陽煤二礦15#煤層帶壓開采安全性評價

李 駿

（陽煤集團二礦，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

陽泉煤業（集團）股份有限公司二礦（以下簡稱二礦）是陽泉煤業（集團）股份有限公司的主要生產礦井，井田內煤層主要分布在二疊系下統山西組和石炭系上統太原組，石炭系太原組的15#煤層為全井田穩定可采煤層，厚度較大，煤層厚5.30～8.90m，平均6.83m。地下水含水層按成因可劃分為四個含水層組。即第四系松散巖類孔隙含水層、二疊系碎屑巖類組成的裂隙含水層組、石炭系石灰巖巖溶裂隙含水層組、奧陶系中統碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組，其中奧陶系中統石灰巖巖溶裂隙含水層主要由中厚層狀石灰巖組成，夾薄層泥質灰巖，該含水層主要為上、下馬家溝組，富水性強，埋深從東北部向西南逐漸加深，地下水總的流向為北東-南西。據井田東部施工的供水水源井，單井出水量為2200～2800m3/d，為中等～極強富水性含水層，是礦井的主要供水水源。奧灰水位標高 460m～600.00m，15#煤層底板標高為380m～780m。在井田中部和西部15#煤層底板標高低于奧陶系巖溶水水位標高，存在帶壓開采的問題。為具體分析15#煤層帶壓開采的可行性，本文以15#煤層15011首采工作面的回采為工程背景，對15#煤層帶壓開采的安全性進行綜合性評價。

2 15011工作面水文探查

陽煤二礦為多個小窯、礦井整合而成，礦井資料經多方處理，數據的完整性、可靠性無法保證，水文地質資料匱乏，為更加準確的掌握15#煤層底板的第一手水文地質資料，設計在15#煤層的15011首采工作面施工水文探查孔，通過探查孔具體探查15#煤層底板的巖性組合特征、隔水性能、涌水情況等，且施工后的鉆孔可進行持續的水文觀測。15011工作面為帶壓開采工作面，故首先對15011工作面底板下方進行水文探查，若將探查孔施工點布置在回采巷道內，鉆孔的施工、現場監測過程容易影響工作面的正常生產，通過與礦方、施工方協調商議后，設計將探查孔布置在距15011回風順槽與專用回風巷交叉點80m的專用回風巷內，探查孔的施工位置詳見圖1（a）所示。水文探查孔應盡量大的揭露含水層段體積，使鉆孔與導水裂隙的接觸面達到最大，從而更加準確的探測底板的隔水性能、含水層的富水性。15#煤層與底板下部峰峰組含水層間隔水層平均厚度約為35.0m，因此探查孔終孔的垂深應大于35m，考慮到一定富余，鉆孔垂直深度取38m，鉆孔在水平方向的投影和專用回風巷軸向方向垂直，鉆孔向下傾斜41°施工，鉆孔長度58m，探查孔施工的剖面圖如圖1（b）所示。

圖1 15011工作面水文探查孔施工示意圖

本次施工采用ZDY-1200S型鉆機[1]，鉆頭選用Ф113mm、Ф75mm三種金剛石復合片鉆頭，鉆孔開孔采用直徑113mm的鉆頭鉆進11m，然后放入直徑108mm、長度10m的套管，采用水泥漿進行封孔，之后進行耐壓試驗測試，壓力不低于2.5MPa，持續時間不小于0.5h，封孔質量合格后，采用直徑75mm的鉆頭持續鉆進44m，最終施工鉆孔長度為55m，垂深36m。統計施工過程中鉆孔的出水情況、進尺等數據，整理得到表1所示的數據。

