧陶系頂面標(biāo)高值作為煤層底板承受的奧灰水壓力，太灰水位標(biāo)高減去K2頂面標(biāo)高值作為煤層底板承受的太灰水壓力。公式如下：

式中：H為奧灰?guī)r溶水位標(biāo)高，m；h為奧灰頂面標(biāo)高，m。

（3）底板采動(dòng)破壞帶深度值Cp

采動(dòng)底板破壞最大深度的計(jì)算如圖3，采用土力學(xué)中地基的計(jì)算方法得到底板最大破壞深度為：

圖3 采動(dòng)影響底板破壞深度示意圖

3.2 煤層底板突水分析

通過上述計(jì)算方法得到突水系數(shù)成果見表1。

表1 3號(hào)煤層突水系數(shù)計(jì)算成果表

從中可以發(fā)現(xiàn)3號(hào)煤層奧灰水突水系數(shù)在0.015～0.027 MPa/m之間，3號(hào)煤層太灰水突水系數(shù)在0.018～0.032 MPa/m之間。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》中的規(guī)定：底板受構(gòu)造破壞的地段突水系數(shù)一般不得大于0.06 MPa/m，隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞的地段不得大于0.1 MPa/m，3號(hào)煤層帶壓區(qū)突水系數(shù)均小于0.06 MPa/m，屬于相對(duì)安全區(qū)。但由于該井田西北部巖溶陷落柱較發(fā)育，其成為導(dǎo)致底板突水的主要原因。

根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在隔水層厚度、采動(dòng)破壞深度、含水層水位標(biāo)高一定時(shí)候，3號(hào)煤層突水系數(shù)主要取決于巖溶水水壓，兩者的關(guān)系如圖4。

圖4 巖溶水水壓對(duì)底板突水系數(shù)的影響

4 帶壓開采底板突水防治措施

3號(hào)煤層為相對(duì)安全區(qū)，但依然存在突水的可能，且井田西北部巖溶陷落柱較發(fā)育，因此需要加強(qiáng)隱伏陷落柱的探測(cè)，對(duì)已揭露的陷落柱應(yīng)留設(shè)足夠的防隔水煤柱，隨時(shí)觀察井下水量變化情況。3號(hào)煤層需在加強(qiáng)防治水工作的情況下進(jìn)行帶壓開采。因此制定了如下防治措施：

（1）為了防止因斷層而發(fā)生突水事故，必須在查明其地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，留設(shè)合理的斷層防水煤柱。

（2）通過控制工作面的開采長度，采用小條帶開采或連續(xù)開采方法，降低底板采動(dòng)破壞深度，降低底板突水危險(xiǎn)性，另一方面也可以減弱采動(dòng)對(duì)斷層的影響。

（3）加強(qiáng)水文地質(zhì)基礎(chǔ)調(diào)查工作，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水裂隙及隱伏構(gòu)造導(dǎo)水通道，及時(shí)處理。

（4）建立地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)地下水進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)、水害預(yù)報(bào)。

（5）掘進(jìn)工作面時(shí)，通過超前探查的方式初步查明掘進(jìn)工作面前方與底板承壓含水層水文地質(zhì)條件及構(gòu)造分布情況，作為掘進(jìn)工作面設(shè)計(jì)安全參考依據(jù)資料。利用探放水鉆孔，查明回采工作面內(nèi)有無底板承壓含水層導(dǎo)水構(gòu)造，作為回采工作面安全參考依據(jù)資料。工作面回采前，需要查明回采工作面底板承壓含水層水文地質(zhì)條件，對(duì)異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，確保工作面安全回采。

（6）疏水降壓或疏干有害含水層，留設(shè)各種防水煤柱隔阻有害水源；注漿堵住水口，或加固裂隙帶，充填改造含水層，加固底板。

（7）建立健全排水系統(tǒng)，加強(qiáng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，加強(qiáng)管理，提高責(zé)任意識(shí)。將防治措施應(yīng)用于工程實(shí)踐，在工作面回采過程中未發(fā)生突水事故，且礦井涌水量在安全范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

（1）明晰了底板突水的影響因素以及各因素的作用機(jī)制。通過計(jì)算3號(hào)煤層分別受奧灰?guī)r與太灰?guī)r含水層作用下的突水系數(shù)，得到3號(hào)煤層為相對(duì)穩(wěn)定區(qū)，突水可能性小的結(jié)論，并驗(yàn)證了巖溶水水壓與突水系數(shù)成正相關(guān)。

（2）制定了底板突水的防治措施：留設(shè)防水煤柱、減小工作面長度、防探結(jié)合和加強(qiáng)管理。回采過程中有效地防治了底板突水，保證了礦井的安全、高效生產(chǎn)。