郗寶華

(山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院地測(cè)工程系,山西省太原市,030031)

龐龐塔擴(kuò)區(qū)主采煤層帶壓開采安全性分析

郗寶華

(山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院地測(cè)工程系,山西省太原市,030031)

分析了龐龐塔擴(kuò)區(qū)5＃、9＃主采煤層水文地質(zhì)條件及突水危險(xiǎn)性,認(rèn)為5＃、9＃煤層底板巖性組合、構(gòu)造條件及回采底板破壞深度均有利于帶壓開采。根據(jù)5＃、9＃煤層奧灰突水系數(shù)的計(jì)算及突水等值線圖的編繪分析,認(rèn)為5＃煤層一、二采區(qū)內(nèi)鉆孔控制點(diǎn)為安全區(qū),9＃煤層一采區(qū)全區(qū)和二采區(qū)淺部為相對(duì)安全區(qū),但二采區(qū)深部奧灰突水系數(shù)已大于0.06 MPa/m,已進(jìn)入奧灰突水相對(duì)危險(xiǎn)區(qū),必須進(jìn)行專門帶壓開采設(shè)計(jì)及制定必要的防治水工程預(yù)案才能進(jìn)行帶壓開采。

煤炭開采 帶壓開采 煤層底板 水文地質(zhì) 突水系數(shù) 龐龐塔擴(kuò)區(qū)

華北型煤田中下組煤基本都位于含水豐富的奧灰?guī)r溶含水層之上,雖然二者之間存在厚度不等的砂泥巖隔水層其厚度一般為30～100 m,但在開采過程中仍然會(huì)受到水害威脅。目前,開采受底板高壓水威脅的煤層主要采用疏降強(qiáng)排和帶壓開采兩種方法。其中帶壓開采具有成本低、不破壞地下水資源等優(yōu)點(diǎn),是目前深部煤炭資源開發(fā)的主要方式。但由于開采深度增加,水害危險(xiǎn)性隨之增大,因此,進(jìn)行煤層帶壓開采安全性分析對(duì)保證安全生產(chǎn)具有重要意義。本文主要從帶壓開采水文地質(zhì)條件及突水危險(xiǎn)性兩方面進(jìn)行了分析,以期對(duì)安全生產(chǎn)提供重要參考依據(jù)。

1 擴(kuò)區(qū)概況

龐龐塔煤礦擴(kuò)區(qū)井田位于山西省呂梁地區(qū)臨縣河?xùn)|煤田中部,井田平面形態(tài)呈一長(zhǎng)方形,面積約118.68 km2。規(guī)劃設(shè)計(jì)為一座年產(chǎn)1000萬t的特大型礦井。井田內(nèi)構(gòu)造總體上為一向西緩傾斜的單斜構(gòu)造,傾角一般15°～25°。區(qū)內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)和二疊系下統(tǒng)山西組(P1s),含煤9層,其中全區(qū)可采煤層3層,分別為煤層,但由于煤層層間距較小,5＃上煤層常合并為與5＃煤層一同開采。本區(qū)各可采煤層特征見表1。

表1 井田內(nèi)可采煤層特征表

龐龐塔擴(kuò)區(qū)初步設(shè)計(jì)為兩個(gè)采區(qū)。以＋750 m水平為界,東部至煤層露頭處為一采區(qū),西部至＋400 m水平為二采區(qū),采區(qū)內(nèi)以礦井主系統(tǒng)巷道為界,分為南、北兩翼,龐龐塔擴(kuò)區(qū)采區(qū)位置及水位線關(guān)系見圖1。其中,一采區(qū)5＃煤層開采標(biāo)高范圍約為＋750～＋1100 m,9＃煤層開采標(biāo)高范圍約為＋700～＋1100 m;二采區(qū)5＃煤層開采標(biāo)高范圍約為＋400～＋800 m,9＃煤層開采標(biāo)高范圍約為＋350～＋750 m。根據(jù)井田內(nèi)水文鉆孔水位觀測(cè)資料繪制出的一、二采區(qū)太灰、奧灰等水位線圖可知(圖1),一、二采區(qū)內(nèi)5＃、9＃煤層開采最高標(biāo)高低于太灰含水層,屬全區(qū)帶壓區(qū);一采區(qū)深部、＋750 m水平東側(cè)局部、二采區(qū)全區(qū)開采最低標(biāo)高低于奧灰含水層,屬帶壓開采區(qū)。因此,分析該礦區(qū)水文地質(zhì)條件,結(jié)合突水系數(shù)理論對(duì)5＃、9＃煤層帶壓開采進(jìn)行安全性分析很有必要。

