許廠煤礦11603工作面帶壓開采安全性評價*

許海濤吳新慶丁順華

（1.華北科技學院安全工程學院，河北省三河市，065201；2.山東能源淄博礦業集團許廠煤礦，山東省濟寧市，272173）

許廠煤礦11603工作面帶壓開采安全性評價*

許海濤1吳新慶2丁順華2

（1.華北科技學院安全工程學院，河北省三河市，065201；2.山東能源淄博礦業集團許廠煤礦，山東省濟寧市，272173）

針對許廠煤礦11603工作面受底板十三灰、奧灰含水層威脅問題，開展了工作面帶壓開采安全性評價。分析了帶壓開采影響因素，并對工作面防治水工程效果進行了評價。采用突水系數法對十三灰、奧灰突水危險性進行了預測與評價，按疏降試驗方案，十三灰疏降至安全水頭情況下，對11603工作面安全開采影響較小；奧灰含水層突水系數小于臨界值0.1 MPa/m，但已接近臨界值，開采過程中應加強奧灰含水層的監測。

帶壓開采 疏水降壓 突水系數 安全性評價

華北型煤田中下組煤基本都位于含水豐富的奧灰巖溶含水層之上，雖然二者之間存在厚度不等的隔水層，但在開采過程中仍然會受到底板水害威脅。引起煤層底板突水的因素極其復雜，通過對煤層底板突水機理研究，認為影響煤層底板突水的基本因素可以用若干物理、力學指標來表征。帶壓開采技術是指當煤層底板隔水層承受較高水壓時，在不降低或少降低含水層水頭壓力的情況下確保安全采煤的技術。由于地質條件的復雜性、賦水條件的多樣性和開采技術條件、排水能力的差異性，致使帶壓開采安全評價問題相對復雜。目前，帶壓開采工作面安全性評價方法主要有突水系數法、脆弱性指數法、五圖雙系數法、突水概率指數法等，但應用最為廣泛、簡便的方法為突水系數法，且突水系數法為 《煤礦防治水規定》中主要采用的預測評價方法。

1　11603工作面概況

11603工作面為許廠煤礦下組16上煤層首采工作面，走向長度1080 m，傾斜長度53 m，煤厚平均1.1 m，傾角0°～11°，平均3°。該區域構造類型為中等，主要表現為褶曲和斷層，影響工作面回采斷層15條，為工作面帶壓開采的突水危險薄弱區。工作面水文地質條件復雜，影響回采安全的含水層主要為底板十三灰含水層和奧灰含水層。十三灰含水層富水性中等、側向補給條件好，為16上煤層的直接充水含水層。根據十三灰的15個鉆孔數據，十三灰水壓最大為3.61 MPa，多數鉆孔突水系數大于0.1 MPa/m，十三灰是給工作面帶壓開采造成突水威脅的主要含水層。16上煤層下距奧灰含水層50 m左右，為帶壓開采間接充水含水層。

2　帶壓開采影響因素分析

2.1十三灰含水層影響分析

十三灰含水層厚3.80～9.35 m，平均7.02 m，裂隙較發育，部分被方解石充填，局部巖芯破碎。根據11603工作面十三灰含水層疏放鉆孔及監測鉆孔的統計分析，見表1，在疏降試驗之前，14個鉆孔涌水量在2.70～129.0 m3/h之間變化，16上煤層與十三灰含水層間距等值線見圖1，水壓在1.30～3.61 MPa之間變化，突水系數為0.057～0.149 MPa/m，且其中10個鉆孔突水系數大于0.1 MPa/m。該含水層對11603工作面回采期間將造成一定突水威脅，若煤層底板裂隙發育或出現導水構造將引發該含水層的突水，該含水層為11603工作面重點防治對象。

