坪上煤礦15號(hào)煤層帶壓開(kāi)采安全性評(píng)價(jià)及治理

張慕宇

（晉煤集團(tuán)坪上煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048203）

煤炭資源在開(kāi)采過(guò)程中由于受到周邊水資源的威脅，如果缺乏妥善的治理措施則會(huì)有發(fā)生礦井水害事故的可能。分析研究發(fā)現(xiàn)，引起礦井水災(zāi)的因素十分復(fù)雜。行業(yè)專(zhuān)家根據(jù)對(duì)突水機(jī)理的研究，對(duì)礦井水災(zāi)的主要致因元素進(jìn)行了定量的標(biāo)準(zhǔn)表征[1]。并在煤層底板的標(biāo)高低于奧灰水位的標(biāo)高時(shí)，提出了帶壓開(kāi)采的技術(shù)工藝。帶壓開(kāi)采屬于特殊開(kāi)采技術(shù)，是解決煤層底板隔水層承受壓的有效方法，在不降低或少降低含水層水頭壓力的情況下如何確保安全采煤是帶壓開(kāi)采技術(shù)的重點(diǎn)。

帶壓開(kāi)采技術(shù)同樣適用于地質(zhì)條件復(fù)雜、煤層賦水豐富的礦井，但在確定實(shí)施帶壓開(kāi)采之前，需要對(duì)煤層帶壓開(kāi)采的條件進(jìn)行判斷和分析。目前，我國(guó)最常見(jiàn)的帶壓開(kāi)采工作面安全性評(píng)價(jià)方法包括突水系數(shù)法、脆弱性指數(shù)法和突水概率指數(shù)法等，其中應(yīng)用最廣泛的方法為突水系數(shù)法，即通過(guò)對(duì)煤層突水系數(shù)的計(jì)算判斷[2]。

1 15號(hào)煤層概況

坪上煤礦位于山西六大煤田之一的沁水煤田南部，15號(hào)煤層底板標(biāo)高僅為230m左右，遠(yuǎn)低于500m的奧灰水位標(biāo)高。礦井由東南至西北奧灰含水層埋深逐漸變大，巖溶水徑流條件變差。同時(shí)井田北部由于寺頭斷層的存在，形成巖溶水的阻水邊界，因此需要進(jìn)行帶壓開(kāi)采。在此之前，筆者將對(duì)15號(hào)煤層的帶壓開(kāi)采的難點(diǎn)與安全性進(jìn)行重點(diǎn)論述。

1.1 15號(hào)煤層開(kāi)采頂板充水水源

1.1.1 頂板充水水源

直接充水水源方面：15號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度達(dá)到63.7m，該位置可以溝通石炭系砂巖，因此判斷頂板直接充水水源為太原組K5灰?guī)r。當(dāng)開(kāi)采后，主要以釋放含水層靜儲(chǔ)量為主，正常地段涌水量有限，容易控制。

間接充水水源方面：超過(guò)導(dǎo)水裂縫帶高度的含水層是15號(hào)煤層的間接水源，該區(qū)域主要包括二疊系砂巖裂隙含水層、第四系松散層含水層及地表水。由于此含水層總體富水性差，并距15號(hào)煤層距離較遠(yuǎn)，總體影響不大，僅構(gòu)造部位受采動(dòng)影響時(shí)有對(duì)煤層充水的可能。

1.1.2 底板充水水源

15號(hào)煤層全區(qū)的底板標(biāo)高低于奧陶系中統(tǒng)巖溶水水位標(biāo)高，即全煤層屬與帶壓開(kāi)采礦床。雖然與15號(hào)煤層底部之間的隔水層厚度僅25m 左右，甚至在部分區(qū)域剛過(guò)10m，隔水底板承受的水壓力水大，但富水性弱，補(bǔ)給條件差，對(duì)礦井15號(hào)煤層開(kāi)采威脅有限，僅在斷裂構(gòu)造發(fā)育區(qū)段存在充水的可能。