圖1 龐龐塔擴(kuò)區(qū)采區(qū)位置及水位線關(guān)系圖

2 帶壓開采水文地質(zhì)條件分析

龐龐塔擴(kuò)區(qū)5＃、9＃煤層與上、下主要含水層位置關(guān)系見圖2。由圖2可以看出,5＃煤層頂板直接充水水源主要來自二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)地層砂巖(5＃煤層上部的各層薄砂巖層)及下石盒子組(P1x)地層K4砂巖水,底板直接充水水源主要來自二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)地層K3砂巖水。9＃煤層頂板直接充水水源主要來自石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)幾層灰?guī)r(L1－L4)含水層地下水以及5＃煤層采空區(qū)積水,底板間接充水水源主要來自中奧陶統(tǒng)峰峰組(O2f)巖溶含水層地下水,這一水源是井田內(nèi)富水性最強(qiáng)的含水結(jié)構(gòu)體,且承壓水頭很高,除井田東部邊界以西局部地段不帶壓外,井田其他大部分屬帶壓開采范圍。

2.1 煤層底板巖性組合條件分析

隔水層底板抗壓強(qiáng)度及隔水能力與底板巖性組合有很大關(guān)系。從收集的井田一、二采區(qū)內(nèi)和周邊地質(zhì)及水文地質(zhì)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)分析可知,擴(kuò)區(qū)內(nèi)5＃煤層底板至9＃煤層頂板是互層狀的軟、硬巖地層組合。5＃煤層底板至9＃煤層頂板平均厚度為50.8 m,砂質(zhì)泥巖、泥巖平均占50.5%,砂巖、石灰?guī)r平均占46.8%,煤層平均厚度占2.6%,軟巖與硬巖厚度基本相近。9＃煤層底板至奧灰頂面平均厚度為66.5 m,巖層組合以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主,平均占66.2%;其次為砂巖,平均占28.4%;石灰?guī)r平均占3.1%。軟巖與硬巖比值系數(shù)約為2∶1。這種隔水底板軟巖與硬巖組合結(jié)構(gòu),對(duì)提高底板的抗壓強(qiáng)度及隔水能力比較有利。

圖2 煤層與上、下含水層關(guān)系示意圖

2.2 煤層底板含水層富水性分析

按鉆孔單位涌水量,含水層富水性可分為4個(gè)等級(jí):弱富水性、中等富水性、強(qiáng)富水性和極強(qiáng)富水性。利用以往水文孔抽水試驗(yàn)資料編繪富水性分區(qū)圖,對(duì)龐龐塔擴(kuò)區(qū)井田內(nèi)一、二采區(qū)太原組灰?guī)r含水層和奧陶系峰峰組灰?guī)r含水層進(jìn)行富水性分區(qū)。根據(jù)分析可知一、二采區(qū)太灰整體富水性為弱,單位涌水量最大僅為0.084 L/s·m。一、二采區(qū)奧灰富水性整體由弱到中等。其中,以礦井系統(tǒng)巷道為界,北部奧灰富水性弱,南部富水性由弱到中等。

2.3 構(gòu)造發(fā)育程度分析

龐龐塔煤礦已開采區(qū)域揭露構(gòu)造情況屬于簡(jiǎn)單型。據(jù)此推斷分析,龐龐塔擴(kuò)區(qū)井田構(gòu)造發(fā)育程度應(yīng)與龐龐塔煤礦相似,屬于簡(jiǎn)單型。對(duì)礦井生產(chǎn)影響程度有限,但從防治水角度分析,必須加強(qiáng)對(duì)含、導(dǎo)水構(gòu)造的預(yù)防與探查,防止發(fā)生構(gòu)造導(dǎo)水事故。

2.4 回采期間底板破裂深度分析

當(dāng)工作面回采后,煤層底板隔水層上部一定厚度巖層因采礦擾動(dòng)而被破壞,這部分巖層不具備隔水能力。據(jù)采礦實(shí)踐證明,采動(dòng)作用下煤層底板擾動(dòng)破壞深度不僅與下伏巖性有關(guān),而且與煤層傾角、工作面斜長(zhǎng)等因素有關(guān)。計(jì)算底板破壞深度,選用計(jì)算式:

式中:CP——底板破壞深度,m;

H——底板埋深,m;

Lx——工作面斜長(zhǎng),m;

α——煤層傾角,(°)。

5＃煤層工作面底板埋深175 m,工作面斜長(zhǎng)240 m,煤層傾角20°,將數(shù)值代入式(1),計(jì)算可得5＃煤層開采后底板破壞深度為26.36 m,這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)小于5＃煤底板至9＃煤層頂板的平均厚度(50.8 m)。

9＃煤層工作面底板埋深237 m,工作面斜長(zhǎng)240 m,煤層傾角20°,9＃煤層開采后底板破壞深度為26.88 m,這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)小于9＃煤層底板至奧灰頂面平均厚度(66.5 m)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn),該經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值由于其與相應(yīng)變量并非絕對(duì)線性關(guān)系,通常結(jié)果偏大。因此,回采期間底板破壞深度不至于引起底板突水,可以進(jìn)行帶壓開采。

