龍泉礦承壓水下工作面帶壓開采安全評(píng)價(jià)

弓遠(yuǎn)程

（太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030032）

底板承壓水是導(dǎo)致煤礦井下突水事故發(fā)生的重要因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)，上世紀(jì)由于底板承壓水影響，導(dǎo)致許多優(yōu)質(zhì)煤層遭到棄采。為了安全高效的對(duì)受承壓水影響的煤層進(jìn)行開采，可以采取帶壓開采技術(shù)方案，首先需針對(duì)帶壓開采的可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)[1-3]。

1 工程概況

龍泉煤礦位于山西省太原市婁煩縣，礦井設(shè)1個(gè)水平開拓全井田 4、7、9 號(hào)煤層，水平標(biāo)高為+786m，龍泉煤礦自投產(chǎn)以來，對(duì)4 號(hào)煤層進(jìn)行了開采，7、9 號(hào)煤層尚未開采。礦井采用走向長壁式采煤方法，綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。7號(hào)煤層位于L3 灰?guī)r下6 m 左右，煤層0.75~2m，平均1.1 m。頂板多為粉砂巖及砂質(zhì)泥巖，底板多為中-細(xì)粒砂巖。為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。9 號(hào)煤層位于太原組中下部，是本井田另一主要可采煤層，厚5.35~15.48 m，平均 11.68 m，夾矸一般 2-4 層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。頂板為泥灰?guī)r和石灰?guī)r，底板多為鋁質(zhì)泥巖和粉砂巖。

本井田奧灰峰峰組含水層為弱-中等富水性含水層，峰峰組+馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙含水層單位涌水量為0.01~3.18 L/s·m，為弱-強(qiáng)富水性含水層，7、9 號(hào)煤層底板標(biāo)高均低于奧灰?guī)r溶水位標(biāo)高，存在奧灰?guī)洪_采現(xiàn)象，7、9 號(hào)煤層在開采過程中將受到煤層底板灰?guī)r承壓水的威脅。如何采取有效措施消除奧灰水隱患，實(shí)現(xiàn)礦井安全和高產(chǎn)高效生產(chǎn)，是龍泉煤礦必須面臨和解決的課題。

2 帶壓開采地質(zhì)條件分析

2.1 奧灰水位分析

奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r為本井田主要含水層，由厚層石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、豹皮灰?guī)r及薄層鈣質(zhì)泥巖組成。巖溶發(fā)育程度因巖性、構(gòu)造裂隙的不同而有極大差異。富水性受巖溶發(fā)育程度及水文地質(zhì)條件控制，一般來說，構(gòu)造裂隙發(fā)育段，巖溶率增高，富水性增大。

據(jù)2019 年7 月的《太原煤炭氣化有限責(zé)任公司龍泉煤礦7、9 號(hào)煤層帶壓開采安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》并結(jié)合井田內(nèi)水文孔揭露奧灰資料推斷，井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高1 123.95～1 129.46 m，如圖1 所示。

2.2 底板隔水層分析

7、9 號(hào)煤層底板隔水層厚度指煤層底板分別至峰峰組灰?guī)r頂面之間的巖層厚度之和，由泥巖類夾不穩(wěn)定的薄層砂巖石灰?guī)r組成，巖石致密、堅(jiān)硬，完整性較好，裂隙不發(fā)育，具有良好的隔水性能，該隔水層阻隔了奧陶系峰峰組灰?guī)r含水層與7、9 號(hào)煤層之間以及與太原組灰?guī)r含水層之間的水力聯(lián)系。

圖1 井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高等值線圖

據(jù)井田內(nèi)施工的19 個(gè)穿過7、9 號(hào)煤層和本溪組地層進(jìn)入奧陶系峰峰組灰?guī)r中的鉆孔資料知：

7 號(hào)煤層底板隔水層厚度指7 號(hào)煤層底板至奧灰峰峰組（O2f）灰?guī)r頂界之間距離。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，7 號(hào)煤層底板隔水層厚度為67.74～103.67 m，平均90.07 m，7號(hào)煤層與奧灰峰峰組（O2f）頂面之間距離，從東北到西南由厚→薄→厚，最厚點(diǎn)位于井田東北部LB11 號(hào)孔所在位置處為103.67 m，最薄點(diǎn)位于井田西北部SW3 號(hào)孔所在位置處為67.74 m，如圖2 所示。

