煤層帶壓開采的實(shí)踐與分析

彭鏡達(dá)

（山西寧武大運(yùn)華盛能源集團(tuán)有限公司，山西 忻州 036700）

0 引言

礦井水害事故是制約礦井安全生產(chǎn)的是主要災(zāi)害之一，有資料顯示，我國受礦井水害影響的井工煤礦超過8 000 座，其中，奧灰水影響最為巨大[1-2]。為消除和避免奧灰水所帶來的不利因素，井工礦必須盡可能的掌握礦井的水文地質(zhì)情況、了解煤層的開采條件。但目前仍有礦井煤層位于奧灰水帶壓開采區(qū)域，并隨著煤層的開采，采掘工作面底板所承受的地壓、水壓明顯增強(qiáng)，煤層開采過程中底板水害威脅也越來越嚴(yán)重[3-4]。

老窯溝煤業(yè)所處井田的奧灰水水位標(biāo)高在+1071～+1 080 m 之間，井田內(nèi)2# 煤層底板標(biāo)高+800～+1 520 m，5#煤層底板標(biāo)高+780～+1 480 m，因此，井田2、5#煤層底板標(biāo)高在+1 080 m 以上的為不帶壓區(qū)，煤層底板標(biāo)高在+1 080 m 以下的為帶壓區(qū)。本文就本礦帶壓區(qū)域如何安全開采進(jìn)行了詳細(xì)的探討。

1 工程概況

老窯溝煤業(yè)位于寧武煤田北部，生產(chǎn)能力120 萬t。目前礦井開采2#、5#煤層，兩個煤層工作面的開采范圍均涉及到帶壓開采區(qū)，為保證礦井的安全生產(chǎn)，將對帶壓區(qū)域進(jìn)行安全驗(yàn)證和開采設(shè)計。

2#煤層工作面開采后，待采空區(qū)完全垮落，頂板穩(wěn)定后，再開采其下部壓覆的5#煤層工作面。開采順序?yàn)橄乳_采上部2# 煤層202 采區(qū)，202 采區(qū)20201工作面開采完畢后開采50201 工作面；2#、5#煤層交替開采。經(jīng)計算，經(jīng)計算，202、203、502、503 采區(qū)設(shè)計可采儲量分別為137.4 萬t、100.95 萬t、257.4 萬t、236.9 萬t。

2 帶壓開采安全性評價

礦井巷道掘進(jìn)過程中，煤層底板是否發(fā)生突水主要受到底板承受的水頭壓力、底板隔水層性能以及巷道的底板寬度的影響。現(xiàn)依據(jù)相關(guān)公式對本礦2、5#煤層掘進(jìn)巷道突水安全進(jìn)行評價。

2.1 公式的選取

2#與5#煤層隔水層的平均厚度分別為122.1 m和54.7 m，掘進(jìn)工作面底板安全隔水層厚度的計算根據(jù)公式（1）：

式中：t 為安全隔水層厚度，m；L 為巷道底板寬度，取5 m；γ 為底板隔水層的平均重度，MN/m3，2# 取0.026 MN/m3，5# 取0.025 MN/m3；pA為底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度，MPa，據(jù)地質(zhì)報告資料，本礦2# 煤層底板至奧灰頂界巖體平均抗拉強(qiáng)度為1.2 MPa，本礦5# 煤層底板至奧灰頂界巖體平均抗拉強(qiáng)度為1.0 MPa；p 為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa，2#煤層底板承受最大水壓P=4.18 MPa，5# 煤層承受最大水壓P=3.66 MPa。

將以上參數(shù)帶入式（1）中，可得2、5#煤層安全隔水層厚度分別為：8.98 m 和9.17 m。

2.2 帶壓開采分析

根據(jù)上述公式計算出的2、5#煤層安全隔水層厚度小于礦井實(shí)際最小隔水層厚度，因此在正常塊段工作面掘進(jìn)不會受到底板奧灰水的威脅，具備帶壓開采的生產(chǎn)條件。

