尹會永，魏久傳，郭建斌，朱 魯，施龍青，王以勤

(1.山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室，山東 青島 266510；2.山東科技大學 地質(zhì)科學與工程學院，山東 青島 266510；3.山東瓏山礦業(yè)有限公司，山東 淄博255200)

奧陶紀灰?guī)r是華北型煤田含煤地層的基底，煤層開采過程中，煤層底板奧灰含水層突水事故時有發(fā)生。因此，受底板承壓水威脅煤層的安全開采問題，一直是許多學者研究的熱點?，F(xiàn)已形成了較多的理論及方法，如“突水系數(shù)法”[1]、“下三帶”理論[2]、“下四帶”理論[3]、“關鍵層”(KS)理論[4]、薄板結(jié)構(gòu)理論[5]、“零位破壞”與“原位張裂”理論[6]、基于GIS的多源信息復合[7]等方法，對承壓水上煤層開采起到了良好的指導作用。也有許多學者針對煤礦的具體水文地質(zhì)條件，提出具體的防治措施[8-10]。但有些理論被現(xiàn)場工作人員使用起來很不方便，且煤礦防治水工作事關重大，導致現(xiàn)場人員對某些理論不敢輕易采納，也對一些新理論在現(xiàn)場的應用起到一定的限制作用。當前，現(xiàn)場工作人員還是主要以國家、煤炭管理部門頒發(fā)的規(guī)程、規(guī)定為主要依據(jù)，制定相應防治水方案、技術。

目前，隨著北方東部地區(qū)的煤礦開采時間的加長，淺部所剩煤炭儲量越來越少，越來越多的礦井進入深部開采。煤層底板奧灰含水層水壓隨著開采深度的增加而增加，水壓已達到近12MPa，其對礦井的威脅性也隨之加大。如何尋找高承壓水上煤層開采技術并為現(xiàn)場工作人員提供方便、簡單、實用的指導，也是目前科技工作者的主要任務之一。

山東省淄博煤田山東瓏山礦業(yè)公司已開采多年，主要開采太原組10煤。因淺部10煤基本回采完畢，今后礦井將要開采礦井北部的-890m水平的10煤區(qū)域，此區(qū)域奧灰水壓高，最大達到11.5 MPa，而且水文地質(zhì)條件較為復雜。如何減少底板奧灰突水概率，研究深部開采水害防治措施，保障深部高承壓水上10煤的安全開采，是瓏山礦業(yè)公司面臨的主要任務。本文針對瓏山礦業(yè)公司的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，以實用為目的，結(jié)合“下三帶”防治水理論，提出深部10煤承壓水上安全開采技術，指導礦井安全生產(chǎn)。

1 礦井概況

山東瓏山礦業(yè)有限公司位于山東淄博市博山區(qū)夏家莊鎮(zhèn)，地形南高北低，地形標高為+165～+250m。礦井生產(chǎn)能力為30萬t/a，開采標高+70～-900m。

礦井含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二迭系下統(tǒng)山西組，可采煤層為石炭系太原組7、9、10煤，目前主要開采10煤。井田內(nèi)發(fā)育大、中型斷層，構(gòu)造復雜程度屬于中等復雜程度。主要含水層為第四系潛水含水層、基巖風化帶、山西組砂巖含水層、太原組薄層石灰?guī)r及砂巖、本溪組徐家莊灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層，其中對10煤開采有影響含水層為底板徐、奧灰?guī)r溶含水層。

2 井田深部水文地質(zhì)條件

井田深部區(qū)域指10煤底板標高為-650～-900m范圍，面積約2.5km2。地面標高+177～+252m，10煤開采深度達到800～1152m。目前，礦井已施工130皮帶下山、130軌道下山至-890m深度，并形成排水系統(tǒng)。

該研究區(qū)內(nèi)共發(fā)育3條規(guī)模較大的正斷層，已由多個工作面、巷道控制，控制程度較高。另外，在巷道掘進、工作面開采過程中，也發(fā)現(xiàn)較多的小斷層，落差在0～3m左右。研究區(qū)-900m標高巖漿巖較發(fā)育，東部在41號、47號鉆孔、三節(jié)西一上山、下山處也揭露巖漿巖發(fā)育。該區(qū)10煤較穩(wěn)定,厚度約為1.5m，除深部被火成巖局部侵蝕和局部變薄外，全區(qū)大部分可采，可采系數(shù)77%。

影響10煤開采的主要含水層，主要為徐家莊灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r。徐灰在研究區(qū)的淺部有兩層，厚度從10 m左右由深部向淺部逐漸減小。深部徐灰只有一層，厚度較小，水量較小，水壓較大，鉆孔未發(fā)現(xiàn)涌、漏水現(xiàn)象，富水性較差。奧灰在研究區(qū)內(nèi)富水性不均一，水壓高，井下鉆孔均出現(xiàn)奧灰涌水現(xiàn)象，水量25.5～90m3/h，是威脅10煤安全開采的最主要含水層。奧灰水位標高為+84～+167m，高程相差較大。根據(jù)鉆孔資料可知，奧灰在頂面以下20m范圍內(nèi)富水性較弱，是深部開采的有利條件。