1.1.3 采空區(qū)積水

坪上煤礦為新建礦井，井田內(nèi)煤層埋藏深，周邊并無(wú)老廢礦井，并且在已開(kāi)采的3號(hào)煤層也無(wú)積水存在。根據(jù)對(duì)導(dǎo)水裂縫帶的計(jì)算分析，在15號(hào)煤層開(kāi)采后，形成的導(dǎo)水裂縫帶高度依然沒(méi)有發(fā)育到3號(hào)煤底板，因此采空區(qū)積水對(duì)防治水的影響有限。

1.2 15號(hào)煤層地質(zhì)條件對(duì)防治水的影響

1.2.1 斷層、陷落柱

根據(jù)坪上煤礦地質(zhì)資料勘察分析，井下分別揭露了17條斷層與6個(gè)陷落柱。在采掘過(guò)程中，涌水量并無(wú)明顯增大和突水現(xiàn)象，說(shuō)明其為非導(dǎo)水?dāng)鄬?，富水性不?qiáng)。巷道掘進(jìn)過(guò)程中一旦揭露導(dǎo)水?dāng)鄬踊蛳萋渲?，煤層底板奧灰水有可能通過(guò)這些導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)入巷道，在防治水工作中需要在斷層附近作業(yè)時(shí)做好一定的防治水措施。

1.2.2 頂板導(dǎo)水裂縫帶

經(jīng)勘察，坪上煤礦15號(hào)煤層的直接頂和老頂均為石灰?guī)r，屬堅(jiān)硬巖石。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》中相關(guān)規(guī)定，需要進(jìn)行打孔鉆探，對(duì)導(dǎo)水裂縫帶的高度進(jìn)行計(jì)算。筆者結(jié)合鉆孔資料來(lái)計(jì)算并分析除15煤層可采范圍內(nèi)垮落帶與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度及其導(dǎo)通情況，見(jiàn)表1。

如表1所示，當(dāng)15號(hào)煤層開(kāi)采后，垮落帶高度介于12.79 ～16.58m 之間，導(dǎo)水裂縫帶高度介于55.36～63.69m 之間。該距離大于可采煤層的相鄰間距，局部深度可達(dá)K5石灰?guī)r。因此，9號(hào)煤層的采空積水區(qū)存在經(jīng)15號(hào)煤層頂板導(dǎo)水裂縫對(duì)煤層開(kāi)采構(gòu)成潛在威脅的可能。

表1 15號(hào)煤層垮落帶與導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算表

1.2.3 其他地質(zhì)采動(dòng)影響

由于受到采動(dòng)的影響，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)連通臨近含水層，當(dāng)封閉止水不良時(shí)，將導(dǎo)致淺部孔隙水滲入井下，礦井巷道的出水點(diǎn)漏水，長(zhǎng)期下去會(huì)導(dǎo)致巷道頂板淋水和滲水。

2 帶壓開(kāi)采可行性的分析

根據(jù)對(duì)坪上煤礦充水水源、地質(zhì)構(gòu)造的分析來(lái)看，坪上煤礦雖部分區(qū)域處于帶壓區(qū)，但涌水量有限、大體可控，重點(diǎn)的治理工作在于對(duì)采動(dòng)過(guò)程引起的水害治理，因此可以實(shí)施帶壓開(kāi)采技術(shù)。

2.1 突水系數(shù)的計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，15號(hào)煤層安全隔水層厚度小于礦井實(shí)際隔水層厚度，在對(duì)15號(hào)煤層進(jìn)行奧灰水防治時(shí)，決定將峰峰組上部35m作為相對(duì)隔水層，并對(duì)15號(hào)煤層各區(qū)域進(jìn)行鉆孔勘查，再根據(jù)勘查數(shù)據(jù)經(jīng)公式（1）計(jì)算突水系數(shù)[3]：

式中：T——突水系數(shù)，MPa/m；

P——隔水層承受的水壓，MPa；

M——底板隔水層的厚度，m。

1～4 號(hào)鉆孔分別代表本煤層?xùn)|西南北四個(gè)方向，總體上突水系數(shù)由井田西北向東南方向逐漸變小，具體計(jì)算結(jié)果如表2 所示：15 號(hào)煤層各方位的突水系數(shù)介于0.060～0.073MPa/m 之間，均小于臨界突水系數(shù)0.1MPa/m。

