帶壓開采煤層底板突水性分析與突水防治措施研究

徐念庭

（晉城澤祥勘探測繪有限公司，山西 晉城 048000）

近些年來，水害問題在我國的發生率越來越高，這一事故對人們的安全及社會的發展均會產生極大的危害，因此，煤礦必須給予高度重視。目前，華北地區的大部分煤礦的煤炭開采工作均進行到了石炭系下層，與奧陶系石灰巖十分接近，該煤層有著較為發育的融水，其含水層的水頭壓力極大。因此，在進行開采作業之時，底板極易出現突水問題。晉能控股裝備制造企業在開采A煤層的時候，其操作均為帶壓操作，為了保證安全高效開采，企業必須對突水問題進行詳細分析，明確導致其形成的原因，并進行評估。同時詳細分析該問題所造成的危險性，明確突水問題對開采工作的危害[1]。

1 工程概況

晉能控股裝備制造集團公司A 礦，面積30.1km2，在進行開采工作的時候，該企業主要采取斜井結合豎井的形式來進行，采取走向長壁后退式法來進行開采。該礦井之內所包含的煤層主要有兩種：一是石炭系上統太原組，其中只有8-2、9、14、15 號煤層可以開采；二是二疊系下統山西組，只有3號煤層可以開采，其余所有的煤層均不可開采。下面針對3號煤層進行介紹，該煤層的厚度為3.27～7.95m。平均達到6.02m，其構造詳見表1。在該煤礦中，3號煤層是其主煤層，與下部的奧陶系之中的石灰巖巖溶裂隙的含水層較為相近，是一個強富水性的含水層。在煤礦之中的各個含水層之間存在一定的隔水層，在某種程度之上可以將各個含水層之間存在的水力關聯進行阻隔，具有較高的隔水效果[2]。

表1 3號煤層巖層情況表

2 底板突水影響因素分析

（1）含水層富水性。奧陶系石灰巖的富水性較強，是一個承壓性較強的含水層，該煤層所具有的富水性對其是否會出現突水問題有著直接的影響，并且對突水的水量及該點是否會發生涌水有著較大的影響。

（2）隔水層。該層的作業在于阻隔水，這一功能的形成主要取決于隔水層所具有的厚度及其巖體具有的巖性，并且隔水性會伴隨著厚度的增加而不斷提升。

（3）含水層承壓水水壓。當隔水層保持一定的厚度，其突水事故的發生率會隨著水壓的降低而降低，只有當水頭達到了一定的壓力之后，突水事故才會發生[3]。

（4）地質構造。由于裂隙發育，斷層及陷落柱等地質構造是一個較好的導水通道，對突水問題產生了較大的影響：

①水源對上述地質構造有著較強的浸泡崩解作用，促使巖石維持一種飽和水狀態，強度減小，進而形成一種有效的突水通道。

②完成作業面的回采作業后，采空區底板會受到均勻的巖層應力，這就導致承壓水會逐漸滲入到以往的閉合斷層面之中，進而導致承壓水不斷向上升。

③由于存在地質構造，其常常會造成隔水層之內出現裂隙，可顯著降低隔水層的性能。

④斷層、陷落柱等一些地質結構之間相互影響，對含水層產生影響，使其持續擴大，進而對底板巖層產生嚴重的破壞，導致其無法保持完整性。

⑤地質構造由于作業面所進行的采動工作，而受到更深入地活化，使得底板的隔水層不斷擴展，從而使底板存在較大的突水風險性。

（5）煤層開采。作業面進行的回采工作將會對上覆巖受到的應力產生影響，使其發生改變，隨著底板破壞深度的持續增加，裂隙也不斷發育，增加其發生突水問題的可能性。

3 底板突水評價分析

為了確保底板帶壓開采的安全性，需要對其突水問題進行準確預報，本文利用突水系數的計算公式來對其進行計算，公式如下：

式中:T——相對應的突水系數，MPa/m；

P——相對應的隔水層所受到的水源壓力，MPa；

M——所對應的隔水層厚度，m；

CP——相應的采動對底板的擾動深度，m。

3.1 突水系數計算相關參數選取

（1）底板隔水層厚度M：

式中:H煤——煤層底板的標高，m；

h——奧灰巖層中頂面的標高，m。

（2）底板隔水層承受的水頭壓力P：在實際開采的過程中，太灰和奧灰兩個巖層的溶水性是導致底板發生突水問題的核心因素。在確定了水頭的壓力之后，在奧陶系之中可以通過巖溶水的水位標高與頂面的標高進行計算，以此差值來作為底板所承受的奧灰水的壓力，同時利用太灰水水位的標高與其頂面的標高進行計算，以其差值來作為底板所承受的太灰水的壓力[4]。計算式子如下：

