新景矿15号煤层带压开采危险性评价

李晓伟

（阳泉新宇岩土工程有限责任公司，山西 阳泉 045000）

0 引 言

矿井水害是影响矿井安全高效生产的重要灾害之一。随着煤炭浅部资源的枯竭，逐渐转向深部开采，采掘工作面底板承受的地压、水压越来越大，底板水的威胁日趋严重。

许多专家学者为了安全生产进行多方面的研究，“深降强排”和“带压开采”是解决工作面受底板水害的主要方法，“带压开采”具有成本低、对环境影响小的特点，成为主要方法[1-2]。本文在详细分析新景煤矿水文地质资料和生产揭露现状的基础上，依据《煤矿防治水细则》，利用“五图-双系数法”对带压开采的15号煤层底板突水危险性进行了综合分区评价，以防止发生底板突水事故，对确保煤矿安全高效开采具有重要的意义。

1 工程概况

新景煤矿是国有重点建设煤矿，核定生产能力为5.80 Mt/a，主采煤层为3、8、9、15号煤，采用主斜井—副立井综合开拓方式，整个矿井分2个水平开采，第一水平主要回采开采上组煤（3号、8号、9号）和部分15号煤层，第二水平主要回采15号煤层。依据对矿井水文地质条件及其生产情况分析，矿井水害威胁主要是底板奥灰岩溶水、采空区积水等。奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水岩组为井田内最主要的含水岩层，埋藏较深，厚度在580 m左右，15号煤层距离奥陶系灰岩最近，距离奥灰顶界面间距平均为66 m，隔水层由铝土岩、厚层砂岩、泥岩、灰岩组成。15号煤层受奥灰含水层影响，承压水压高，属于带压开采煤层，开采中一旦遇到大的断裂构造和导水陷落柱时，将导致奥灰含水层地下水向上导通发生工作面突水，在含水岩组富水性中等—强的区域，出水量大并且稳定，不易疏干，将影响矿井的安全生产。

2 评价基本原理

为了保证15号煤层带压开采工作的安全进行，依据《煤矿防治水细则》，决定采用“五图-双系数法”对煤层底板突水危险性进行综合分区评价。“五图-双系数法”是一种带压开采工作面评价的方法，该方法在对带压工作面评价时涉及许多细致的工作内容，其中主要围绕“五图”、“双系数”和“三级判别”来进行[3-5]。评价流程如图1所示。

图1 “五图—双系数法”流程示意Fig.1"Five graph-double coefficient method"flow

3 15号煤层带压开采危险性评价

3.1 评价参数选取

15号煤层带压开采主要针对奥陶系灰岩含水层，受水压力、隔水层厚度以及采动、地应力等因素的影响，存在奥灰突水的危险。在带压开采过程中，底板破坏深度对防治奥陶系灰岩突水至关重要，此次从开采深度、煤层倾角、工作面长度因素进行考虑，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中底板采动导水破坏深度统计公式[6]，计算15号煤层开采底板导水破坏深度。

式中：H为设计最大采深，m；α为煤层倾角，°；L为工作面斜长，m。

工作面设计开采深度最深为850 m，煤层倾角为5°，工作面长度为170～256 m，通过计算得到“底板破坏深度”发育高度26.91～30.85 m，并把底板保护层破坏深度绘制成等值线，其分布状况如图2所示。通过对矿区地质资料的收集，共收集到15号煤层带压区内的钻孔资料75个，对钻孔资料数据进行统计，带压区内各钻孔处15号煤层底板埋深在434～850 m，计算与奥灰顶界面的距离，得到15号煤层底板保护层（隔水层）厚度在63.03～101.95 m，其厚度变化情况如图3所示。煤层底板隔水层承受的水头高度在67～280 m，其分布规律如图4所示。通过计算得出的“有效保护层”厚

图2 1 5号煤层底板破坏深度等值线图Fig.2 Contour map of damage depth of bottom plate of No.15 coal seam

图3 1 5号煤层底板保护层厚度等值线图Fig.3 Contour map of the thickness of the protective layer at the bottom of No.15 coal seam

图4 1 5号煤层底板隔水层承受水头压力等值线图Fig.4 Contour map of the head pressure on the water barrier at the bottom of the No.15 coal seam

度在34.56～73.41 m，其厚度变化情况如图5所示。

图5 1 5号煤层底板有效保护层厚度等值线图Fig.5 Contour map of effective protective layer thickness at the bottom of No.15 coal seam

3.2 带压开采危险性评价

通过对15号煤层带压开采评价参数的选取并结合图例综合分析研究，利用《矿区水文地质工程地质勘探规范》中突水系数计算公式，即T=P/(M-Cp)，井田内煤层自北向南随着煤层埋藏深度增加，煤层承受的奥灰水压力增高[7]，突水系数增大，得到15号煤层突水系数在0.017 9～0.066 5 MPa/m；依据带压系数计算公式，Td=P/M，计算得出15号煤层的带压系数在0.012 1～0.038 0 MPa/m。此次评价采用“带压系数”和“突水系数”两种系数，以“带压系数”为主要评价指标，配合“三级判别”，进行带压等级分区。等级分区为，15号煤层带压开采时，井田西南煤层埋深最深，突水系数大于0.06 MPa/m，带压系数小于0.06 MPa/m，属Ⅱ级评价的范畴，工作面发生突水的可能性较小，有效保护层厚度在34.56～73.41 m，阻抗水头压力的能力较低，增加了发生突水的可能，如存在断层、陷落柱等地质构造，增加发生突水的可能性；其它区域“突水系数”及“带压系数”均小于0.06 MPa/m，正常情况下，能够实现安全生产，但在遇隐伏断裂构造时有发生突水的可能，增大突水风险[8-10]，15号煤层带压开采评价图如图6所示。

图6 1 5号煤层带压开采评价Fig.6 Evaluation of No.15 coal seam with pressure mining

为保障15号煤层的安全高效的开采，结合15号煤层带压开采危险性评价结果，对矿井进行地面综合勘探，并通过二次解释等技术方法对煤层底板及构造富水情况基本查明，且佛洼区强排水系统即将建成投入使用，在坚持有掘必探工作的基础上，矿井超前探测及防治构造导水等防治水工作难度中等。

4 结 语

新景煤矿15号煤层属于带压开采煤层，依据“五图-双系数法”评价原理对煤层进行带压开采危险性评价，评价结果表明，井田西南煤层最低点附近区域属Ⅱ级评价，其它区域属于Ⅰ级评价，15号煤层具备带压开采条件，底板突水危险性较小，隐伏断裂构造增大了发生突水的可能，在开采过程中应加强断层与隐伏构造的超前探测与防治。