圖2 7 號(hào)煤層底板至奧灰頂面之間隔水層厚度等值線圖

9 號(hào)煤層底板隔水層厚度指9 號(hào)煤層底板至奧灰峰峰組（O2f）灰?guī)r頂界之間距離。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，9 號(hào)煤層底板隔水層厚度為33.66～66.87 m，平均57.67 m。9號(hào)煤層與奧灰峰峰組（O2f）頂面之間距離在井田西南部和北部邊界附近厚，在井田東南部邊界附近薄，最厚點(diǎn)位于井田西南部235 號(hào)孔所在位置處為66.87 m，最薄點(diǎn)位于井田西北部SW3 號(hào)孔所在位置處為33.66 m，如圖3 所示。

2.3 7、9 號(hào)煤層底板至奧灰峰峰組頂面之間隔水巖層巖性特征

7 號(hào)煤層底板至奧灰峰峰組頂面之間距離平均90.07 m。隔水層巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、鋁質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖和石灰?guī)r為主。泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、鋁質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖和石灰?guī)r等隔水層累計(jì)厚度76.1 m。隔水層累計(jì)厚度約占地層總厚度的84.49%。砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁土巖隔水性能很強(qiáng)，但強(qiáng)度低，7號(hào)煤層底板砂質(zhì)泥巖、泥巖類巖層居多，約占54.36%，垂向上砂質(zhì)泥巖同泥巖、粉砂巖等互層沉積，可以阻隔奧灰含水層與太灰含水層之間的水力聯(lián)系，對(duì)7 號(hào)煤層的開采還是有利的。

圖3 9 號(hào)煤層底板至奧灰頂面之間隔水層厚度等值線圖

9 號(hào)煤層底板至奧灰峰峰組頂面之間距離平均57.67 m。隔水層巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、鋁質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖和石灰?guī)r為主。隔水層平均44.66 m，隔水層累計(jì)厚度約占此段地層總厚度80.54%左右。砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁土巖隔水性能很強(qiáng)，但強(qiáng)度低，9號(hào)煤層底板砂質(zhì)泥巖、泥巖類巖層居多，約占69.86%，垂向上砂質(zhì)泥巖同泥巖、粉砂巖等互層沉積，可以阻隔奧灰含水層與太灰含水層之間的水力聯(lián)系，對(duì)9 號(hào)煤層的開采還是有利的。

據(jù)井田內(nèi)各施工鉆孔揭露7、9 號(hào)煤層底板至奧灰峰峰組頂面之間巖性特征可知：7、9 號(hào)煤層隔水巖層巖性巖性從上到下依次為泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖和粉砂巖。泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)致密，巖芯完整，破碎段極為少見，礦物成份以泥質(zhì)為主，微含砂質(zhì)及碎屑物或暗色礦物，均構(gòu)成了不透水的良好隔水層。粉砂巖結(jié)構(gòu)致密、堅(jiān)硬、強(qiáng)度高，裂隙不發(fā)育，礦物成份以粉砂為主，次為泥質(zhì)或其它碎屑物質(zhì)，構(gòu)成了基本不透水的隔水層。從此段地層組合結(jié)構(gòu)分析，系為泥質(zhì)巖與砂巖（底部為透鏡狀鐵礦層）所組成的相互疊置結(jié)構(gòu)，這種地層組合結(jié)構(gòu)，有效地限制了此段之間砂巖與薄層灰?guī)r的垂直裂隙發(fā)育，也限制了大氣降水及地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給作用，同時(shí)也限制了上覆含水層中地下水的下滲越流補(bǔ)給作用。分析認(rèn)為，這種含、隔水層相互疊置組成的地層結(jié)構(gòu)，在不受地質(zhì)構(gòu)造破壞及構(gòu)造裂隙溝通的情況下，具有很好的隔水性能及抗突水能力，構(gòu)成了上、下組煤層頂、底板良好的阻水屏障。

