工作面带压开采安全评价及防治水技术实践

弓远程

（太原煤炭气化（集团）有限责任公司，山西 太原 030026）

煤炭开采多数为井工开采，随着开采深度的不断延伸，煤矿水害逐渐成为影响安全开采的重要因素之一，其危害程度仅次于瓦斯危害［1］。许多地方煤矿煤层开采受奥灰水影响，在开采过程中，一旦发生突水，可能带来灾难性后果。因此，针对奥灰水带压开采受隐伏构造导水问题所采取的煤矿防治水安全评价和安全技术措施已成为煤矿防治水工作重点［2-3］。

1 工程概况

1.1 可采煤层概况

荣康煤业位于洪洞县刘家垣镇岭南村至上树垣村一带，是2006年资源整合的单独保留矿井，地理位置为吕梁山南段东侧，汾河西岸。可采2-11号煤层，生产规模900 kt/a，煤系地层为石炭系上统太原组。现可采煤层为9号、10号、11号煤层。9号煤层厚度0.82～1.30 m，平均1.06 m，不含夹矸，结构简单。顶板岩性以石灰岩为主，底板岩性以泥岩为主，为全区可采的稳定煤层。10号煤层上距9号煤层间距为1.03～3.97 m，平均1.89 m，煤层厚度1.65～2.80 m，平均2.26 m，结构较简单。厚度变化不大，顶板岩性以泥岩为主，底板岩性以粉砂岩为主，为全区可采的稳定煤层。9号煤层和10号煤层距离较近，按同一煤层9+10号煤层考虑。11号煤层厚度1.65～3.23 m，平均2.44 m，结构较简单。顶板岩性为炭质泥岩或泥岩，底板岩性为石英砂岩或泥岩，为全区可采的稳定煤层。可采煤层地层柱状图，见图1。

图1 地层柱状图

1.2 奥陶系岩溶裂隙含水层

根据矿井地质资料，奥陶系峰峰组厚度101.40～105.30 m，上距11号煤层底板0～305 m。灰岩岩溶裂隙含水层单位涌水量为0.0545～5.799 L/s·m，为弱-强富水性含水层，水位标高为+515～+540 m，9+10号煤层底板标高为+245.0～+525.0 m，11号煤层底板标高为+235.0～+515 m，9+10、11号煤层底板标高基本低于奥灰水水位标高，属于带压开采.矿井在构造发育地段开采时有突水的可能，需对带压开采煤层进行安全评价，并开展防治水安全技术措施研究。

2 带压开采安全性评价

2.1 煤层底板隔水岩柱特征

（1）隔水岩柱的厚度

9+10、11号煤层底板隔水层厚度分别至峰峰组灰岩顶面之间的岩层，由泥岩及砂岩组成，裂隙不发育，完整性较好，该隔水层阻断了奥陶系峰峰组灰岩含水层与太原组灰岩岩溶裂缝含水层的联系。

据本井田及其周边地质钻孔资料可知：

井田及其附近9+10号煤层底板隔水层厚度为32.25～54.72 m之间，9+10号煤层底板与奥灰峰峰组（O2f）顶界之间隔水层在井田南部较厚，北部较薄。最厚点位于井田东南角边界附近87号孔附近，厚度为54.72 m；最薄点位于井田中东部边界副井检孔附近，厚度为32.25 m。

井田及附近11 号煤层底板隔水层厚度为21.32～44.57 m之间，11号煤层底板与奥灰峰峰组（O2f）顶界地层，南部较厚，北部较薄。最厚点位于井田东南角边界87号孔附近，厚度为44.57 m；最薄点位于井田中东部边界副井检孔附近，厚度为21.32 m。

（2）隔水岩柱的空间分布及其组合关系

井田及附近11号煤层底板至奥陶系中统峰峰组灰岩顶界之间地层厚度平均为31.72 m；井田内隔水岩层平均累计厚度28.63 m左右，占据总隔水层厚度的90%，主要以泥岩和粉砂岩为主，均可以作为隔水层，具有良好的隔水能力。

（3）隔水层工程地质特征

11号煤层顶板多为泥岩、砂质泥岩和粉砂岩；底板多为泥岩、砂质泥岩、铝土质泥岩和粉砂岩。11号煤层顶板泥岩抗压强度26.80～73.60 MPa，平均50.10 MPa，为软弱-坚硬岩石为主；抗切强度4.44～7.79 MPa，平均5.82 MPa；抗拉强度3.26～3.81 MPa，平均3.58 MPa。

底板泥岩抗压强度18.0～22.0 MPa，平均20.0 MPa，为软弱岩石；抗拉强度1.41～2.26 MPa，平均1.88 MPa；抗切强度4.00～5.33 MPa，平均4.75 MPa。由于11号煤层底板岩石强度为软弱，遇水易泥化，在一定条件下（顶面来压），易发生底鼓现象，但隔水性能较好。

2.2 矿山压力对底板破坏分析

底板突水是由采动矿压和底板承压水的共同作用而产生的。由于掘进和工作面采动，原有地应力平衡遭破坏，地应力重新分布，在地应力重新达到平衡时，必然有应变能释放，使岩体结构发生变化。

