15 号煤层奥灰岩溶水带压开采可行性研究

刘 欢

（山西潞安集团左权阜生煤业有限公司，山西 晋中 032600）

1 阜生煤矿15 号煤层概述

山西潞安集团左权阜生煤业有限公司立井开拓，井田内可采煤层仅为15 号煤层，位于太原组下段中下部,上距K2 灰岩约5.97～12.03 m，平均为9.46 m。下距太原组底界K1 砂岩5.85 m。煤层层位极其稳定，全井田分布，厚度为4.90～10.70 m，平均厚度为6.48 m，可采指数100%，简单—复杂煤层结构，含夹矸0～3 层，单层夹矸最厚可达0.37 m，煤层顶板为砂质泥岩、泥岩，局部为粉砂岩，底板一般为泥岩，为稳定的全井田可采煤层。15 号煤层布置工作面采用综合机械化回采工艺，全部垮落法处理顶板，工作面采用“U”型通风系统，顺槽平均长度为1 600 m。为了考虑工作面回采期间对底板隔水层破坏程度，工作面斜长设计为150 m。

15 号煤层底板标高在+740～+1 167 m 之间，15号煤层底板至奥陶系顶面最小间距约为20.06 m，井田奥灰水位标高为+817～+823 m，井田内15 号煤层属局部带压开采煤层。为有效治理矿井底板水，保障矿井带压安全开采，对15 号煤层带压开采进行可行性研究[1-2]。

2 奥陶系岩溶水带压开采安全评价

2.1 奥陶系岩溶水位及水头压力

井田工业广场内的1 号水源井奥陶系岩溶水位标高为+820.07 m，南部佳瑞井田内水源井水位标高为+824.40 m，井田内补充勘探的阜观1 号孔水位标高为+817.3 m，阜观2 号孔水位标高为+820.19 m，推算井田内奥陶系岩溶水位水位标高为+817～+823 m，岩溶地下水由南向南北径流。根据奥陶系岩溶水位标高及煤煤层底板隔水岩组厚度，可计算出15 号煤层底板隔水岩组所承受的水头高度及水头压力。

2.2 奥灰岩溶含水层富水性

阜生煤矿井田内奥灰岩溶含水层主要为下马家沟组含水层，富水性强，岩溶裂隙发育。根据阜观2 号抽水资料显示，峰峰组及上马家沟组混合含水层单位涌水量为0.3 L/（s·m），单井出水量渗透系数为0.37 m/d，属中等富水性含水层，水位标高为+822.23 m。

2.3 突水系数计算

井田突水系数计算公式为：T=p/M。式中：T 为突水系数，MPa/m；p 为15 号煤层底板隔水层所能承受最大水压，MPa；M 为15 号煤层底板隔水层平均厚度，m。利用突水系数可确定15 号煤层底板奥灰水临界突水系数Ts，该系数为底板隔水层平均每米厚度所能承受的最大水压值。若T＜Ts，底板没有突水危险。若T＞Ts，则底板具有突水危险性。一般在构造区底板突水系数应小于0.06 MPa/m，无构造区域突水系数应小于0.1 MPa/m。在15 号煤层标高为700～810 m 范围内，底板共计施工阜观1、阜观2 和12-1 共3 个钻孔。15 号煤层底板突水系数及水头压力[3-5]计算结果如表1 所示。

表1 15 号煤层底板隔水岩组突水系数及水头压力计算结果统计表

2.4 安全水头值计算

综采工作面安全水头值计算公式为Ps=Ts/M。式中：Ts为临界突水系数，MPa/m；M 为底板隔水层厚度，m；ps为底板隔水层安全水头值，MPa。Ts值应当根据本区资料确定，即在具有底板受构造破坏的地段，Ts取值为0.06 MPa/m。在隔水层完整无断裂构造破坏的地段，Ts取值为0.1 MPa/m。本次取值为0.06 MPa/m。利用井田内水文孔实际隔水层厚度值，计算可得，实际平均水头值为1.55 MPa。

2.5 底板岩溶水突水量计算

阜生煤矿采用大井法对15 号煤层底板奥灰水突水量进行计算，计算公式为Q=2.732KMS/（lgR0-lgr0）。式中：Q 为最大突水量，m3/d；K 为渗透系数，0.002 7 m/d；M 为奥灰水含水层厚度，172.5 m；S 为水位降深，阜观2 号钻孔在静水位标高为132.43 m；R0为引用影响半径，m；r0为突水通道等效半径，m。回采工作面受采动影响，矿山压力重新分布，假定在应力降低区底板隔水岩组薄弱部位发生突水，突水通道等效半径按5 m计。通过计算，15 号煤层开采过程中若发生突水，奥灰岩溶水瞬时突水量Q＝141.14 m3/d。