10煤與奧灰的間距在研究區(qū)內(nèi)為76.76～119.76m，平均92.36m，向深部逐漸增加。巖性主要為黏土頁巖、砂質(zhì)頁巖、細砂巖、砂質(zhì)黏土、灰?guī)r、雜色頁巖、煤層等組成。

研究區(qū)突水系數(shù)為(0.1136～0.1437)MPa/m，均大于正常地段的臨界突水系數(shù)，存在奧灰突水危險。因此，需要選擇合適安全開采技術，實現(xiàn)高承壓含水層上10煤的安全開采。

3 高承壓水上10煤安全開采技術分析

3.1 底板注漿改造可行性分析

煤層底板注漿防治水技術是對煤層與有突水危險的含水層之間可注巖層進行注漿，增加其阻隔水性能，達到承壓水上安全開采的目的。因此，此技術前提：一是需要有可注巖層，二是巖層穩(wěn)定且具有一定的厚度。研究區(qū)10煤與奧灰含水之間發(fā)育一層厚度較薄的徐家莊灰?guī)r，為巖溶含水層，但該灰?guī)r厚度變化較大，厚度為3.5～0.6m。因此，其穩(wěn)定性不符合注漿要求。另外，其富水性較差，表明此區(qū)域徐灰?guī)r溶發(fā)育程度較低，溶隙發(fā)育較差，容漿性能較差。由此可見，“中間層”——徐灰的可注性較差。而且，在章丘、淄博等地也未有成熟的煤層底板注漿改造含水層的經(jīng)驗。因此，該研究區(qū)內(nèi)10煤底板不具備注漿改造的可行性。

3.2 疏水降壓可行性分析

疏水降壓是對威脅礦井安全生產(chǎn)的主要充水含水層水，通過專門的工程和技術措施在人工受控的條件下進行超前預疏干或疏降水壓，進而減少或消除其在礦井建設和生產(chǎn)過程中對礦井安全的威脅[11]。影響10煤開采的主要含水層為徐灰和奧灰，其中最主要的為奧灰含水層，奧灰涌水量較大，水壓高，水位較穩(wěn)定，而且奧灰厚約800m，屬巖溶裂隙含水層，含水性強，為煤系各含水層最大補給來源，具有區(qū)域聯(lián)系性，不是封閉的水文地質(zhì)單元，以動儲量為主。因此，該井田不具有疏水降壓的可行性。

3.3 改革采煤方法

通過以上分析，正?；夭煞椒ㄔ谏畈繀^(qū)域煤層開采適用性不強，因此，需改革采煤方法，實現(xiàn)10煤的安全開采。通過改革采煤方法，達到減小底板破壞深度的目的。長壁工作面充填開采，成本太高，對本礦井不宜采用?？赏ㄟ^降低工作面開采寬度的方法達到目的，而且淄博煤田其他礦井也有條帶開采成功的經(jīng)驗，為克服煤層底板徐、奧灰水害提供了寶貴的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。因此，在深部區(qū)域開采時，首選條帶開采方法。

4 高承壓含水層上煤層安全開采技術-條帶開采技術

以往條帶開采方法的研究主要集中力學分析、礦山壓力、數(shù)值模擬研究等方面，本文以煤層底板防治水“下三帶”理論為指導，對不同開采深度下的煤層底板破壞深度、底板阻水帶厚度進行研究，探討條帶開采寬度，為現(xiàn)場技術人員提供一種簡便、實用的計算方法。

研究表明，煤層底板破壞深度與工作面開采寬度關系較大[12]，可利用條帶開采方法減少煤層底板破壞深度，增加煤層與奧灰含水層間隔水層的有效厚度。條帶開采是在開采范圍內(nèi)，沿一定的方向劃分條帶，采出一條，保留一條，相間排列。

4.1 開采寬度計算

根據(jù)“規(guī)程”[13]提供經(jīng)驗公式計算底板破壞深度，即：

h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579 (1)

式中：h1為采場底板破壞深度，m；H為采深，取值范圍為900～1150m；α為10煤傾角，取12°；L為條帶開采寬度，m。

根據(jù)式(1)，計算不同條帶開采寬度情況下的底板破壞深度。

根據(jù)薄板理論[13]，底板巖層阻水帶厚度的計算公式為：

式中：h2為底板阻水帶厚度，m；h1為采場底板破壞深度，m；γ為底板巖層評價容重，取0.026MN/m3；P為作用于該區(qū)底部的水壓，取值范圍為9.0M～11.5MPa；St為底板巖體抗拉強度，一般取巖石抗壓強度的0.15倍，MPa；

