15 號煤層奧灰巖溶水帶壓開采可行性研究

劉 歡

（山西潞安集團左權阜生煤業有限公司，山西 晉中 032600）

1 阜生煤礦15 號煤層概述

山西潞安集團左權阜生煤業有限公司立井開拓，井田內可采煤層僅為15 號煤層，位于太原組下段中下部,上距K2 灰巖約5.97～12.03 m，平均為9.46 m。下距太原組底界K1 砂巖5.85 m。煤層層位極其穩定，全井田分布，厚度為4.90～10.70 m，平均厚度為6.48 m，可采指數100%，簡單—復雜煤層結構，含夾矸0～3 層，單層夾矸最厚可達0.37 m，煤層頂板為砂質泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，底板一般為泥巖，為穩定的全井田可采煤層。15 號煤層布置工作面采用綜合機械化回采工藝，全部垮落法處理頂板，工作面采用“U”型通風系統，順槽平均長度為1 600 m。為了考慮工作面回采期間對底板隔水層破壞程度，工作面斜長設計為150 m。

15 號煤層底板標高在+740～+1 167 m 之間，15號煤層底板至奧陶系頂面最小間距約為20.06 m，井田奧灰水位標高為+817～+823 m，井田內15 號煤層屬局部帶壓開采煤層。為有效治理礦井底板水，保障礦井帶壓安全開采，對15 號煤層帶壓開采進行可行性研究[1-2]。

2 奧陶系巖溶水帶壓開采安全評價

2.1 奧陶系巖溶水位及水頭壓力

井田工業廣場內的1 號水源井奧陶系巖溶水位標高為+820.07 m，南部佳瑞井田內水源井水位標高為+824.40 m，井田內補充勘探的阜觀1 號孔水位標高為+817.3 m，阜觀2 號孔水位標高為+820.19 m，推算井田內奧陶系巖溶水位水位標高為+817～+823 m，巖溶地下水由南向南北徑流。根據奧陶系巖溶水位標高及煤煤層底板隔水巖組厚度，可計算出15 號煤層底板隔水巖組所承受的水頭高度及水頭壓力。

2.2 奧灰巖溶含水層富水性

阜生煤礦井田內奧灰巖溶含水層主要為下馬家溝組含水層，富水性強，巖溶裂隙發育。根據阜觀2 號抽水資料顯示，峰峰組及上馬家溝組混合含水層單位涌水量為0.3 L/（s·m），單井出水量滲透系數為0.37 m/d，屬中等富水性含水層，水位標高為+822.23 m。

2.3 突水系數計算

井田突水系數計算公式為：T=p/M。式中：T 為突水系數，MPa/m；p 為15 號煤層底板隔水層所能承受最大水壓，MPa；M 為15 號煤層底板隔水層平均厚度，m。利用突水系數可確定15 號煤層底板奧灰水臨界突水系數Ts，該系數為底板隔水層平均每米厚度所能承受的最大水壓值。若T＜Ts，底板沒有突水危險。若T＞Ts，則底板具有突水危險性。一般在構造區底板突水系數應小于0.06 MPa/m，無構造區域突水系數應小于0.1 MPa/m。在15 號煤層標高為700～810 m 范圍內，底板共計施工阜觀1、阜觀2 和12-1 共3 個鉆孔。15 號煤層底板突水系數及水頭壓力[3-5]計算結果如表1 所示。

表1 15 號煤層底板隔水巖組突水系數及水頭壓力計算結果統計表

2.4 安全水頭值計算

綜采工作面安全水頭值計算公式為Ps=Ts/M。式中：Ts為臨界突水系數，MPa/m；M 為底板隔水層厚度，m；ps為底板隔水層安全水頭值，MPa。Ts值應當根據本區資料確定，即在具有底板受構造破壞的地段，Ts取值為0.06 MPa/m。在隔水層完整無斷裂構造破壞的地段，Ts取值為0.1 MPa/m。本次取值為0.06 MPa/m。利用井田內水文孔實際隔水層厚度值，計算可得，實際平均水頭值為1.55 MPa。

2.5 底板巖溶水突水量計算

阜生煤礦采用大井法對15 號煤層底板奧灰水突水量進行計算，計算公式為Q=2.732KMS/（lgR0-lgr0）。式中：Q 為最大突水量，m3/d；K 為滲透系數，0.002 7 m/d；M 為奧灰水含水層厚度，172.5 m；S 為水位降深，阜觀2 號鉆孔在靜水位標高為132.43 m；R0為引用影響半徑，m；r0為突水通道等效半徑，m?；夭晒ぷ髅媸懿蓜佑绊?，礦山壓力重新分布，假定在應力降低區底板隔水巖組薄弱部位發生突水，突水通道等效半徑按5 m計。通過計算，15 號煤層開采過程中若發生突水，奧灰巖溶水瞬時突水量Q＝141.14 m3/d。