表2 15號(hào)煤層突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.2 帶壓開(kāi)采安全性分區(qū)

根據(jù)對(duì)15號(hào)煤層水源分析和突水系數(shù)的計(jì)算可以看出，井田大部分區(qū)域富水性較弱，突水量有限，對(duì)礦井生產(chǎn)的安全威脅較小。但井田西北部區(qū)域存在構(gòu)造較發(fā)育的情況，富水性較強(qiáng)，并且有通過(guò)斷裂構(gòu)造與下部含水層發(fā)生水力聯(lián)系的可能，因此突水系數(shù)較大。井田內(nèi)靠近斷層、陷落柱發(fā)育的區(qū)域內(nèi)，會(huì)對(duì)帶壓開(kāi)采造成一定影響，在礦壓、水壓的破壞下，存在發(fā)生突水的可能在帶壓開(kāi)采的防治過(guò)程中因?qū)υ搮^(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)的治理。

3 防治水措施

3.1 水害隱患的探測(cè)預(yù)報(bào)

通過(guò)對(duì)坪上煤礦水害特征的分析可以看出，15號(hào)煤層充水的主要途徑是斷裂構(gòu)造導(dǎo)水，并且不排除底板奧灰?guī)r溶水突水的可能。目前坪上煤礦3號(hào)煤層已經(jīng)廣泛開(kāi)采，主體斷層和構(gòu)造帶得到了有效控制。但由于煤層底板隱伏導(dǎo)水構(gòu)造由于具有潛藏隱蔽性，需要依托采掘巷道對(duì)隱伏斷裂和斷裂富水性采取物探探查。必須指出的是，雖然峰峰組含水層富水性一般較弱、巖溶裂隙不發(fā)育，但必須要重視底板薄弱區(qū)的勘查治理，斷層、陷落柱不發(fā)育地段的底板薄弱區(qū)也存在突水威脅。

3.2 井下防水煤（巖）柱留設(shè)

當(dāng)對(duì)近水體進(jìn)行采煤時(shí)，必須嚴(yán)格觀測(cè)采動(dòng)對(duì)水體的影響，按水體的類(lèi)型、規(guī)模、賦存狀況進(jìn)行等級(jí)劃分，并對(duì)不同等級(jí)的水體采用留設(shè)安全煤巖柱的措施進(jìn)行防治水[4]。

3.3 優(yōu)化工作面

帶壓開(kāi)采設(shè)計(jì)關(guān)鍵的部分在于對(duì)工作面采掘的優(yōu)化、開(kāi)采方法的選擇和參數(shù)的設(shè)定。如何盡可能減小采動(dòng)的影響，對(duì)坪上煤礦的帶壓開(kāi)采的安全十分關(guān)鍵。針對(duì)于此，筆者建議在井下采用對(duì)拉工作面采煤，以減小工作面的暴露面，控制采動(dòng)破壞深度。為了避免工作面底板突水，實(shí)際生產(chǎn)中該礦采用60～80m 的對(duì)拉工作面開(kāi)采，從而保證了工作面的安全生產(chǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)煤層底板的標(biāo)高低于奧陶系中統(tǒng)巖溶水水位標(biāo)高時(shí)，如果想實(shí)現(xiàn)煤炭資源的安全高效開(kāi)采，必須對(duì)帶壓區(qū)域有充分的了解并進(jìn)行安全性分析判斷。最終提出有針對(duì)性的防治水措施和帶壓開(kāi)采設(shè)計(jì)。坪山煤礦在開(kāi)采15號(hào)煤層時(shí)，需要進(jìn)行帶壓開(kāi)采技術(shù)方案，當(dāng)遇到斷層等破碎薄弱帶,必須加強(qiáng)奧灰含水層的監(jiān)測(cè)與防治工作。