3 帶壓開采突水危險(xiǎn)性分析

在煤層帶壓開采過程中,一旦發(fā)生奧灰突水,其結(jié)果將是災(zāi)難性的。因此,在帶壓開采安全性評(píng)估中,對(duì)掘進(jìn)巷道及回采底板突水危險(xiǎn)性分析預(yù)測(cè)及危安區(qū)劃分極為重要。

3.1 掘進(jìn)巷道底板突水危險(xiǎn)性分析

根據(jù)掘進(jìn)工作面底板安全隔水層厚度的計(jì)算公式:

式中:t——安全隔水層厚度,m;

L——巷道底板寬度,取5m;

γ——底板隔水層的平均重度,取0.022 MN/m3;

KP——底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度,依據(jù)《山西省河?xùn)|煤田臨縣龐龐塔煤礦及擴(kuò)區(qū)補(bǔ)充勘探地質(zhì)報(bào)告》資料顯示,5＃煤層底板KP為0.63～1.14 MPa,取平均值0.885 MPa;9＃煤層底板KP為0.83～1.48 MPa,取平均值1.115 MPa;

P——底板隔水層承受的水頭壓力,取4.7 MPa。

將各參數(shù)帶入式(2),可得5＃、9＃煤層安全隔水層厚度分別為8 m和7.2 m。該厚度遠(yuǎn)小于礦井實(shí)際最小隔水層厚度,因此在正常塊段工作面掘進(jìn)底板受奧灰水威脅可能性較小。但在構(gòu)造破壞地帶,因斷層、陷落柱等的存在,可能具有導(dǎo)水性,在承壓區(qū)內(nèi)有可能發(fā)生突水。

3.2 回采工作面底板突水危險(xiǎn)性分析

綜合考慮了礦壓及水壓對(duì)底板的破壞,有效隔水層及奧灰頂面相對(duì)隔水層等因素,選用突水系數(shù)修正公式進(jìn)行評(píng)價(jià):

式中:T——突水系數(shù),MPa/m;

P——底板隔水層的水壓力,依據(jù)鉆孔中奧灰頂面標(biāo)高與奧灰水位標(biāo)高差得出,MPa;

Mi——底板隔水層中第i層巖層厚度,依據(jù)鉆孔中直接測(cè)出,m;

Cp——采礦對(duì)底板擾動(dòng)的破壞深度,依據(jù)前面計(jì)算值可得5＃煤層為26.36 m,9＃煤層為26.88 m;

hd——承壓水導(dǎo)升高度,擴(kuò)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,在沒有隱伏斷裂構(gòu)造的前提下一般不會(huì)發(fā)生巖溶水導(dǎo)升,此時(shí)hd為0;如果有隱伏斷裂構(gòu)造造成奧灰水向上導(dǎo)升,則按平均導(dǎo)升系數(shù)2.5 m/MPa與奧灰水壓值進(jìn)行換算,m;

M0——煤底板隔水層厚度,直接由鉆孔資料得出,m。

將5＃煤層施工的8個(gè)鉆孔(鉆孔號(hào)為P20～P28)奧灰突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果編繪成突水系數(shù)等值線圖見圖3。一、二采區(qū)內(nèi)鉆孔控制點(diǎn)的奧灰突水系數(shù)最大為0.04 MPa/m,根據(jù)等值線圖變化趨勢(shì)推測(cè)在二采區(qū)北翼西北角和南翼西側(cè)奧灰突水系數(shù)大于0.04 MPa/m,接近0.045 MPa/m。在正常塊段,開采5＃煤層奧灰突水可能性較小。

圖3 5＃煤層奧灰突水系數(shù)等值線圖

圖4 9＃煤層奧灰突水系數(shù)等值線圖

將9＃煤層施工的9個(gè)鉆孔(鉆孔號(hào)為P20～P28)奧灰突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果編繪成突水系數(shù)等值線圖見圖4。一、二采區(qū)內(nèi)鉆孔控制點(diǎn)的奧灰突水系數(shù)最大為0.07 MPa/m,根據(jù)等值線圖變化趨勢(shì)推測(cè)在二采區(qū)北翼深部奧灰突水系數(shù)大于0.07 MPa/m接近0.09 MPa/m。因此,一采區(qū)全區(qū)和二采區(qū)淺部突水系數(shù)小于0.06 MPa/m,正常塊段突水可能性較小,但在二采區(qū)深部奧灰突水系數(shù)已大于0.06 MPa/m,已進(jìn)入奧灰突水過渡區(qū)。