根據水文地質鉆孔現場施工情況及表1統計數據，分析總結可得以下結論：①涌水情況；探查孔鉆進13.0m后，即鉆進垂直深度為8.5m時開始出水，出水量約為1.2m3/h，安裝水壓表測得壓力為0.7MPa，出水量穩定；鉆進至36.0m時（垂深23.5m），出水量增大至 3.5m3/h，水壓 1.1MPa，持續放水24h后，鉆孔出水量穩定在1.5m3/h左右，水壓0.9MPa；之后隨著鉆孔繼續鉆進，出水量無大的波動，直至鉆孔鉆進52.0m（垂深41.0m），出水量劇增至8.5m3/h，水壓為1.6MPa；綜上可知本溪組砂巖含水層富水性較弱，峰峰組灰巖含水層富水性較強。②隔水性能；由水壓、涌水量兩方面分析考慮，本溪組泥巖及峰峰組上部泥巖、灰巖組合巖層隔水性能良好，根據探查結果可認為15#煤層和下部石灰巖含水層存在厚度35.0m的隔水層。③底板柱狀圖；根據水文探查孔取得的巖心識別、度量，可得到15011底板柱狀圖如圖2所示。綜上可得，本溪組富水性較弱，不具備引發工作面或采空區突水的條件，下方峰峰組灰巖含水層富水性較強，具備引發工作面突水的條件，峰峰組含水層和15#煤層間存在厚度約為35.0m的鋁質泥巖、砂巖組合隔水層，隔水性能良好。

表1 鉆孔施工相關數據統計表

圖2 15#煤層底板巖性柱狀圖

3 15011工作面底板突水危險性預測

3.1 底板塑性破壞深度計算

不管采用何種方法進行底板突水危險性的評價，均離不開對工作面采動影響下底板破壞深度的分析，工作面底板破壞深度應綜合考慮采動礦壓和承壓水壓力的共同作用下，底板塑性破壞深度疊加計算公式為[2]：

由于采動影響引起的底板破壞深度：

式中：k1為工作面煤壁附近應力集中系數，為2.5；h為15011工作面平均埋深，為450m；γ上覆巖層平均容重，為2.65MN/m3；Cm底板巖層的內聚力，為12.78MPa；Φ底板巖層平均內摩擦角，為26°；M工作面采高，為5.8m；將以上參數代入式（2）計算可得采動影響下底板破壞深度為7.8m，帶入式（1）可得15011工作面回采期間底板破壞深度為11.6m。

3.2 突水危險性綜合分析

3.2.1 突水系數法

采用突水系數法確定工作面底板突水危險性的公式如下[3]：

式中：Ts為突水系數，單位：MPa/m；P為工作面與下方含水層間水頭壓差，根據現場測試結果取1.6MPa；M為有效隔水層厚度，15011工作面與奧灰含水層間巖層總厚為35.0m，破板塑性破壞深度為11.6m，承壓水導升帶高度為4.5m，則M=18.9m，代入式（3）可得突水系數為0.085MPa/m，通過查閱相關的研究成果可知[4]，完整底板條件下臨界突水系數值為0.1MPa/m，1551工作面底板突水系數小于0.1MPa/m，故可認為1551工作面帶壓開采比較安全。

3.2.2 底板突水極限水壓力分析

工作面回采期間，可將底板簡化為四邊固支的矩形薄板，將整個隔水層劃分為底板采動破壞帶（h1）、完整隔水層帶（h2）、導升帶（h3），如圖 3 所示，底板是否存在突水的可能性，主要取決于有效隔水層厚度及其承載能力，該問題可通過Ritz法求解，最終得到底板有效隔水層帶能承載的極限水頭壓力為[4]：

式中：Lx為薄板的長度，即為工作面長度220m；Ly為薄板寬度，即為工作面周期來壓最大懸頂距，為45m；τ為抗剪強度，為8.5MPa；h2有效隔水層厚度，為 18.9m；γ 為巖石平均容重，為2.65MN/m3；μ為底板巖層破松比，為0.33；H底板隔水層總厚度，為35m；將以上參數代入式（4）計算可得Ps=5.6MPa，遠大于15#煤層底板奧灰水的水壓，故可知底板無突水危險。

圖3 底板隔水帶力學模型

4 結論

通過現場施工水文地質探查鉆孔研究表明，陽煤二礦15011工作面下方本溪組富水性較弱，不具備引發工作面或采空區突水的條件，下方峰峰組灰巖含水層富水性較強，水頭壓力約為1.6MPa，隔水層厚度為35m，具備引發底板突水的條件。進一步理論分析計算表明，15011工作面采動影響下底板破壞深度為11.6m，突水系數為0.085MPa/m，突水系數小于0.1MPa/m，極限水壓為5.6MPa，遠大于實際水壓，在完整底板條件下工作面能夠安全的生產。