岳城煤礦9#、15#煤層承壓開采可行性評價研究

成建棟

(山西晉能控股煤業(yè)集團沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006)

引 言

隨著近年來井田開采機械化程度的不斷提升，巷道的開采深度也在不斷增加，承壓開采已成為下組煤延伸的主要技術難題[1]。依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，礦井開采9#、15#煤層前需進行承壓開采可行性研究綜合評價，進行帶壓開采分區(qū)安全區(qū)、威脅區(qū)和危險區(qū)，明確相應的防治水措施，確保礦井生產安全。以岳城煤礦為例，該礦9#、15#煤層開采時主要受下伏奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層的威脅，該含水層水位高于9#煤層和15#煤層開采標高，存在承壓開采問題，必須進行承壓開采可行性評價，保證礦井安全回采。

1 地質條件

岳城煤礦為晉煤集團下屬生產礦井，現(xiàn)擬對石炭系上統(tǒng)太原組9#、15#煤層進行開采。根據(jù)礦區(qū)煤層賦存條件，9#煤層開采標高為+230 m～+350 m，15#煤層開采標高為+190 m～+350 m，根據(jù)礦井地質資料，礦井主要含水層為碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組，碎屑巖類裂隙含水層組及松散巖類孔隙含水層組，分布普遍，厚度穩(wěn)定。一般厚度15 m左右，系一較好的隔水層。由于太原組灰?guī)r均為薄層灰?guī)r，各灰?guī)r含水層均有泥巖類隔水層阻隔，加之井田范圍內構造不發(fā)育，各含水層間水力聯(lián)系相對較差。但K2灰?guī)r含水層位于15#煤層上方，距15#煤層較近，開采前需加強相應預防措施。煤層與奧陶系灰?guī)r水力聯(lián)系，如第123頁圖1和圖2所示。

由圖可知，區(qū)域內奧陶系灰?guī)r含水層富水性不均一，局部富水性較強，9#、15#煤層開采時主要受下伏奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層的威脅，該含水層巖溶裂隙較發(fā)育，水位標高約+500 m，其水位高于9#煤層和15#煤層開采標高，因此9#、15#煤層開采存在承壓開采問題，其奧灰?guī)r溶發(fā)育及富水程度將直接影響到煤礦今后的安全生產。

2 帶壓開采區(qū)域劃分

根據(jù)鉆孔資料，9#煤層突水系數(shù)T值為0.023 MPa/m～0.047 MPa/m，小于《煤礦防治水規(guī)定》中受構造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m；15#煤的突水系數(shù)T值為0.071 MPa/m～0.205 MPa/m。全礦區(qū)范圍內突水系數(shù)值均大于受構造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m。大部分地段突水系數(shù)值大于正常塊段臨界突水系數(shù)0.1 MPa/m。15#煤層開采受奧陶系灰?guī)r含水層威脅較大。

根據(jù)鄰礦寺河礦對峰峰組地層的專項研究表明，區(qū)內峰峰組地層頂部具備一定的阻水性，峰峰組相對隔水層的有效厚度在35 m～50 m。若將奧陶系上部峰峰組視為相對隔水層考慮，取有效隔水層厚度為35 m。在此情況下15#煤的突水系數(shù)T值為0.031 MPa/m～0.054 MPa/m。則全礦區(qū)突水系數(shù)值小于受構造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m。

3 帶壓開采分區(qū)及評價

根據(jù)對9#、15#煤突水情況繪制突水系數(shù)等值線圖并進行安全性分區(qū)，如第123頁圖3和第124頁圖4所示。

圖1 9#煤層與奧陶紀灰?guī)r之間水力聯(lián)系平面圖

圖2 15#煤層與奧陶紀灰?guī)r之間水力聯(lián)系平面圖

圖3 9#煤層帶壓開采分區(qū)及突水系數(shù)等值線圖

從圖3可以看出，9#煤層礦區(qū)范圍內突水系數(shù)均小受構造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m。全礦劃分為安全區(qū)。當將峰峰組地層視為含水層時，15#煤的突水系數(shù)T值為0.071 MPa/m～0.205 MPa/m，均超過0.06 MPa/m，根據(jù)受構造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m及正常塊段臨界突水系數(shù)0.1 MPa/m，將15#煤層開采區(qū)域分為威脅區(qū)及危險區(qū)。

圖4 15#煤層帶壓開采分區(qū)及突水系數(shù)等值線圖

從圖4可以看出，圖中黃色區(qū)域內，突水系數(shù)0.06≤T≤0.1 MPa/m，在底板完整地段開采時有一定安全性，將其劃分為威脅區(qū)，但該區(qū)域在受構造破壞地帶則為危險區(qū)。圖中紅色區(qū)域內，突水系數(shù)T>0.1 MPa/m，劃分為危險區(qū)。若將峰峰組地層視為相對隔水層，取峰峰組頂部35 m作為相對隔水層時，則奧灰水突水系數(shù)為0.031 MPa/m～0.054 MPa/m，全礦區(qū)15#煤層突水系數(shù)值小于受構造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m。全礦區(qū)可劃分為安全區(qū)。