帶壓開采突水小概率區(qū)為突水系數(shù)小于0.06 MPa/m的區(qū)域,突水概率相對(duì)較小,正常情況下,堅(jiān)持預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),有掘必探,有采必探,先探后掘,先治后采的原則,進(jìn)行常規(guī)的巷道超前探測(cè)、工作面精細(xì)探查工作,主要探查陷落柱、構(gòu)造破壞帶等,采取一定的防治水措施后可以實(shí)現(xiàn)帶壓開采。

帶壓開采過渡區(qū)為突水系數(shù)介于0.06～0.1 MPa/m之間的區(qū)域?yàn)檫^渡區(qū)。除采用小概率區(qū)的防治水措施外,還應(yīng)運(yùn)用留設(shè)防隔水煤巖柱、底板富水區(qū)局部注漿改造、隔水層薄弱區(qū)局部注漿加固等帶壓開采措施,做好突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、應(yīng)急救援預(yù)案等工作,加強(qiáng)礦井防排水能力,以實(shí)現(xiàn)過渡區(qū)安全帶壓開采。

4 結(jié)論

(1)5＃、9＃煤層隔水底板為軟巖與硬巖組合結(jié)構(gòu),對(duì)提高底板的抗壓強(qiáng)度及隔水能力比較有利;回采期間底板破壞深度不至于引起底板突水,可以進(jìn)行帶壓開采。

(2)5＃、9＃煤層安全隔水層厚度遠(yuǎn)小于礦井實(shí)際最小隔水層厚度,因此在正常塊段工作面掘進(jìn)底板奧灰水威脅可能性小;5＃煤層一、二采區(qū)內(nèi)鉆孔控制點(diǎn)的奧灰突水系數(shù)最大為0.04 MPa/m; 9＃煤層一采區(qū)全區(qū)和二采區(qū)淺部突水系數(shù)小于0.06 MPa/m,但在二采區(qū)深部奧灰突水系數(shù)已大于0.06 MPa/m,已進(jìn)入奧灰突水過渡區(qū)。

由此可見,只要主采煤層工作面開采前,做好工作面構(gòu)造及底板隔水層的完整性狀況探查,通過正確留設(shè)防水煤柱,合理選擇采煤方法,采取相應(yīng)的堵水措施,同時(shí)加大突水監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作,實(shí)現(xiàn)安全帶壓開采是可行的。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

2014年我國(guó)多種發(fā)電設(shè)備平均利用小時(shí)數(shù)下降

據(jù)統(tǒng)計(jì),受電力需求增長(zhǎng)放緩、新能源裝機(jī)比重不斷提高等因素影響,2014年全國(guó)6000k W及以上電廠發(fā)電設(shè)備平均利用小時(shí)為4286小時(shí),同比減少235小時(shí),是1978年以來的最低水平。

水電方面:2014年底,全國(guó)水電裝機(jī)容量3億k W,設(shè)備平均利用小時(shí)3653小時(shí),同比增加293小時(shí),是2006年以來的最高水平。

核電方面:2014年底,全國(guó)核電裝機(jī)容量1988萬k W,設(shè)備平均利用小時(shí)7489小時(shí),同比減少385小時(shí)。

火電方面:2014年底,全國(guó)火電裝機(jī)容量9.2億k W,設(shè)備平均利用小時(shí)4706小時(shí),同比減少314小時(shí),是1978年以來的最低水平。

風(fēng)電方面:2014年底,全國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量9581萬k W,設(shè)備平均利用小時(shí)1905小時(shí),同比減少120小時(shí)。

Safety analysis of mining under pressure in the primary mineable coal seam of Pangpangta expansion area

Xi Baohua
(Department of Geology Surveying Engineering,Shanxi Vocational and Technical College of Coal,Taiyuan,Shanxi 030031,China)

In this paper,the author analyzed the hydrogeological conditions and water inrush risk in No.5 and No.9 primary mineable coal seams of Pangpangta expansion area,which showed that the lithological association,structural conditions and failure depth of stoping floor in No.5 and No.9 coal seam floors were conducive to the mining under pressure.According to the calculation of water bursting coefficient in Ordovician limestone and the compilation analysis of water bursting contour map in No.5 and No.9 coal seams,the drilling control points in the first and second mining areas of No.5 coal seam were identified as safe areas,and the whole first mining area and shallow part of the second mining area in No.9 coal seam were comparative safe areas, while the water bursting coefficient in Ordovician limestone in the deep second mining area in No.9 coal seam was greater than 0.06 MPa/m.So the deep second mining area had turned into comparative dangerous area,and special design of mining under pressure and engineering plan of water prevention and control must be conducted for mining under pressure.

coal mining,mining under pressure,coal seam floor,hydrogeologe,water bursting coefficient,Pangpangta expansion area

TD823

A

郗寶華(1977－),女,講師、工程師,畢業(yè)于太原理工大學(xué)資源勘查專業(yè),主要從事礦山水文地質(zhì)與煤礦地質(zhì)研究。