3 带压开采工作面斜长确定及防治水措施

3.1 工作面斜长确定

1）无地质构造区域：工作面斜长的计算公式为L=（Cp/0.303）5/4。式中：Cp为采动对煤层底板破坏深度，取最小隔水层厚度为20.6 m；L 为工作面允许最大布置斜长，计算可得，L=195 m，15 号煤层布置的回采工作面平均斜长为150 m，在允许范围内。

2）有地质构造区域：工作面在地质构造区域时，受采动影响，导水破坏带深度为无地质构造区域的1.0倍左右。在不考虑奥灰顶面相对隔水层厚度时，对底板的破坏深度Cp=20.6/2=10.3 m。在考虑奥灰顶面相对隔水层厚度时，对底板的破坏深度Cp=36.6/2=18.3 m。计算工作面斜长，分别为82 m 和168 m。

3）根据阜生煤矿实际采掘情况，将奥陶系顶部岩层作为相对隔水层使用，在构造区域带压开采工作面斜长为150 m，可计算出回采期间对底板的破坏深度为33.36 m，小于隔水层厚度（36.6 m）。

15 号煤层布置的工作面长度为150 m 时，回采期间对底板破坏深度为33.36 m，将达到底板隔水层的厚度临界值，但不会受奥灰水威胁。因此，15 号煤层的工作面倾斜长度设计为150 m，符合带压开采安全要求，且工作面设计布置方向亦符合带压开采条件。

3.2 带压开采的防治水措施

3.2.1 井下超前物探和化探

1）瞬变电磁法：井下瞬变电磁法主要是探查威胁煤层开采主要含水层的赋水性及分布特征，从而确定断层、陷落柱等地质构造分布区域、平面形态以及富水性等，巷道掘进过程中，每100 m 做一次超前探测。

2）井下直流电法：井下直流电法主要是对采掘工作面隐伏的含水层、裂隙带、地质构造分布区域、富水性、含水层结构及厚度等进行探测，从而准确探测出工作面顶底板富水异常区。

3.2.2 超前钻探

1）阜生煤矿超前钻探采用ZDY-1000S 液压坑道钻机井下钻孔施工，钻机最大钻机深度为200 m，巷道掘进时每100 m 布置1 个钻场，每个钻场布置4 个超前钻孔（1 号、2 号、3 号和4 号），钻孔深度为100 m，允许掘进70 m。其中：1 号、2 号和3 号钻孔为迎头钻孔，布置仰角为0°，1 号、3 号钻孔水平角为20°；4号钻孔为顶板钻孔，水平角为0°，仰角为15°，如图1 所示。

图1 超前钻探孔平剖面示意图

2）钻孔扩孔长度为12 m，扩孔直径为130 mm，扩孔完成后安装孔口管，每节孔口管长度为3.2 m，直径为108 mm，孔口管安装后进行封孔处理，并在孔口外端安装法兰盘、泄压阀等。

3）孔口管封孔材料采用水泥砂浆有机注浆材料，水灰质量比为0.75∶1，水泥浆液中混入质量分数为5%的水玻璃，并添加水泥质量配比为1%～3%的速凝剂，增加浆液的凝固时间。

3.3 构造带、陷落柱的封堵治理

巷道掘进过程中的构造破碎带或陷落柱，可采用预注浆的方式对导水构造进行加固，防止发生滞后突水。采掘施工过程中若探明较小导水构造时，可通过施工超前注浆孔对导水通道进行注浆封堵，从而切断底板奥灰水涌水通道，如图2 所示。

图2 掘进巷道迎头构造超前注浆堵水示意

4 结论

1）15 号煤层底板到奥灰顶面之间隔水层厚度在20.06～26.07 m 之间，其加权平均值为23.41 m。且隔水岩层为软硬岩层间夹、互层重叠结构特征，在无地质构造情况下岩层能够起到有效的隔水作用。

2）利用突水系数法对回采工作面突水安全进行评价，在无构造破坏情况下，15 号煤层回采时不会受底板奥灰水的威胁。带压开采地段主要位于15 号煤层西部为带压区，突水系数T 介于0.012～0.037MPa/m之间，小于突水系数临界值（0.06 MPa/m），属于突水威胁区。

3）15 号煤层目前综采工作面布置斜长为150 m，后期工作面斜长设计为200 m。计算可知，当工作面斜长为200 m 时，采动对底板破坏深度为24.72 m，小于底板隔水层厚度，在无地质构造的情况下工作面回采不会受奥灰水影响，为工作面开采设计提供了准确的数据依据。

4）对于开采无法避开的导水通道，采用注浆封堵的方法，对导水通道进行改造。对于未进行隐伏构造以及奥灰含水层富水性分布探查的区域，采用物探、钻探和化探方法查明构造及富水区分布情况，可消除构造水、隐伏水以及底板奥灰水等水害隐患。