3 帶壓開采設(shè)計

3.1 工作面的布置

煤礦井下將布置1 個回采工作面，1 個備用工作面，2 個綜掘工作面，采掘比為1∶2。根據(jù)采動礦山壓力對底板突水試驗(yàn)與研究，北部采區(qū)留設(shè)斷層安全煤柱后，在煤柱之間布置煤層工作面，其中202 采區(qū)共設(shè)計20201、20202、20203、20204 四個工作面，203 采區(qū)共布置20301、20302 兩個工作面；其中20202、20203、20301、20302 工作面均處于帶壓開采區(qū)，20201、20204 屬于非帶壓開采區(qū)。

502 采區(qū)共設(shè)計50201、50202 兩個工作面，503采區(qū)共布置50301、50302 兩個工作面；其中50202、50301、50302 工作面屬于帶壓開采區(qū)，50201 工作面大部處于非帶壓開采區(qū)。

3.2 工作面的采動影響計算

根據(jù)公式（2）對煤層底板擾動破壞深度進(jìn)行計算。

式中：CP為采礦對底板擾動的破壞深度，m；H 為開采深度，2#煤層開采深度448.34 m，5#煤層開采深度514.52 m；α 為煤層傾角；2、5#煤層傾角取15°；L 為工作面斜長，根據(jù)礦方提供的初步設(shè)計，此次工作面斜長計算，2、5#煤均取最大值125 m。

因此，根據(jù)公式（2），計算出的2、5#煤層無構(gòu)造影響的工作面底板最大擾動破壞深度分別為21.37 m和22.25 m。由于斷層帶附近的采動導(dǎo)水破壞帶深度比正常巖層中增大約0.5～1.0 倍，此次斷層帶附近的采動導(dǎo)水破壞帶深度以增加1 倍計算，即為42.74 m和44.50 m。

綜上所述，采用長壁綜采放頂煤采煤法開采工藝（厚度小于4 m 的區(qū)域采用一次性采全高采煤法），全部垮落法管理頂板，工作面長度180 m 情況下，據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計算2、5#煤層底板破壞深度為42.74 m 和44.50 m，小于水文孔補(bǔ)5 孔2、5#煤層底板隔水層的厚度114.58 m 和48.40 m，一般情況下，在無構(gòu)造地段，工作面回采時在正常地段不會受底板奧灰水的威脅，因此，北部二采區(qū)2、5#煤層的工作面傾斜長度設(shè)計180 m 符合帶壓開采安全要求，且工作面設(shè)計布置方向亦符合帶壓開采條件。但5#煤層底板破壞深度為44.50 m，與水文孔-1 孔5#煤層底板隔水層的厚度48.40 m 接近，考慮到在構(gòu)造區(qū)域如果斷層構(gòu)造導(dǎo)水的話，突水威脅增大，因此建議礦方縮小5#煤層的工作面傾斜長度，建議工作面傾斜長度按120 m 布置，該情況下?lián)?jīng)驗(yàn)公式計算5#煤層底板破壞深度為30.92 m。

按照煤柱重新規(guī)劃工作面，2#煤工作面數(shù)量不變，但工作面長度縮短，5#煤502 采區(qū)可布置一個50201 回采工作面，503 采區(qū)可布置一個50301 回采工作面。

另根據(jù)斷層煤柱留設(shè)后可布置工作面長度，2#煤20203 工作面為最長145 m，5#煤最長120 m。

4 排水能力驗(yàn)證

分析收集了本礦井近三年的涌水量，礦井正常涌水量88.5 m3/h，最大118 m3/h。

4.1 井下排水能力要求

礦井井下排水設(shè)備應(yīng)當(dāng)符合礦井排水的要求。除正在檢修的水泵外，應(yīng)當(dāng)有工作水泵和備用水泵等；工作水泵能在20 h 內(nèi)排出礦井24 h 的正常涌水量，工作和備用水泵的總能力能在20 h 內(nèi)排出礦井24 h的最大涌水量。在礦井正常涌水量的基礎(chǔ)上，設(shè)計同時考慮井下消防灑水、黃泥灌漿等水量，排水設(shè)備選型按礦井正常涌水量108.5 m3/h，最大涌水量為138 m3/h計算。