3 底板奧灰突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及開采可行性分析

3.1 底板奧灰突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

為合理評(píng)價(jià)本井田奧灰水對(duì)開采7、9 號(hào)煤層的突水危險(xiǎn)性，采用突水系數(shù)法對(duì)7、9 號(hào)煤層奧灰突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。本井田奧灰?guī)r溶水位標(biāo)高為1 123.95～1 129.46 m，7 號(hào)煤層底板標(biāo)高為+60～+1 060 m，9 號(hào)煤層底板標(biāo)高為 +40～+1 040 m。7、9號(hào)煤層底板標(biāo)高均低于奧灰水位標(biāo)高，7、9 號(hào)煤層均處于帶壓開采狀態(tài)，顯然，7、9 號(hào)煤層在開采過程中將受到煤層底板奧灰水的威脅。

本次采用《煤礦防治水細(xì)則》附錄五中煤層底板突水系數(shù)計(jì)算公式，對(duì)井田內(nèi)7、9 號(hào)煤層底板奧灰突水系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算：

式中：P為底板隔水層承受的水壓，MPa；T為突水系數(shù)，MPa/m；M為底板隔水層厚度，m。

7、9 號(hào)煤層突水系數(shù)計(jì)算成果見表1、表2。

表1 7 號(hào)煤層突水系數(shù)計(jì)算成果

井田內(nèi)7 號(hào)煤層突水系數(shù)0.022~0.111 MPa/m，最小值位于井田西南，最大值位于井田東北邊界，9號(hào)煤層突水系數(shù)0.034~0.164 MPa/m，最小值位于井田西南，最大值位于井田東北邊界。現(xiàn)將7、9 號(hào)煤層帶壓開采評(píng)價(jià)分區(qū)敘述如下：

表2 9 號(hào)煤層突水系數(shù)計(jì)算成果表

3.1.1 7 號(hào)煤層帶壓開采評(píng)價(jià)分區(qū)

分區(qū)結(jié)果見圖4。帶壓開采相對(duì)安全區(qū):T＜0.06 MPa/m 區(qū)域，突水系數(shù)小于底板受構(gòu)造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，該區(qū)內(nèi)開采發(fā)生底板奧灰突水概率相對(duì)較小，但斷層、陷落柱與封閉不良鉆孔破壞了該區(qū)域的底板完整性，降低了底板的阻隔水性，成為奧灰水的突水通道，因此構(gòu)造與封閉不良鉆孔是本區(qū)底板突水的主控因素，是底板水害防治工作的重點(diǎn)。

圖4 7 號(hào)煤層帶壓開采評(píng)價(jià)分區(qū)圖

帶壓開采危險(xiǎn)區(qū):0.06 MPa/m≤T＜0.10 MPa/m區(qū)域；0.01 MPa/m≤T 區(qū)域。突水系數(shù)大于臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，屬帶壓開采危險(xiǎn)區(qū)，發(fā)生奧灰突水的危險(xiǎn)較大，需進(jìn)行區(qū)域注漿加固底板或改造含水層等有效措施，并進(jìn)一步進(jìn)行奧灰?guī)洪_采安全性評(píng)價(jià)論證，在評(píng)價(jià)的相對(duì)安全區(qū)內(nèi)，方可進(jìn)行采掘工作。

3.1.2 9 號(hào)煤層帶壓開采評(píng)價(jià)分區(qū)

分區(qū)結(jié)果見圖5。帶壓開采相對(duì)安全區(qū)：T＜0.06 MPa/m 區(qū)，突水系數(shù)小于底板受構(gòu)造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，該區(qū)內(nèi)開采發(fā)生底板奧灰突水概率相對(duì)較小，但斷層、陷落柱與封閉不良鉆孔會(huì)破壞該區(qū)域的底板完整性，降低了底板的阻隔水性，成為奧灰水的突水通道，因此構(gòu)造與封閉不良鉆孔是本區(qū)底板突水的主控因素，是今后底板水害防治工作的重點(diǎn)。并且在構(gòu)造（斷層、裂隙和陷落柱）發(fā)育地段，峰峰組灰?guī)r水能夠沿含（導(dǎo)）水構(gòu)造進(jìn)入（潰入）礦井；因此，在該區(qū)域掘進(jìn)回采前需采用不少于2種物探手段進(jìn)行勘查，并結(jié)合鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，查清掘進(jìn)頭附近和回采工作面內(nèi)構(gòu)造的含（導(dǎo)）水性，對(duì)于已查明的含（導(dǎo)）水構(gòu)造，需采取注漿封堵加固或留取足夠的保護(hù)煤柱等措施，以確保煤礦生產(chǎn)安全。