式中：H——奧灰巖的融水標高，m；

h——奧灰頂面的標高，m。

（3）底板采動破壞帶深度值CP：對于采動深度的最大值可利用土力學之中的地基計算方法來進行計算，其結果如下：

式中:Dmax——底板破壞最大深度，m；

φ——內摩擦角，（°）；

a——r與r0之間存在的夾角，（°）；

r——借助a、b來分別表示相對應的原點與r0成a角部位存在的螺線半徑，m；

r0——ab之間存在的長度，m；

L——支撐壓力作用范圍，m。

3.2 煤層底板突水分析

通過以上計算方式來獲取突水系數，3號煤層突水性計算結果如表2、表3所示，其中表2為奧灰水突水系數情況表，表3為太灰水突水系數情況表。

表2 奧灰水突水系數情況表

根據表2、表3 的數據可知，該煤層奧灰水所具有突水系數的最小值為0.015MPa/m，最大值為0.027MPa/m；太灰水所具有的突水系數的最小值為0.018MPa/m，最大值為0.032MPa/m?；谙嚓P規定，對于底板因結構問題而受到破壞的區域，其突水系數一般都小于0.06MPa/m 以下，隔水層的結構基本完整，并沒有出現斷裂問題，其突水系數一般小于0.01MPa，帶壓區所具有的突水系數一般低于0.06MPa/m，這一個區域基本是安全區。但是由于該部位存在相對發育的巖溶陷落柱，其底板必定會發生突水問題[5]。

表3 太灰水突水系統情況表

基于上述分析結果可以發現，當采動作業的破壞深度、隔水層的厚度和含水層的標高均保持一定數值的時候，這一煤層所具有的突水系數基本需要可借助巖溶水的水壓來進行明確。

4 帶壓開采底板突水防治措施

3號煤層盡管屬于一個安全區，但是依舊存在發生突水問題的可能性，并且在西北方向的巖溶陷落柱相對發育，因此，需要對隱伏陷落柱進行探測，為預留防水煤柱提供支持，同時密切觀察礦井下水量的實際變化問題[6]。3 號煤層在進行帶壓開采的時候，需要持續加強防治水工作，因此，對其制定了以下幾點措施：

（1）為了避免底板因斷層因素而發生突水問題，需要詳細判斷其水質條件，并基于此來預先設置防水柱。

（2）通過嚴格控制開采作業的長度，采取小條帶或者持續性的開采方式來降低開采工作中底板受破壞的深度及發生突水問題的風險性，此外，也可有效避免斷層受到采動影響。

（3）煤礦需要詳細調查水文地質條件，及時找出其中的問題，并進行及時處理。

（4）建立健全的動態監測系統來實時監測地下水，對水害進行及時預報。

（5）在實施開采作業的時候，通過運用超前探查的形式來對作業面前側與底板承壓水層的地質狀況及構造進行確定，基于這一資料來完成作業面的安全設計。通過采取探放水鉆孔，確定作業面之間是否存在底板承壓含水層的倒水構造，并基于此來提高其安全性。在開展回采作業的時候，需要判斷底板承壓水層的地質條件，并針對一些異常區域實施鉆探，以此來提升回采作業的高效性和安全性[7]。

（6）通過疏水來降低壓力或者將有害含水層進行疏干，預先設置各種類型的防水煤柱，以有效阻隔有害水源，完成水口的封堵，或者增強裂隙帶，并對含水層進行相應的填充，加固底板[5]。

（7）建立完善的排水系統，做好預防，加強管理，確保其人員的責任意識得到提升。在實際工作的過程中，積極采取有效的預防措施，避免回采過程發生突水問題，保證涌水量維持在安全范圍。

5 結論

（1）分析導致突水事故發生的各個因素及其機制。通過計算奧灰巖和太灰巖含水層的影響之下3號煤層的突水系數，明確其是否屬于穩定區，計算結果顯示，該煤層屬于一個穩定區，基本不會發生突水事故，同時突水系數與巖溶水壓之間存在的關系為正比。

（2）制定完善的措施來預防突水問題，如設置防水煤柱子、降低作業面的長度等等，同時采取防結合探的形式來加強管理。在進行回采的過程中，可對底板突水進行較好的防治，確保礦井生產的安全高效。