式中：L為壁式工作面斜長，m；Ly為沿推進方向工作面老頂初次來壓步距，取25m。

根據(jù)式(2)，計算不同工作面斜長、不同采深(即水壓)條件下所需底板巖層阻水帶厚度。

因以往施工的鉆孔中未發(fā)現(xiàn)奧灰存在導高現(xiàn)象，因此原始導高帶高度為零。

開采寬度要綜合考慮隔水層真實厚度(W)、底板巖層阻水帶厚度(h2)和底板破壞深度(h1)。在正常情況下，只要滿足

W>h1+h2(4)

則可以認為開采是安全的。

但考慮到煤層底板為損傷巖體，可增加一個損傷系數(shù)，則式(4)變?yōu)椋?/p>

(W×D)>h1+h2(5)

式中，D為巖體損傷系數(shù)，D=0.7；其余同前。

10煤至奧灰平均間距為92.36m，根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)和式(5)確定不同采深條件下采用的開采寬度，見表1。

表1 不同采深條件下10煤安全開采寬度

4.2 煤柱留設寬度計算

煤柱留設寬度的原則為，該留設寬度的煤柱能承受的極限荷載比煤柱實際承受的荷載大，保證煤柱的安全系數(shù)大于1。

對于條帶開采，忽略煤柱兩端的邊緣效應[14]，煤柱能承受的極限荷載公式為：

P1=4γH(a-4.92MH×10-3) (6)

式中：P1為煤柱承受的極限荷載值，N/m；a為煤柱的留寬，m；g為上覆巖層的重力密度，N/m；H為采深，m；M為采厚, m。

Wilson(1970)認為，上覆巖層的重量并非完全由煤柱承擔[15]，冒落在采空區(qū)的巖石同樣也承擔一部分上覆巖層的重量。采空區(qū)承擔的載荷量與采空區(qū)內(nèi)各點頂板閉合量有關，即采空區(qū)垂直應力與距煤壁的距離成正比，當該距離達到0.3H時，采空區(qū)垂直力恢復到原始荷載。

式中，P1′為煤柱承受的極限荷載值，N/m；b為采出條帶寬度，m；其余同前。

保證煤柱實際承受的荷載要小于極限荷載，安全系數(shù)K≥1.6，即

據(jù)式(9)可得不同采深、不同開采寬度條件下煤柱的留設寬度，見表2。

表2 不同采深、采寬條件下煤柱的留設寬度

5 高承壓含水層上10煤安全開采水害綜合防治措施

5.1 進一步探查10煤底板水文地質(zhì)條件

在采區(qū)和工作面開拓巷道形成后，要對每條巷道進行底板水文地質(zhì)條件探查。采用先進的物探手段圈定徐、奧灰富水區(qū)域，探查徐、奧灰富水程度，為探防水工作提供可靠依據(jù)；對隱伏構(gòu)造進行探查。對探測異常區(qū)進行打鉆驗證；對物探無富水異常的區(qū)域，也要適當打鉆探查煤層底板隔水層厚度及其巖性組合情況。

5.2 留足斷層防水煤柱

開采過程中，采取措施防止斷層帶突水，對斷層進行詳細探查，探查其富水性、導水性。對落差較大的斷層(落差大于5m)，嚴格按規(guī)定計算留設足夠的防水煤柱，防止開采引起斷裂構(gòu)造重新活動誘發(fā)突水；對采掘工程揭露的小斷層(落差小于5m)，如果發(fā)現(xiàn)有導水跡象，要計算留設足夠的防水煤柱。巷道穿越斷層時，應采取有效支護和防治水措施，避免斷層出水或滯后出水。

5.3 進一步完善礦井排水系統(tǒng)

目前，礦井排水能力能滿足目前排水需要。但考慮到本礦井為受水威脅礦井，應進一步完善排水系統(tǒng)，增強礦井抗災能力。水泵、水管、閘閥、排水用的配電設備和輸電線路，應當經(jīng)常檢查和維護。在每年雨季前，應當全面檢修1次，并對全部工作水泵和備用水泵進行1次聯(lián)合排水試驗，發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。水倉、沉淀池和水溝中的淤泥，應當及時清理；每年雨季前，應當清理1次。

6 結(jié)論

山東瓏山礦業(yè)公司深部10煤開采，主要威脅含水層為徐、奧灰含水層，其中奧灰富水性較強，水壓高，突水危險性大。正常開采條件下，該礦井不具備底板注漿、疏水降壓條件，通過改革采煤方法—條帶開采，可減少底板破壞深度，保證底板隔水層的隔水性能。除此之外，還需要進行探查底板含水層水文地質(zhì)條件、留設斷層保護煤柱和進一步完善排水系統(tǒng)等綜合防治水措施，增強礦井綜合抗水災害能力，實現(xiàn)深部10煤高承壓含水層上安全開采。

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