帶壓開采危險(xiǎn)區(qū)：0.06 MPa/m≤T＜0.10 MPa/m區(qū)域；0.01 MPa/m≤T 區(qū)域。突水系數(shù)大于底板受構(gòu)造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，本區(qū)發(fā)生奧灰突水的危險(xiǎn)險(xiǎn)較大，需進(jìn)行區(qū)域注漿加固底板或改造含水層等有效措施，并進(jìn)一步進(jìn)行奧灰?guī)洪_采安全性評(píng)價(jià)論證，在評(píng)價(jià)的相對(duì)安全區(qū)內(nèi)，方可進(jìn)行采掘工作。

井田東北部煤層底板突水系數(shù)大于0.1 MPa/m的區(qū)域?yàn)閹洪_采危險(xiǎn)區(qū)，建議該區(qū)域不宜開采。

圖5 9 號(hào)煤層帶壓開采評(píng)價(jià)分區(qū)圖

3.2 帶壓開采可行性分析

1）在煤層底板突水系數(shù)不大于0.06 MPa/m 的區(qū)域，開采7、9 號(hào)煤層是安全可行的。

2）在煤層底板突水系數(shù)大于0.06 MPa/m 小于0.1 MPa/m 的區(qū)域，在不采取防治水措施的條件下開采7、9 號(hào)煤層存在突水的危險(xiǎn)。礦方在7、9 號(hào)煤層巷道掘進(jìn)前，需對(duì)掘進(jìn)工作面內(nèi)的導(dǎo)水構(gòu)造采取注漿封堵措施，經(jīng)驗(yàn)證注漿效果能夠滿足帶壓安全開采條件的要求后再掘進(jìn)7、9 號(hào)煤層巷道。

3）從龍泉煤礦4 號(hào)煤層開采情況看，煤層底板突水以分散狀為主，因此，礦方在7、9 號(hào)煤層工作面回采前，需對(duì)7、9 號(hào)煤層回采工作面底板采取注漿加固改造措施，經(jīng)驗(yàn)證注漿效果能夠滿足帶壓安全開采條件的要求后進(jìn)行回采7、9 號(hào)煤層工作面。

4 結(jié)束語

針對(duì)龍泉煤礦7、9 號(hào)煤層底板標(biāo)高均低于奧灰水位標(biāo)高，處于帶壓開采狀態(tài)，可能存在底板突水事故，采用理論分析和現(xiàn)場相結(jié)合針對(duì)帶壓開采進(jìn)行安全評(píng)價(jià)：

1）根據(jù)現(xiàn)有資料，推斷井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高1 123.95～1 129.46 m，7 號(hào)煤層底板隔水層厚度平均90.07 m，9 號(hào)煤層底板隔水層厚度平均57.67 m。

2）分析7、9 號(hào)煤層底板至奧灰峰峰組頂面之間巖性特征可知：隔水巖層巖性巖性從上到下依次為泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖和粉砂巖。這種含、隔水層相互疊置組成的地層結(jié)構(gòu)，在不受地質(zhì)構(gòu)造破壞及構(gòu)造裂隙溝通的情況下，具有很好的隔水性能及抗突水能力。

3）采用突水系數(shù)法針對(duì)7、9 號(hào)煤層不同位置處突水系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果針對(duì)煤層工作面進(jìn)行了分區(qū)，得到了帶壓開采相對(duì)安全區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)的分布位置，巷道掘進(jìn)及工作面開采時(shí)，需采取一定的注漿加固措施加固底板，防止突水事故的發(fā)生。