4.2 排水路線的選擇

2#煤：202（203）工作面順槽（小水泵）→202（203）采區(qū)水倉→202（203）機(jī)軌合一下山（排水管）→2#煤北部機(jī)軌合一大巷、2#煤北部回風(fēng)大巷（水溝自流）→泄水孔（已有）→直排水倉（水泵房排水泵）→排水鉆孔（排水管）→地面→井下水處理站調(diào)節(jié)池。

5#煤：502（503）工作面順槽（小水泵）→502（503）采區(qū)水倉→502（503）機(jī)軌合一下山（排水管）→5#煤北翼機(jī)軌合一大巷、5#煤北翼回風(fēng)大巷（水溝）→直排水倉（水泵房排水泵）→排水鉆孔（排水管）→地面→井下水處理站調(diào)節(jié)池。

直排水泵房設(shè)備：選擇MD280-65×7 型煤礦耐磨多級離心水泵3 臺，水泵配YBX3 系列，4 極，10 kV，630 kW 隔爆型電動機(jī)，沿排水鉆孔敷設(shè)Φ273 mm×11 mm排水管2 趟。

202 采區(qū)水泵房設(shè)備：選用三臺MD280-43×3型礦用耐磨離心式水泵（額定流量280 m3/h，揚(yáng)程129 m），配套功率200 kW，電壓1 140 V 礦用防爆電機(jī)。排水選用Φ273 mm×7 mm 無縫鋼管。502 采區(qū)水泵房設(shè)備：選用三臺MD280-43×4 型礦用耐磨離心式水泵（額定流量280 m3/h，揚(yáng)程172 m），配套功率250 kW，電壓1 140 V 礦用防爆電機(jī)。排水選用Φ273 mm×7 mm 無縫鋼管。

在正常情況下，井下僅頂板含水層涌水時，井下排水系統(tǒng)能及時排出北部2、5#煤層井下涌水；當(dāng)發(fā)生底板奧灰含水層突水情況時，參照奧水突水量理論預(yù)估值，井下主排水系統(tǒng)3 臺水泵和502 采區(qū)排水系統(tǒng)3 臺水泵的排水能力能及時排出北部2#煤層井下涌水。奧水含水層突水量預(yù)估值可以作為參考應(yīng)用，對井田北部的2、5#煤層涌水量及考慮到底板奧灰含水層突水時的涌水情況開展進(jìn)一步研究。在生產(chǎn)過程中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)工作面可能突水時涌水量的研究的同時，在2#煤層帶壓區(qū)內(nèi)回采時，利用物探和鉆探相結(jié)合的方法有針對性地對202 采區(qū)的斷層水害進(jìn)行詳細(xì)的分析與探查，為5#煤層帶壓區(qū)內(nèi)突水量的預(yù)測提供基礎(chǔ)依據(jù)。及時根據(jù)實(shí)際開采及涌水情況及時調(diào)整礦井的排水能力，以確保礦井安全生產(chǎn)。

5 結(jié)語

根據(jù)對老窯溝礦井帶壓開采危害程度分析，筆者進(jìn)行了帶壓開采可行性的安全評價和設(shè)計。分析認(rèn)為礦井防治水的關(guān)鍵是防治導(dǎo)水?dāng)鄬印⒌装鍔W灰水導(dǎo)入發(fā)生突水事故，因此需加強(qiáng)對井田北部帶壓區(qū)內(nèi)隱伏構(gòu)造以及奧灰含水層富水性分布進(jìn)行探查，尤其是其含水性和導(dǎo)水性，為帶壓開采提供較為準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)；對于2、5#煤井田北部帶壓區(qū)內(nèi)導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造或?qū)τ陂_采無法避開的導(dǎo)水通道，采用留設(shè)防隔水煤柱或注漿封堵的方法進(jìn)行加固。為此對井田北部2、5#煤回采制定如下斷層主要防治水技術(shù)措施。