浅谈煤矿奥灰带压开采的治理措施

巨亚静

(山西潞安集团左权阜生煤业有限公司，山西 晋中 032600)

引 言

整合矿井资源逐渐枯竭，如何提高矿井回采率，实现安全生产，争创效益最大化是目前煤矿企业面临的最大问题。在实际生产过程中执行带压开采在所难免，但是，带压开采最大的隐患就是顶板与水害管控，必须针对不同地带、不同地质条件，因地制宜地采取可行性开采措施[1-2]。

1 奥灰突水危害

阜生煤业井田内奥陶系含水层主要为峰峰组、马家沟组灰岩含水层，根据井田内钻孔资料及区域地质资料，峰峰组灰岩岩性以石灰岩、泥质灰岩、角砾灰岩为主，其富水性较弱。马家沟灰岩裂隙较发育，富水性较强[3]。

根据阜生煤业矿井地质报告资料，奥陶系灰岩顶部岩溶发育异常区零散分布在全区，从整体看，奥陶系灰岩顶部岩溶发育相对较弱；奥陶系灰岩顶界面以下100 m内岩溶发育异常区主要分布在井田的北部地区和南部地区，从整体看奥陶系灰岩顶界面以下100 m内岩溶发育相对较弱；奥陶系灰岩顶界面以下100 m～200 m内岩溶发育异常区主要分布在西北部含南部地区，其他地方零星分布，从整体看奥陶系灰岩顶界面以下100 m～200 m内岩溶发育相对较强。根据井田内水源井对奥陶系中统岩溶裂隙含水层抽水试验资料分析，富水性中等，水化学类型属HCO3·SO4-Ca型，水位标高+820.07 m。结合区域资料，推测井田内的奥灰水水位标高为+820 m～+823 m。

阜生煤业位于太行山以西的煤田区域，因矿井服务年限已长，面临资源枯竭，矿井现开采深度不断延伸，导致底板含水层的水位高于煤层的标高，矿井转入奥陶系岩溶承压水面下进行采掘作业，加上属于资源整合保留矿井，地质资料及勘探资料薄弱，对井下开采条件具有不确定因素，在井下作业现场地下水有涌入开采工作面和巷道的危险性，对矿井的生产及人身安全产生巨大威胁。

2 安全治理措施

经分析矿井井田开采的水文地质条件，结合矿井实际生产作业情况，对矿井的带压水害区域探索开采制订了可行性的安全治理措施及方案。

2.1 水文地质补充勘探

矿井水文地质条件的研究程度薄弱，虽然井田内水源井对奥灰含水层进行过抽水试验，但是不能真实反映出矿井的奥灰实际情况，据此资料作出的评价具有单一性，须进行水文地质补充勘探，目的是探明奥陶系灰岩含水层，其正是矿井井田影响15号煤层开采的主要含水层。因此，矿井由具有资质的地测部门采用水文地质钻探、抽水试验、水化学特征探查、地下水动态观测进行补充勘探，通过“四位一体”反映出井下具体地质实况，建立奥灰水位观测系统，在采掘作业中边推进边勘探，综合分析，实时动态掌握奥灰水位。

2.2 工作面布置及要求

矿井开采至今，经过多年开采实践、现场勘探及研究分析，煤层底板破坏与工作面的长短、巷道开掘断面、锚杆锚索规格设置、工作面顺槽及切眼的布置长度关系较为紧密。工作面布置是水害防治主要的措施之一，经过大量试验证明，15#煤层的顶底板破坏程度与工作面的布置、采掘顺序均有一定的联系。通过对矿井采掘活动造成的矿山压力及顶、底板突水试验、勘查与研究，主要采取以下措施：

1) 设计工作面顺槽及切眼长度

根据实际地质情况，在底板隔水层厚度及强度不够或构造裂隙发育时，为降低矿井突水的风险系数，应考虑大面改小面，缩短回采工作面斜长以减少顶底板破坏程度。经计算，带压区内工作面斜长≤148.8 m时，底板突水可能性不大。因此，今后在带压区内布置工作面时，应酌情减少工作面巷道斜长长度。

2) 调整采掘工作面布置

采掘工作面布置应尽量避免与断层带平行，要降低矿山压力引起的断层断裂带与周边剪切叠加后造成的突水几率。

3) 顶板控制

根据周边矿井以往开采实践和现场测定结果，当顶板坚硬不易冒落而形成悬顶跨距过大时，应进行人工放顶，减少悬顶面积，降低初次来压强度，保证初次来压步距小于10 m～15 m，最好不大于20 m。

4) 底板注浆加固工作

对有矿井导高大的区域、导水陷落柱、断裂异常导水带等、要进行注浆封堵加固，增加隔水层阻抗强度，防治底板突水。

此外，严格执行防治水分区，若矿井发生奥灰突水，把水害威胁降至最低。

2.3 掘进巷道防治水措施

掘进工作面严格按照探放水规定，采取前方超前探测，并对地质异常区域进行探放水工作，确保掘进安全。

1) 超前探测

矿井带压区域巷道掘进中，日常防治水重点是超前探测，前方发现或揭露断层，且断层导含水性、位置可能与已有的资料不符，其突水存在不可预知性，采用直流电法、瞬变电磁技术、地质雷达进行掘进头超前综合探查，全方位立体式地明确现场构造，为下一步作业提供安全保障。

