带压开采煤层底板突水危险性评价及防治措施

琚 翔

（山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100）

近年来，我国煤矿水害问题日趋严重，给人民生命财产及国家经济造成了巨大损失，引起了全社会的广泛关注[1]。我国华北型煤田大部分矿井已经开采石炭系下部煤层，煤层距奥陶系石灰岩近，岩层溶水较发育，含水层水头压力大，在煤层开采时易引发底板突水事故。经坊矿煤层属于带压开采，为了保证带压开采的安全性，需分析底板突水的影响因素，对矿井进行突水危险性评估。通过对煤层进行突水危险性评价，判断煤层开采受底板突水的威胁程度。依据突水危险性评价成果制定合理的防治水方案，选择正确的防治水措施，并应用于工程实践。

1 工程概况

经坊井田位于长治市上党区韩店镇境内，面积30.72 km2，开采标高+840～ +390 m，矿井采用斜井+竖井联合开拓，采用走向长壁后退式综放采煤法，采掘平面图见图2。井田内主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，其中山西组3号煤层和太原组8-2、9、14、15号煤层为可采煤层或局部可采煤层，其余均属不可采煤层。3号煤层位于山西组中下部，煤层厚度3.27～7.95 m，平均厚度6.02 m。3层煤地质柱状图见图1。3号煤层为矿井主采煤层，赋存于石炭系太原组地层中，煤层距离下部主要含水层为奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层，属强富水性含水层。井田内各含水层之间存在隔水层，一定程度上能阻隔各含水层之间的水力联系，起到良好的隔水作用。

图1 3号煤层岩层柱状图

图2 采掘平面图

2 底板突水影响因素分析

（1）含水层富水性

奥陶系石灰岩为含水丰富的高承压含水层，其富水性是决定底板突水的水量大小和突水点是否能持涌水的基本条件。

（2）隔水层

隔水层能够有效阻隔水，其阻水能力取决于隔水层的厚度、隔水层岩体的岩性等，且隔水层厚度越大，隔水效果越好。

（3）含水层承压水水压

一定隔水层厚度条件下，水压较小时发生底板突水事故的可能性较小，只有足够的水头压力才能引发突水事故。

（4）地质构造

断层、陷落柱等地质构造由于裂隙发育，是良好的导水通道，其对底板突水的影响是多方面的[3-4]：

① 水源对断层、陷落柱岩石存在浸泡崩解作用，使岩石处于饱和水状态，强度降低，并使其产生有利导升的突水通道。

② 工作面回采后采空区范围内的底板岩层应力重新分布，导致承压水渗入原为闭合的断层面内，使承压水进一步向上导升。

③ 地质构造的作用往往会导致隔水层内产生裂隙，削弱底板隔水层的隔水能力。

④ 断层、陷落柱等地质构造相互作用、连通，导致底板含水层影响范围扩大，并进一步破坏底板岩层的完整性。

⑤ 地质构造因工作面开采的采动影响而进一步活化，使底板隔水层裂隙进一步扩展，增加底板突水的可能性。

（5）煤层开采

工作面回采导致底板上覆岩层的应力将发生改变，底板的扰动破坏深度加大，裂隙将会进一步发育，增加了突水风险。

3 底板突水评价分析

底板突水的准确预测预报是保障带压安全开采的关键，本文采用突水系数计算公式来评价3号煤层的突水危险性。

突水系数计算公式简述如下：

式中：T为突水系数，MPa/m；P为隔水层承受的水压，MPa；M为底板隔水层的厚度，m；Cp为采动对底板的扰动深度，m。

3.1 突水系数计算相关参数选取

（1）底板隔水层厚度M

式中：H煤为煤层底板标高，m，h为奥灰顶面标高，m。

（2）底板隔水层承受的水头压力P

对煤层开采有底板突水危险的水源主要来自太灰和奥灰岩溶水。在确定水头压力时，采用奥陶系岩溶水的水位标高减去相应的奥陶系顶面标高值作为煤层底板承受的奥灰水压力，太灰水位标高减去K2顶面标高值作为煤层底板承受的太灰水压力。公式如下：

式中：H为奥灰岩溶水位标高，m；h为奥灰顶面标高，m。

（3）底板采动破坏带深度值Cp

采动底板破坏最大深度的计算如图3，采用土力学中地基的计算方法得到底板最大破坏深度为：

图3 采动影响底板破坏深度示意图

3.2 煤层底板突水分析

通过上述计算方法得到突水系数成果见表1。

表1 3号煤层突水系数计算成果表

从中可以发现3号煤层奥灰水突水系数在0.015～0.027 MPa/m之间，3号煤层太灰水突水系数在0.018～0.032 MPa/m之间。根据《煤矿防治水细则》中的规定：底板受构造破坏的地段突水系数一般不得大于0.06 MPa/m，隔水层完整无断裂构造破坏的地段不得大于0.1 MPa/m，3号煤层带压区突水系数均小于0.06 MPa/m，属于相对安全区。但由于该井田西北部岩溶陷落柱较发育，其成为导致底板突水的主要原因。

根据计算的结果，可以发现在隔水层厚度、采动破坏深度、含水层水位标高一定时候，3号煤层突水系数主要取决于岩溶水水压，两者的关系如图4。

图4 岩溶水水压对底板突水系数的影响

4 带压开采底板突水防治措施

3号煤层为相对安全区，但依然存在突水的可能，且井田西北部岩溶陷落柱较发育，因此需要加强隐伏陷落柱的探测，对已揭露的陷落柱应留设足够的防隔水煤柱，随时观察井下水量变化情况。3号煤层需在加强防治水工作的情况下进行带压开采。因此制定了如下防治措施：

（1）为了防止因断层而发生突水事故，必须在查明其地质及水文地质条件的基础上，留设合理的断层防水煤柱。

（2）通过控制工作面的开采长度，采用小条带开采或连续开采方法，降低底板采动破坏深度，降低底板突水危险性，另一方面也可以减弱采动对断层的影响。

（3）加强水文地质基础调查工作，发现导水裂隙及隐伏构造导水通道，及时处理。

（4）建立地下水动态观测系统，对地下水进行动态观测、水害预报。

（5）掘进工作面时，通过超前探查的方式初步查明掘进工作面前方与底板承压含水层水文地质条件及构造分布情况，作为掘进工作面设计安全参考依据资料。利用探放水钻孔，查明回采工作面内有无底板承压含水层导水构造，作为回采工作面安全参考依据资料。工作面回采前，需要查明回采工作面底板承压含水层水文地质条件，对异常区进行钻探验证，确保工作面安全回采。

（6）疏水降压或疏干有害含水层，留设各种防水煤柱隔阻有害水源；注浆堵住水口，或加固裂隙带，充填改造含水层，加固底板。

（7）建立健全排水系统，加强预测预报，加强管理，提高责任意识。将防治措施应用于工程实践，在工作面回采过程中未发生突水事故，且矿井涌水量在安全范围之内。

5 结论

（1）明晰了底板突水的影响因素以及各因素的作用机制。通过计算3号煤层分别受奥灰岩与太灰岩含水层作用下的突水系数，得到3号煤层为相对稳定区，突水可能性小的结论，并验证了岩溶水水压与突水系数成正相关。

（2）制定了底板突水的防治措施：留设防水煤柱、减小工作面长度、防探结合和加强管理。回采过程中有效地防治了底板突水，保证了矿井的安全、高效生产。