圖1　16上煤層與十三灰層間距等值線圖

表1　疏降前十三灰含水層鉆孔參數統計

2.2奧灰含水層影響分析

奧灰含水層平均厚度713.20 m，巖溶裂隙發育，裂隙寬達2～5 mm，沿裂隙發展成小溶洞，一般2～5 mm，最大可達50～100 mm。井田內奧灰一方面接受區外強富水區補給，另一方面又通過導水斷裂構造向各含水層提供水源。在11603工作面回采過程中不能完全排除奧灰含水層突水的可能性，尤其是斷層等破碎薄弱帶。在工作面回采前，應加強奧灰含水層的監測與防治工作，尤其應通過含水層疏降試驗確定奧灰與十三灰水力聯系程度，以確保工作面回采安全。

2.3斷層含導水性影響分析

該區域構造類型為中等，主要表現為褶曲和斷層。依據工作面軌道巷、運輸巷施工揭露分析，影響工作面回采斷層15條。其中孫氏店支1-2斷層，落差0～20 m，11603工作面切眼距離該斷層僅有70 m左右，為避免工作面采掘擾動引起突水災害，需要對該斷層帶進行含導水性探查。其余14條斷層為巷道掘進揭露斷層，在揭露過程中可以判斷其導富水性。斷層的出現破壞了煤層的完整性和連續性，使煤層變軟、煤質變差，造成頂底板支護困難，產生割頂、割底現象，且易導致底板承壓水沿斷層裂隙涌出造成水害事故，在回采前應探明斷層的含導水性。

3　工作面防治水工程評價

3.1物探工程

采用礦井全方位探測儀探查11603工作面內部煤層底板下0～20 m層段、20～40 m層段含水層中含水性異常的分布范圍及其含水性的相對強弱等情況，探測長度1050 m。根據探測成果，工作面內劃分出3個富水異常區。1號異常區位于切眼以外260～330 m范圍，2號異常區位于切眼以外780～950 m范圍，3號異常區位于切眼以外1000～1050 m范圍。3個富水異常區在水平范圍內連續性較好。1號異常區在垂深上具有一定導通性，2、3號異常區范圍從淺部向深部富水性有所減弱，連通性相對較弱。在回采前應對富水異常區進行探放水驗證，以排除工作面回采期間異常區突水風險。

3.2斷層導富水性探查

影響11603工作面回采的斷層共15條，其中較大斷層為孫氏店支1-2斷層，且靠近11603軌道巷切眼區域。根據國家煤礦安全監察局 《防治水管理規定》要求，在11603軌道巷、11601軌道巷對孫氏店支1-2斷層進行了鉆探探查，探明孫氏店支1-2斷層的位置、落差、傾角破碎帶寬度及含（導）水性情況。根據鉆探結果分析計算，孫氏店支1-2斷層破碎帶寬度3.7～4.0 m，斷層傾角82°，斷層落差26 m，孫氏店支1-2斷層在鉆探區域屬不含水、不導水斷層。11603工作面軌道巷及運輸巷掘進共揭露14條斷層，根據實際揭露情況14條斷層不（含）導水。

3.3十三灰含水層疏水降壓試驗

（1）疏降試驗目的。通過疏降試驗對11603工作面區域的水文地質條件進行分析，主要分析十三灰疏降條件下與奧灰含水層的水力聯系程度。通過疏降試驗查明十三灰突水系數是否能降至0.1 MPa/m以下，能否達到安全回采條件。以施工疏放水工程為基礎，調整疏降工程規模或增補其它防治水措施。

（2）疏降試驗方法。根據疏降試驗目的和任務，疏降的層位為16上煤層底板十三灰含水層。由于其屬高承壓含水層，井下已具備足夠的排水能力和完備的測流、測壓裝置，疏降試驗按照非穩定流方法，采用井下放水，井上、下同步觀測的方法。利用井上、下已完成的21個十下灰、十三灰和奧灰孔所形成的水文地質觀測網進行疏降試驗，其中奧灰觀測孔4個，十三灰孔15個，十下灰孔2個。為充分暴露水文地質條件，又采用分階段疏降試驗，從而達到評價11603工作面水文地質條件的目的，并為下一步開采防治水方案確定提供依據。

