坪上煤礦15號煤層帶壓開采安全性評價及治理

張慕宇

（晉煤集團坪上煤業有限公司，山西 晉城 048203）

煤炭資源在開采過程中由于受到周邊水資源的威脅，如果缺乏妥善的治理措施則會有發生礦井水害事故的可能。分析研究發現，引起礦井水災的因素十分復雜。行業專家根據對突水機理的研究，對礦井水災的主要致因元素進行了定量的標準表征[1]。并在煤層底板的標高低于奧灰水位的標高時，提出了帶壓開采的技術工藝。帶壓開采屬于特殊開采技術，是解決煤層底板隔水層承受壓的有效方法，在不降低或少降低含水層水頭壓力的情況下如何確保安全采煤是帶壓開采技術的重點。

帶壓開采技術同樣適用于地質條件復雜、煤層賦水豐富的礦井，但在確定實施帶壓開采之前，需要對煤層帶壓開采的條件進行判斷和分析。目前，我國最常見的帶壓開采工作面安全性評價方法包括突水系數法、脆弱性指數法和突水概率指數法等，其中應用最廣泛的方法為突水系數法，即通過對煤層突水系數的計算判斷[2]。

1 15號煤層概況

坪上煤礦位于山西六大煤田之一的沁水煤田南部，15號煤層底板標高僅為230m左右，遠低于500m的奧灰水位標高。礦井由東南至西北奧灰含水層埋深逐漸變大，巖溶水徑流條件變差。同時井田北部由于寺頭斷層的存在，形成巖溶水的阻水邊界，因此需要進行帶壓開采。在此之前，筆者將對15號煤層的帶壓開采的難點與安全性進行重點論述。

1.1 15號煤層開采頂板充水水源

1.1.1 頂板充水水源

直接充水水源方面：15號煤層導水裂縫帶發育高度達到63.7m，該位置可以溝通石炭系砂巖，因此判斷頂板直接充水水源為太原組K5灰巖。當開采后，主要以釋放含水層靜儲量為主，正常地段涌水量有限，容易控制。

間接充水水源方面：超過導水裂縫帶高度的含水層是15號煤層的間接水源，該區域主要包括二疊系砂巖裂隙含水層、第四系松散層含水層及地表水。由于此含水層總體富水性差，并距15號煤層距離較遠，總體影響不大，僅構造部位受采動影響時有對煤層充水的可能。

1.1.2 底板充水水源

15號煤層全區的底板標高低于奧陶系中統巖溶水水位標高，即全煤層屬與帶壓開采礦床。雖然與15號煤層底部之間的隔水層厚度僅25m 左右，甚至在部分區域剛過10m，隔水底板承受的水壓力水大，但富水性弱，補給條件差，對礦井15號煤層開采威脅有限，僅在斷裂構造發育區段存在充水的可能。

1.1.3 采空區積水

坪上煤礦為新建礦井，井田內煤層埋藏深，周邊并無老廢礦井，并且在已開采的3號煤層也無積水存在。根據對導水裂縫帶的計算分析，在15號煤層開采后，形成的導水裂縫帶高度依然沒有發育到3號煤底板，因此采空區積水對防治水的影響有限。

1.2 15號煤層地質條件對防治水的影響

1.2.1 斷層、陷落柱

根據坪上煤礦地質資料勘察分析，井下分別揭露了17條斷層與6個陷落柱。在采掘過程中，涌水量并無明顯增大和突水現象，說明其為非導水斷層，富水性不強。巷道掘進過程中一旦揭露導水斷層或陷落柱，煤層底板奧灰水有可能通過這些導水構造進入巷道，在防治水工作中需要在斷層附近作業時做好一定的防治水措施。

1.2.2 頂板導水裂縫帶

經勘察，坪上煤礦15號煤層的直接頂和老頂均為石灰巖，屬堅硬巖石。根據《煤礦防治水細則》中相關規定，需要進行打孔鉆探，對導水裂縫帶的高度進行計算。筆者結合鉆孔資料來計算并分析除15煤層可采范圍內垮落帶與導水裂隙帶發育高度及其導通情況，見表1。

