新景礦15號煤層帶壓開采危險性評價

李曉偉

（陽泉新宇巖土工程有限責任公司，山西 陽泉 045000）

0 引 言

礦井水害是影響礦井安全高效生產的重要災害之一。隨著煤炭淺部資源的枯竭，逐漸轉向深部開采，采掘工作面底板承受的地壓、水壓越來越大，底板水的威脅日趨嚴重。

許多專家學者為了安全生產進行多方面的研究，“深降強排”和“帶壓開采”是解決工作面受底板水害的主要方法，“帶壓開采”具有成本低、對環境影響小的特點，成為主要方法[1-2]。本文在詳細分析新景煤礦水文地質資料和生產揭露現狀的基礎上，依據《煤礦防治水細則》，利用“五圖-雙系數法”對帶壓開采的15號煤層底板突水危險性進行了綜合分區評價，以防止發生底板突水事故，對確保煤礦安全高效開采具有重要的意義。

1 工程概況

新景煤礦是國有重點建設煤礦，核定生產能力為5.80 Mt/a，主采煤層為3、8、9、15號煤，采用主斜井—副立井綜合開拓方式，整個礦井分2個水平開采，第一水平主要回采開采上組煤（3號、8號、9號）和部分15號煤層，第二水平主要回采15號煤層。依據對礦井水文地質條件及其生產情況分析，礦井水害威脅主要是底板奧灰巖溶水、采空區積水等。奧陶系中統石灰巖巖溶裂隙含水巖組為井田內最主要的含水巖層，埋藏較深，厚度在580 m左右，15號煤層距離奧陶系灰巖最近，距離奧灰頂界面間距平均為66 m，隔水層由鋁土巖、厚層砂巖、泥巖、灰巖組成。15號煤層受奧灰含水層影響，承壓水壓高，屬于帶壓開采煤層，開采中一旦遇到大的斷裂構造和導水陷落柱時，將導致奧灰含水層地下水向上導通發生工作面突水，在含水巖組富水性中等—強的區域，出水量大并且穩定，不易疏干，將影響礦井的安全生產。

2 評價基本原理

為了保證15號煤層帶壓開采工作的安全進行，依據《煤礦防治水細則》，決定采用“五圖-雙系數法”對煤層底板突水危險性進行綜合分區評價。“五圖-雙系數法”是一種帶壓開采工作面評價的方法，該方法在對帶壓工作面評價時涉及許多細致的工作內容，其中主要圍繞“五圖”、“雙系數”和“三級判別”來進行[3-5]。評價流程如圖1所示。

圖1 “五圖—雙系數法”流程示意Fig.1"Five graph-double coefficient method"flow

3 15號煤層帶壓開采危險性評價

3.1 評價參數選取

15號煤層帶壓開采主要針對奧陶系灰巖含水層，受水壓力、隔水層厚度以及采動、地應力等因素的影響，存在奧灰突水的危險。在帶壓開采過程中，底板破壞深度對防治奧陶系灰巖突水至關重要，此次從開采深度、煤層傾角、工作面長度因素進行考慮，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中底板采動導水破壞深度統計公式[6]，計算15號煤層開采底板導水破壞深度。

式中：H為設計最大采深，m；α為煤層傾角，°；L為工作面斜長，m。

工作面設計開采深度最深為850 m，煤層傾角為5°，工作面長度為170～256 m，通過計算得到“底板破壞深度”發育高度26.91～30.85 m，并把底板保護層破壞深度繪制成等值線，其分布狀況如圖2所示。通過對礦區地質資料的收集，共收集到15號煤層帶壓區內的鉆孔資料75個，對鉆孔資料數據進行統計，帶壓區內各鉆孔處15號煤層底板埋深在434～850 m，計算與奧灰頂界面的距離，得到15號煤層底板保護層（隔水層）厚度在63.03～101.95 m，其厚度變化情況如圖3所示。煤層底板隔水層承受的水頭高度在67～280 m，其分布規律如圖4所示。通過計算得出的“有效保護層”厚

圖2 1 5號煤層底板破壞深度等值線圖Fig.2 Contour map of damage depth of bottom plate of No.15 coal seam

圖3 1 5號煤層底板保護層厚度等值線圖Fig.3 Contour map of the thickness of the protective layer at the bottom of No.15 coal seam

圖4 1 5號煤層底板隔水層承受水頭壓力等值線圖Fig.4 Contour map of the head pressure on the water barrier at the bottom of the No.15 coal seam

度在34.56～73.41 m，其厚度變化情況如圖5所示。

圖5 1 5號煤層底板有效保護層厚度等值線圖Fig.5 Contour map of effective protective layer thickness at the bottom of No.15 coal seam

3.2 帶壓開采危險性評價

通過對15號煤層帶壓開采評價參數的選取并結合圖例綜合分析研究，利用《礦區水文地質工程地質勘探規范》中突水系數計算公式，即T=P/(M-Cp)，井田內煤層自北向南隨著煤層埋藏深度增加，煤層承受的奧灰水壓力增高[7]，突水系數增大，得到15號煤層突水系數在0.017 9～0.066 5 MPa/m；依據帶壓系數計算公式，Td=P/M，計算得出15號煤層的帶壓系數在0.012 1～0.038 0 MPa/m。此次評價采用“帶壓系數”和“突水系數”兩種系數，以“帶壓系數”為主要評價指標，配合“三級判別”，進行帶壓等級分區。等級分區為，15號煤層帶壓開采時，井田西南煤層埋深最深，突水系數大于0.06 MPa/m，帶壓系數小于0.06 MPa/m，屬Ⅱ級評價的范疇，工作面發生突水的可能性較小，有效保護層厚度在34.56～73.41 m，阻抗水頭壓力的能力較低，增加了發生突水的可能，如存在斷層、陷落柱等地質構造，增加發生突水的可能性；其它區域“突水系數”及“帶壓系數”均小于0.06 MPa/m，正常情況下，能夠實現安全生產，但在遇隱伏斷裂構造時有發生突水的可能，增大突水風險[8-10]，15號煤層帶壓開采評價圖如圖6所示。

圖6 1 5號煤層帶壓開采評價Fig.6 Evaluation of No.15 coal seam with pressure mining

為保障15號煤層的安全高效的開采，結合15號煤層帶壓開采危險性評價結果，對礦井進行地面綜合勘探，并通過二次解釋等技術方法對煤層底板及構造富水情況基本查明，且佛洼區強排水系統即將建成投入使用，在堅持有掘必探工作的基礎上，礦井超前探測及防治構造導水等防治水工作難度中等。

4 結 語

新景煤礦15號煤層屬于帶壓開采煤層，依據“五圖-雙系數法”評價原理對煤層進行帶壓開采危險性評價，評價結果表明，井田西南煤層最低點附近區域屬Ⅱ級評價，其它區域屬于Ⅰ級評價，15號煤層具備帶壓開采條件，底板突水危險性較小，隱伏斷裂構造增大了發生突水的可能，在開采過程中應加強斷層與隱伏構造的超前探測與防治。