采动裂隙是构成底板承压水进入矿井的主要通道之一。底板是否突水，除取决于煤层底板隔水层厚度外，还与底板破坏深度有关。破坏深度影响因素主要为煤层底板的岩石类型、力学性质、煤层厚度及矿山压力大小。在隔水层厚度、岩性特征与岩石力学性质一定的情况下，工作面斜长与底板破坏带深度基本成正比。煤层开采产生的底板扰动破坏裂隙与下覆含水层之间的联系见图2。

图2 采动裂隙与下覆含水层之间联系

现对煤层底板导水破坏带深度（Cp）作具体分析

根据经验公式［4-5］，考虑采深、倾角和工作面斜长，则可用下述统计公式计算煤层底板破坏深度：

Cp=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

式中：Cp为底板破坏带深度，m；H为开采深度，m；L为工作面斜长，m，取200 m；α为煤层倾角，°，取8°。

计算可得，井田内开采9+10及11号煤层的底板扰动破坏深度分别为20.4～22.1 m和20.5～22.2 m，有效隔水层厚度分别为11.2～34.3 m和0.1～24.1 m。可知，在底板隔水层完整地段，下组煤对奥陶系峰峰组含水层具有有效的隔水作用。

2.3 奥灰带压开采“突水系数法”评价

按照《煤矿防治水细则》中附录五公式（式5-4-1）计算突水系数，并评价奥灰水对下组煤的突水危险性。

（1）突水系数计算公式

T=P/M

式中：M为底板隔水层厚度，m；P为隔水层承受的水压，MPa；T为突水系数，MPa/m。

（2）带压开采安全性分区标准

依据《煤矿防治水细则》，确定以下带压开采分区标准：

非突水危险区：承压水位以上区域

突水威胁区：T＜0.06 MPa/m

突水危险区：T≥0.06 MPa/m

（3）下组煤层底部奥灰水突水危险性评价

①9+10号煤层带压开采突水评价

经计算，井田范围内9+10号煤层底板承受奥灰水水头压力为0.558～3.195 MPa之间，见图3；突水系数（T）为0.015～0.069 MPa/m之间，见图4。

图3 9+10号煤层底板承受水头压力等值线

图4 9+10号煤层带压开采评价分区

②11号煤层带压开采突水评价

经计算，井田内,11号煤层底板承受奥灰水水头压力为0.558～3.195 MPa之间，突水系数（T）为0.021～0.091 MPa/m之间。

井田范围内全部带压开采，大部分处在突水威胁区（井田南部）、有一部分处在突水危险区（南区北部），见图5。突水危险区与井田中部下团柏正断层相邻，未来开采在进入突水危险区时，必须做好防探水工作，留设足够保安煤（岩）柱，以确保安全。

图5 11号煤层带压开采评价分区

3 带压开采防治水技术

3.1 断层防隔水煤（岩）柱的留设

承压水由断层或断层一侧的强含水层直接突破煤层而进入采区。据《煤矿防治水细则》，其有效防治措施为：在紧靠断层上盘一侧留设防隔水煤柱，见图6。

图6 含水或导水断层防隔水煤（岩）柱留设

其计算公式如下：

式中：L为煤柱留设的宽度，m；M为煤层厚度或采高，m；KP为煤层抗拉强度，MPa；P为作用于煤柱的水头压力，MPa；K为安全系数，一般取2～5。本次计算安全系数取5。

9+10号煤层平均厚度4.87 m（包括两煤层间泥岩），11号煤层平均厚度2.38；作用于煤柱的水头压力P值井田内平均值为1.505 MPa，最大为3.195；煤的抗拉强度(Kp)，取0.30 MPa。

分别采用9+10号煤层隔水层底板所受水压的均值及最大值，断层防隔水煤柱留设宽度为47 m和69 m。断距小于30 m的断层防隔水煤柱，采用47 m；断距超过30 m的断层防隔水煤柱，采用69 m。

分别采用11号煤层隔水层底板所受水压的均值及最大值，断层防隔水煤柱留设宽度为23 m和33 m。考虑到9+10号煤层距离11号煤层较近，在11号煤层开采时，防隔水煤柱的留设参考9+10号煤层。

3.2 底板注浆加固及改造

井田南区11 号煤层下距奥灰界面21.32 ～44.57 m之间，在煤层开采底板扰动裂隙形成后，有效隔水层厚度在0.1～24.1 m之间，给下组煤层底板奥灰水带压开采带来较大的隐患。

（1）含水层注浆改造

为了防止奥陶系灰岩岩溶裂隙水突入矿井，在探查工程完成后，考虑薄层灰岩含水层与奥陶系灰岩含水层可能连通，可对薄层灰岩进行注浆，将含水层变为隔水层，以提高对奥陶系灰岩水的阻挡能力。

（2）隔水层注浆加固

在工作面回采前，将已探明的隔水层破碎带进行注浆，保证隔水层的连续性和完整性，提高防突水能力。

4 结语

鉴于荣康煤业9+10号煤层、11号煤层底板位于奥灰水水位之下，带压开采存在突水危险的情况。本文分析了两组煤层底板隔水岩层特征及存在的突水因素，采用奥灰带压开采“突水系数法”通过理论计算，对9+10号煤层、11号煤层突水情况进行了安全评价：大部分处在突水威胁区、有一部分处在突水危险区，未来开采在进入突水危险区时，必须做好防、探水工作，留设足够保安煤（岩）柱，确保安全；最后通过理论计算确定了针对不同性质断层，留设煤柱的宽度要求及底板注浆加固等一系列防治水安全技术措施。