綜上所述，岳城煤礦臨界突水系數(shù)小于受構造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，9#煤層全礦劃分為安全區(qū)，可進行帶壓開采；15#煤在將峰峰組地層視為含水層條件下，15#煤層開采受奧灰水威脅較大，尤其是區(qū)內斷層、陷落柱等構造發(fā)育地段開采，但根據(jù)區(qū)內水文鉆孔抽水試驗資料，峰峰組地層單位涌水量為0.000 4 L/s·m～0.003 7 L/s·m，富水性弱，且峰峰組地層平均厚達100 m，根據(jù)鄰礦寺河礦相關研究成果，峰峰組地層頂部具備一定的阻水性，峰峰組相對隔水層的有效厚度在35 m～50 m，若岳城煤礦取35 m作為相對隔水層，則15#煤層臨界突水系數(shù)小于受構造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，全礦可劃分為安全區(qū)，則可進行帶壓開采，但岳城煤礦現(xiàn)階段對峰峰組專項工作較少，已有水文孔皆位于礦井邊界，難以指導全礦水文工作，無法確切將峰峰組頂部地層劃為隔水層，在計劃開采前，必須對15#煤層底板峰峰組進行探查，制定防治水措施，才能夠實現(xiàn)15#煤的安全開采。

4 治理措施

4.1 合理留設防水煤柱

斷層防水煤柱應按照《煤礦防治水規(guī)定》要求留設，同時，還應根據(jù)斷層的性質和含水特征，并結合井田的實際情況合理地確定其寬度。對確已探明的導水斷層，尤其對落差較大的導水斷層，必須留設防水煤(巖)柱。結合岳城煤礦地質資料，斷層保護煤柱按50 m進行留設，陷落柱保護煤柱留設方法同煤層[2]。

4.2 探放水

根據(jù)井田地質報告資料及地形特征，采掘過程中可能遇導水斷層、導水陷落柱、頂板冒落帶等，要加強靠近探水地點的支護，打好堅固的支柱和攔板，以防高壓水沖垮煤壁和支架。現(xiàn)場準備好探水孔套管，萬一水壓較大時以便安裝水閥控制放水量，特別危險的地段，還應該選擇堅固地點修筑臨時水閘門[3]。

4.3 疏水降壓

經(jīng)計算，在將峰峰組作為含水層情況下，15#煤奧灰的突水系數(shù)T值為0.071 MPa/m～0.205 MPa/m，底板突水可能性較大，尤其是在底板受構造破壞塊段以及井田深部采區(qū)，奧陶系灰?guī)r巖溶突水的威脅性大大增加，必須采取必要的防治措施。

4.4 注漿改造

15#煤底板隔水層發(fā)育較為穩(wěn)定，但由于厚度較薄，且區(qū)內有斷層、陷落柱等構造，奧陶系灰?guī)r水可通過斷層、陷落柱等構造進入礦井造成突水危害。為了防止奧陶系灰?guī)r水突入礦井，可在開采前建立注漿泵站對15#煤底板含水層實施注漿改造，變砂巖含水層為隔水層，同時將奧陶系峰峰組灰?guī)r含水層改造成為隔水層，實現(xiàn)煤層底板隔水層的連續(xù)性和整體性，以提高對奧陶系高壓灰?guī)r水的阻抗能力。

5 結論

1) 井田內太原組灰?guī)r含水層均為薄層灰?guī)r，單位涌水量為0.000 921 L/s·m～0.001 943 7 L/s·m，富水性弱，各灰?guī)r含水層間及其與奧灰含水層間均有隔水層阻隔，在無構造地段無水力聯(lián)系，太原組灰?guī)r含水層對9#、15#煤層開采威脅較小。

2) 9#煤層突水系數(shù)為0.028 MPa/m～0.057 MPa/m，井田范圍內突水系數(shù)均小受構造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，全礦劃分為安全區(qū)，可以進行帶壓開采。15#煤層巷道掘進時，實際承受的水壓值小于安全水頭值且隔水層厚度大于安全隔水層厚度，可以進行巷道的正常掘進，但應防止在局部富水區(qū)段，由導水斷層和陷落柱誘發(fā)突水的可能。

3) 針對岳城煤礦帶壓開采安全技術措施，對于斷層、陷落柱以及本次采用突水系數(shù)法及脆弱性指數(shù)法確定的存在奧灰突水威脅的地段，應采取物探圈定富水異常區(qū)，并進行鉆探驗證，對查明峰峰組地層不含水段可將頂部作為隔水層則可進行帶壓安全開采，而含水段應先采取注漿改造等措施進行治理后方可進行工作面回采。