2) 探放水

带压掘进中，严格按照《煤矿安全规程》和《煤矿防治水规定》制定的探放水设计和措施组织施工，要求边探边掘，遇到水文地质异常地段、断裂富水带及老空水立即停止开掘，执行超前钻探，从左右煤壁、迎头煤壁及顶底板不同方位不同角度打探查孔及放水孔。

3) 超前注浆封堵

物探和钻探查明构造存在具体位置及影响范围实况，遇到断层、陷落柱、老空等地质薄弱带，采取超前注浆对煤壁及煤顶板封堵，待形成帷幕且钻探验证安全后再进行掘进，确保掘进安全的同时也为下一步顺利开采提前进行加固管理。

2.4 工作面防治水措施

1) 综合物探

综合分析研究地面物探成果，以井下物探为主，以一种物探方法为主，其他物探为辅，探明采区地质、水文地质条件特征。

采掘过程中要加强井下物探工作，带压开采工作面的探测工作应在危险地段如断层、陷落柱水文异常区等地段加强井下超前探测。常用有效的物探方法有瞬变电磁侧向探测、无线电波坑道透视等。

2) 井下探放水

利用综合物探手段对导水构造的具体位置、形态进行更为准确的探测和导水评价是必不可少的工作，由于物探具有多解性的特点，钻探验证不可缺少。各工作面应根据实际情况编制物探异常区超前钻探设计，钻探的设计内容应包括：钻孔布设方案，钻孔类型、结构、钻孔参数、终孔层位，钻探施工、下套管、套管耐压试验、施工机械及施工技术要求。

根据我矿井田的情况，对断层探水后，如果水压比较大，以留设煤柱为宜；对岩溶陷落柱，应探明其导水性后再采取相应的措施，若陷落柱面积较大则应以留设防水煤柱为主要措施。

2.5 断层水防治措施

掘进中坚持“预测预报，有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的方针，必须先行超前探查，明确断层无水后方可掘进。如断层含水或断层导致巷道距奥灰较近，必须进行注浆加固，并确定无水害方可通过。

根据以往报告，对位于带压区内落差大于10 m断层的防水煤柱进行了具体计算，见式(1)、式(2)。对落差≥5 m且<10 m的断层，留设防水煤柱的宽度；对落差<5 m的断层应在探明其导水性后再确定是否留设防隔水煤柱或注浆加固处理。

(1)

式中：L为防隔水煤柱宽度，m；K为安全系数，一般取2～5；M为煤层厚度或采高，m；P为水头压力，MPa；Kp为煤的抗拉强度，MPa。

(2)

式中：Ha为导水裂隙带至含水层间防水岩柱的厚度，m；Ts为临界突水系数，MPa/m；α为断层倾角，(°)；P为水头压力，MPa。

按上述公式(1)、式(2)计算，所得结果取较大值为留设的防水煤柱宽度。

根据以上计算公式，本报告对位于带压区内落差>10 m的断层的防水煤柱进行了具体计算(见表1)。对落差≥5 m且<10 m的断层，矿方可按照以上计算方法自行计算断层防水煤柱的宽度；对落差<5 m的断层应在探明其导水性后再确定是否留设防水煤柱或注浆加固。

表1 主要断层防水煤柱宽度一览表

2.6 陷落柱水防治措施

目前，在带压开采区内只在井田西南部边界附近发现一陷落柱(DX8)，该陷落柱所处位置对回采影响不大，可采用留设保护煤柱的方法防止突水事故发生。保护煤柱留设方法可参照《煤矿防治水规定》附录三公式导水断层防水煤柱的留设方法比照计算。计算公式如式(3)。

(3)

式中，L为防隔水煤柱宽度，m；K为安全系数，一般取2～5；M为煤层厚度或采高，m；P为水头压力，MPa；Kp为煤的抗拉强度，MPa。

按公式(3)计算15号煤层中陷落柱保护煤柱宽度，见表2。

表2 陷落柱保护煤柱留设宽度一览表

3 实践论证

经过实践，总结经验如下：

1) 矿井采煤工艺为一次性采全高，对底板的破坏严重。因此，做好常规奥灰水文监测是最基础的措施，在采掘作业中，工作面、巷道的布置优化对防治水害起决定性作用，采用钻探、物探、注浆对导水构造和底板薄弱带的探查与治理，建立强大的排水系统保障安全开采。

2) 在矿井带压区域对奥灰水的预防治理及开采措施取得了安全技术成效。

3) 采取措施查清地质构造，对不利的水文地质条件进行探放水、注浆封堵，甚至保留煤柱绕行布置工作面或缩短工作面及顺槽，有效地减少矿井涌水量，杜绝水灾事故的发生，达到能够在奥灰水的威胁下进行安全采煤。

4 结语

煤矿奥灰带压开采必须全面掌控井下地质条件，做好探放水及矿压监测动态管理工作，采取有效针对性治理措施，为矿井正常开采创造条件，从而实现安全效益、经济效益和社会效益最大化。