如表1所示，當15號煤層開采后，垮落帶高度介于12.79 ～16.58m 之間，導水裂縫帶高度介于55.36～63.69m 之間。該距離大于可采煤層的相鄰間距，局部深度可達K5石灰巖。因此，9號煤層的采空積水區存在經15號煤層頂板導水裂縫對煤層開采構成潛在威脅的可能。

表1 15號煤層垮落帶與導水裂縫帶高度計算表

1.2.3 其他地質采動影響

由于受到采動的影響，在巷道掘進過程中會連通臨近含水層，當封閉止水不良時，將導致淺部孔隙水滲入井下，礦井巷道的出水點漏水，長期下去會導致巷道頂板淋水和滲水。

2 帶壓開采可行性的分析

根據對坪上煤礦充水水源、地質構造的分析來看，坪上煤礦雖部分區域處于帶壓區，但涌水量有限、大體可控，重點的治理工作在于對采動過程引起的水害治理，因此可以實施帶壓開采技術。

2.1 突水系數的計算

經計算，15號煤層安全隔水層厚度小于礦井實際隔水層厚度，在對15號煤層進行奧灰水防治時，決定將峰峰組上部35m作為相對隔水層，并對15號煤層各區域進行鉆孔勘查，再根據勘查數據經公式（1）計算突水系數[3]：

式中：T——突水系數，MPa/m；

P——隔水層承受的水壓，MPa；

M——底板隔水層的厚度，m。

1～4 號鉆孔分別代表本煤層東西南北四個方向，總體上突水系數由井田西北向東南方向逐漸變小，具體計算結果如表2 所示：15 號煤層各方位的突水系數介于0.060～0.073MPa/m 之間，均小于臨界突水系數0.1MPa/m。

表2 15號煤層突水系數計算結果統計表

2.2 帶壓開采安全性分區

根據對15號煤層水源分析和突水系數的計算可以看出，井田大部分區域富水性較弱，突水量有限，對礦井生產的安全威脅較小。但井田西北部區域存在構造較發育的情況，富水性較強，并且有通過斷裂構造與下部含水層發生水力聯系的可能，因此突水系數較大。井田內靠近斷層、陷落柱發育的區域內，會對帶壓開采造成一定影響，在礦壓、水壓的破壞下，存在發生突水的可能在帶壓開采的防治過程中因對該區域進行重點的治理。

3 防治水措施

3.1 水害隱患的探測預報

通過對坪上煤礦水害特征的分析可以看出，15號煤層充水的主要途徑是斷裂構造導水，并且不排除底板奧灰巖溶水突水的可能。目前坪上煤礦3號煤層已經廣泛開采，主體斷層和構造帶得到了有效控制。但由于煤層底板隱伏導水構造由于具有潛藏隱蔽性，需要依托采掘巷道對隱伏斷裂和斷裂富水性采取物探探查。必須指出的是，雖然峰峰組含水層富水性一般較弱、巖溶裂隙不發育，但必須要重視底板薄弱區的勘查治理，斷層、陷落柱不發育地段的底板薄弱區也存在突水威脅。

3.2 井下防水煤（巖）柱留設

當對近水體進行采煤時，必須嚴格觀測采動對水體的影響，按水體的類型、規模、賦存狀況進行等級劃分，并對不同等級的水體采用留設安全煤巖柱的措施進行防治水[4]。

3.3 優化工作面

帶壓開采設計關鍵的部分在于對工作面采掘的優化、開采方法的選擇和參數的設定。如何盡可能減小采動的影響，對坪上煤礦的帶壓開采的安全十分關鍵。針對于此，筆者建議在井下采用對拉工作面采煤，以減小工作面的暴露面，控制采動破壞深度。為了避免工作面底板突水，實際生產中該礦采用60～80m 的對拉工作面開采，從而保證了工作面的安全生產。

4 結束語

當煤層底板的標高低于奧陶系中統巖溶水水位標高時，如果想實現煤炭資源的安全高效開采，必須對帶壓區域有充分的了解并進行安全性分析判斷。最終提出有針對性的防治水措施和帶壓開采設計。坪山煤礦在開采15號煤層時，需要進行帶壓開采技術方案，當遇到斷層等破碎薄弱帶,必須加強奧灰含水層的監測與防治工作。