（3）疏降試驗成果。從放水試驗資料來看，11603工作面十三灰疏降效果較好，除L13監-6突水系數略高于0.1 MPa/m，其余各孔均降至0.1 MPa/m之下。從十三灰疏降試驗結果看，11603工作面中部OX觀-3孔奧灰水位沒有明顯降深，基本判斷工作面內部沒有奧灰與十三灰水力聯系密切的大的垂直導水通道，在十三灰疏降至安全水頭情況下，可基本保證工作面安全開采。

4　帶壓開采安全性評價

影響工作面帶壓開采含水層主要包括十三灰和奧灰，安全性評價主要針對疏降試驗后十三灰與奧灰含水層，采用 《煤礦防治水規定》中的突水系數法進行評價。

4.1十三灰突水系數法評價

表2為評價區十三灰在經過疏降試驗后鉆孔參數統計表，根據鉆孔相關參數，繪制了16上煤層與十三灰層間距等值線圖（圖1）、十三灰水壓等值線圖，見圖2。按照 《煤礦防治水規定》對十三灰含水層突水系數進行計算，各鉆孔突水系數值見表2，并繪制了十三灰突水系數等值線，見圖3。根據表2和圖3可以看出，在評價區內7個鉆孔的突水系數值差別不是很大，變化范圍在0.010～0.060 MPa/m，平均為0.041 MPa/m，最大為0.060 MPa/m，最小為0.010 MPa/m，按照《煤礦防治水規定》要求，在正常地段及構造發育地段，十三灰對工作面安全回采影響較小。

表2　疏降后十三灰含水層鉆孔參數統計

圖2　十三灰疏降后水壓等值線圖

圖3　十三灰突水系數等值線圖

4.2奧灰突水系數法評價

表3統計了工作面附近2個奧灰鉆孔參數，根據 《煤礦防治水規定》對奧灰突水系數進行計算，兩個鉆孔突水系數分別為0.086 MPa/m、 0.083 MPa/m，突水系數比較接近。雖然滿足在正常塊段突水系數小于臨界值0.1 MPa/m的要求，但突水系數值接近臨界條件，仍存在一定的威脅，在開采過程中應加強對奧灰含水層的監測與防治。

表3　奧灰突水系數

5　結論

以許廠煤礦下組煤首采11603帶壓開采工作面為研究對象，采用突水系數法對十三灰、奧灰突水危險性進行了預測與評價，按疏降試驗的疏降方案，十三灰疏降至安全水頭情況下，十三灰對11603工作面安全開采影響較小。奧灰含水層滿足在正常塊段突水系數小于臨界值0.1 MPa/m的要求，但突水系數值接近臨界條件，尤其是斷層等破碎薄弱帶，應加強奧灰含水層的監測與防治工作，以確保工作面回采安全。

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Safety evaluation for mining above aquifer in No.11603 face of Xuchang Coal Mine

Xu Haitao1，Wu Xinqing2，Ding Shunhua2
（1.Safety Engineering College，North China Institute of Science and Technology，Sanhe，Hebei 065201，China；2.Xuchang Coal Mine，Shandong Energy Zibo Mining Group Co.，Ltd.，Jining，Shandong 272173，China）

The No.11603 face of Xuchang Coal Mine was threatened by the No.13 limestone and Ordovician limestone under floor，aiming at the problem，the safety evaluation for mining above aquifer was carried out.Firstly，the influence factors of mining above aquifer were analyzed，and the effect of water control projects was evaluated.Then the water inrush dangers of No.13 limestone and Ordovician limestone were predicted and evaluated by using water bursting coefficient method.According to the dewatering and depressurizing test scheme，the water level of No.13 limestone dropped to secure hydraulic head，safety mining of No.11603 face would be little influenced.The water bursting coefficient of Ordovician limestone aquifer was less than the critical value 0.1 MPa/m，but it was close to the critical value，so the monitoring of the Ordovician limestone aquifer should be strengthened during the exploitation.

mining above aquifer，dewatering and depressurizing，water bursting coefficient，safety evaluation

TD823.8

A

許海濤（1979-），男，山東菏澤人，講師，碩士，主要從事特殊開采、礦井水害防治及相關領域理論與技術研究工作。

（責任編輯 張毅玲）

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國家自然科學基金資助項目（40802062），中央高校基本科研業務費資助（3142013100）