3 帶壓開采工作面斜長確定及防治水措施

3.1 工作面斜長確定

1）無地質構造區域：工作面斜長的計算公式為L=（Cp/0.303）5/4。式中：Cp為采動對煤層底板破壞深度，取最小隔水層厚度為20.6 m；L 為工作面允許最大布置斜長，計算可得，L=195 m，15 號煤層布置的回采工作面平均斜長為150 m，在允許范圍內。

2）有地質構造區域：工作面在地質構造區域時，受采動影響，導水破壞帶深度為無地質構造區域的1.0倍左右。在不考慮奧灰頂面相對隔水層厚度時，對底板的破壞深度Cp=20.6/2=10.3 m。在考慮奧灰頂面相對隔水層厚度時，對底板的破壞深度Cp=36.6/2=18.3 m。計算工作面斜長，分別為82 m 和168 m。

3）根據阜生煤礦實際采掘情況，將奧陶系頂部巖層作為相對隔水層使用，在構造區域帶壓開采工作面斜長為150 m，可計算出回采期間對底板的破壞深度為33.36 m，小于隔水層厚度（36.6 m）。

15 號煤層布置的工作面長度為150 m 時，回采期間對底板破壞深度為33.36 m，將達到底板隔水層的厚度臨界值，但不會受奧灰水威脅。因此，15 號煤層的工作面傾斜長度設計為150 m，符合帶壓開采安全要求，且工作面設計布置方向亦符合帶壓開采條件。

3.2 帶壓開采的防治水措施

3.2.1 井下超前物探和化探

1）瞬變電磁法：井下瞬變電磁法主要是探查威脅煤層開采主要含水層的賦水性及分布特征，從而確定斷層、陷落柱等地質構造分布區域、平面形態以及富水性等，巷道掘進過程中，每100 m 做一次超前探測。

2）井下直流電法：井下直流電法主要是對采掘工作面隱伏的含水層、裂隙帶、地質構造分布區域、富水性、含水層結構及厚度等進行探測，從而準確探測出工作面頂底板富水異常區。

3.2.2 超前鉆探

1）阜生煤礦超前鉆探采用ZDY-1000S 液壓坑道鉆機井下鉆孔施工，鉆機最大鉆機深度為200 m，巷道掘進時每100 m 布置1 個鉆場，每個鉆場布置4 個超前鉆孔（1 號、2 號、3 號和4 號），鉆孔深度為100 m，允許掘進70 m。其中：1 號、2 號和3 號鉆孔為迎頭鉆孔，布置仰角為0°，1 號、3 號鉆孔水平角為20°；4號鉆孔為頂板鉆孔，水平角為0°，仰角為15°，如圖1 所示。

圖1 超前鉆探孔平剖面示意圖

2）鉆孔擴孔長度為12 m，擴孔直徑為130 mm，擴孔完成后安裝孔口管，每節孔口管長度為3.2 m，直徑為108 mm，孔口管安裝后進行封孔處理，并在孔口外端安裝法蘭盤、泄壓閥等。

3）孔口管封孔材料采用水泥砂漿有機注漿材料，水灰質量比為0.75∶1，水泥漿液中混入質量分數為5%的水玻璃，并添加水泥質量配比為1%～3%的速凝劑，增加漿液的凝固時間。

3.3 構造帶、陷落柱的封堵治理

巷道掘進過程中的構造破碎帶或陷落柱，可采用預注漿的方式對導水構造進行加固，防止發生滯后突水。采掘施工過程中若探明較小導水構造時，可通過施工超前注漿孔對導水通道進行注漿封堵，從而切斷底板奧灰水涌水通道，如圖2 所示。

圖2 掘進巷道迎頭構造超前注漿堵水示意

4 結論

1）15 號煤層底板到奧灰頂面之間隔水層厚度在20.06～26.07 m 之間，其加權平均值為23.41 m。且隔水巖層為軟硬巖層間夾、互層重疊結構特征，在無地質構造情況下巖層能夠起到有效的隔水作用。

2）利用突水系數法對回采工作面突水安全進行評價，在無構造破壞情況下，15 號煤層回采時不會受底板奧灰水的威脅。帶壓開采地段主要位于15 號煤層西部為帶壓區，突水系數T 介于0.012～0.037MPa/m之間，小于突水系數臨界值（0.06 MPa/m），屬于突水威脅區。

3）15 號煤層目前綜采工作面布置斜長為150 m，后期工作面斜長設計為200 m。計算可知，當工作面斜長為200 m 時，采動對底板破壞深度為24.72 m，小于底板隔水層厚度，在無地質構造的情況下工作面回采不會受奧灰水影響，為工作面開采設計提供了準確的數據依據。

4）對于開采無法避開的導水通道，采用注漿封堵的方法，對導水通道進行改造。對于未進行隱伏構造以及奧灰含水層富水性分布探查的區域，采用物探、鉆探和化探方法查明構造及富水區分布情況，可消除構造水、隱伏水以及底板奧灰水等水害隱患。