錦瑞煤業奧灰水帶壓開采危險性評價

付 曉

（晉能集團錦瑞煤業有限公司，山西 呂梁 033400）

1 工程地質概況

山西錦瑞煤業位于河東煤田中段柳林國家規劃礦區柳林北區的東北部，三交詳查區中東部，設計生產能力為120 萬t/a，礦井剩余可采煤層為8、9號煤層。8 號煤層最低開采標高為+700m，9 號煤層最低開采標高為+690m，兩層煤層間距平均為8.23m。

該井田位于柳林泉域的北部徑流帶，含水巖組主要為奧陶系中統峰峰組及上馬家溝組灰巖含水層。根據收集區域資料顯示，上馬家溝組巖溶發育程度最高，富水性最強，峰峰組次之。井田內奧灰水位標高為+802.2m～+805.4m，單位涌水量為0.13303L/s?m。井田內8、9 號煤層為局部帶壓開采煤層。

2 奧灰水突水條件

（1）底板突水影響因素分析

① 底板隔水層厚度及分布特征

8、9 號煤層平均間距僅8.23m，二者水文地質條件相似。9 號煤底板至奧陶系灰巖頂面，以鋁質泥巖、泥質、砂質泥巖為主夾不穩定的薄層砂巖和石灰巖，平均55.0m，巖性致密，特別是本溪組的鋁土泥巖質地細膩，具有極好的隔水性能，為礦區主要隔水層組，對下伏奧灰水起到了重要的阻隔作用。

② 底板隔水層巖性組合特征

9 號煤層底板為泥巖、砂質泥巖、細粒砂巖、泥灰巖，軟硬相間，屬軟弱～半堅硬類底板，具有良好的隔水作用。其巖石物理力學特性見表1。

（2）奧灰水水文地質特征

① 奧灰水位

井田內奧灰水位為802.2 ～805.4m，地下水總趨勢為由北向南，向柳林泉方向排泄。

② 奧灰巖溶含水層富水性

含水層富水性是底板發生突水的內在因素，決定著突水量的大小及其穩定性。據ZK4 號孔O2f+O2s抽水試驗，水位埋深161.20m，水位標高796.46m，單位涌水量0.13303 L/s?m，滲透系數0.5887m/d，富水性中等。

（3）地質構造對底板突水的影響

井田為一單斜構造，未發現斷層和陷落柱。目前發現的地質構造情況不會對奧灰水突水造成影響。

（4）突水系數計算

采用突水系數法對井田8、9 號煤層進行突水危險性評價，其計算公式為：

其中：

K-突水系數，MPa/m；

P-底板靜水壓力，MPa；

M-隔水層厚度，m。

各煤層鉆孔突水系數計算結果見表2。

表2 各煤層鉆孔突水系數計算結果表

根據上表計算結果可知，8 號、9 號煤層的最大突水系數小于受構造破壞塊段突水的臨界值0.06MPa/m，均屬于相對安全區。

3 礦井帶壓開采危險性評價

3.1 奧灰水帶壓對開拓巷道影響的評價

（1）井下開拓巷道層位

采區大巷采用分區布置，一采區8、9 號煤層聯合布置，大巷層位大多沿8 號煤層頂板布置，局部沿9 號煤層布置；二采區8、9 號煤層分層布置大巷，大巷層位分別沿8、9 號煤層布置。以上巷道最低層位位于9 號煤層中，9 號煤層底板內無開拓巷道。

（2）井下開拓巷道帶壓分析

井筒落底巷道、井底硐室、東翼大巷西段及西翼大巷部分巷道位于奧灰帶壓的相對安全區，突水系數小于0.06MPa/m。

（3）井下開拓巷道承壓分析

奧灰帶壓區掘進巷道底板隔水層安全水頭壓力值按下式計算：

P=2Kp·t2/L2+rt

式中：

P-底板隔水層能承受的安全水壓，MPa；

t-隔水層厚度，取平均厚度55m；

L-巷道寬度，取大巷最大寬度5.2m。

r-底板隔水層的平均重度，2.59×10-2MN/m3；

Kp-底板隔水層的平均抗拉強度，取0.04MPa。

帶入計算得8、9 號煤層開拓大巷底板隔水層能承受的安全水壓為10.375MPa。從上述計算分析，8、9 號煤層開拓大巷底板隔水層能承受的安全水壓為10.375MPa，遠大于9 號煤層最大水頭壓力1.736MPa。因此，8、9 號煤層開拓大巷沿8、9 號煤層頂板布置合理，滿足奧灰帶壓開采要求。

（4）導水構造威脅分析

根據8、9 號煤層已有巷道實際揭露情況及以往勘察報告及5、8 號煤層采掘現狀分析，井田內主要開拓大巷均未揭露導水斷層、陷落柱等，不存在突水威脅。

綜合以上分析，位于奧灰帶壓區內的開拓大巷層位布置不受奧灰突水威脅，無需改造。

3.2 奧灰水帶壓對回采工作面開采影響的評價

（1）現有工作面長度合理性分析

① 底板擾動破壞分析

采用“三下開采規范”經驗公式進行計算：

式中：

H-開采深度，m；

α-煤層傾角，取8°；

L-工作面斜長，按設計取255m。

根據本次及以往地質勘探資料，井田內9 號煤層位于帶壓區鉆孔為ZK2、ZK4、ZK5，底板破壞深度計算成果見表3。

表3 9號煤層底板破壞深度計算成果表

根據上述計算，底板破壞后有效隔水層厚度為26.24～30.43m。井田內8、9 號煤層工作面長度為255m 開采時，底板隔水層厚度均大于礦壓作用對煤層底板的破壞深度，具有一定的保護層。

② 回采工作面采動后的安全水壓分析

回采工作面安全水壓計算：

依據《煤礦防治水細則》附錄中安全水頭壓力值計算公式

式中：

P-安全水壓，MPa；

M-底板隔水巖柱厚度，m；Ts-臨界突水系數，MPa/m。

水頭壓力計算：

式中：

H-水頭高度，m；

h1-奧灰水位標高，m；

h2-煤層底板標高，m；

h3-奧灰頂面標高，m；

M-底板隔水巖柱厚度，m；

P-水頭壓力，MPa。

井田內奧灰帶壓區鉆孔安全水頭壓力值計算成果見表4。

表4 回采工作面安全水頭壓力值對比表

綜上分析，井田內8、9 號煤層工作面長度為255m 開采擾動后，底板有效隔水層厚度，能夠有效抑制奧灰巖溶水突破煤層底板隔水層的能力，具備帶壓安全開采的條件。

（2）回采工作面最大長度論證

井田內8、9 號煤層工作面最大長度計算公式：

式中，h1小于有效隔水巖柱厚度M有效。

M有效=P/Ts

P-實際水頭壓力；

Ts-臨界突水系數，MPa/m。

經計算得出井田內8、9 號煤層工作面最大長度Lmax，詳見表5。

表5 8、9 號煤層工作面最大長度對比表

根據上述計算，在不考慮底板導升帶前提下，井田內8、9 號煤層工作面最大長度Lmax小于272.21m 時，具備帶壓安全開采的條件。

4 結束語

通過對錦瑞煤業9 煤底板隔水巖層物理力學性質分析，采用突水系數法對井田8、9 號煤層進行帶壓開采分區和突水危險性評價。經過分析和計算，位于奧灰帶壓區內的開拓大巷層位布置不受奧灰突水威脅，無需改造；井田內8、9 號煤層工作面長度為255m 開采擾動后，底板有效隔水層厚度，能夠有效抑制奧灰巖溶水突破煤層底板隔水層的能力，具備帶壓安全開采的條件。并得出在不考慮底板導升帶前提下，井田內8、9 號煤層工作面最大長度應小于272m，目前工作面設計長度為255m，滿足奧灰帶壓開采要求。