巨亞靜

(山西潞安集團(tuán)左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032600)

引 言

整合礦井資源逐漸枯竭，如何提高礦井回采率，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，爭創(chuàng)效益最大化是目前煤礦企業(yè)面臨的最大問題。在實(shí)際生產(chǎn)過程中執(zhí)行帶壓開采在所難免，但是，帶壓開采最大的隱患就是頂板與水害管控，必須針對(duì)不同地帶、不同地質(zhì)條件，因地制宜地采取可行性開采措施[1-2]。

1 奧灰突水危害

阜生煤業(yè)井田內(nèi)奧陶系含水層主要為峰峰組、馬家溝組灰?guī)r含水層，根據(jù)井田內(nèi)鉆孔資料及區(qū)域地質(zhì)資料，峰峰組灰?guī)r巖性以石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、角礫灰?guī)r為主，其富水性較弱。馬家溝灰?guī)r裂隙較發(fā)育，富水性較強(qiáng)[3]。

根據(jù)阜生煤業(yè)礦井地質(zhì)報(bào)告資料，奧陶系灰?guī)r頂部巖溶發(fā)育異常區(qū)零散分布在全區(qū)，從整體看，奧陶系灰?guī)r頂部巖溶發(fā)育相對(duì)較弱；奧陶系灰?guī)r頂界面以下100 m內(nèi)巖溶發(fā)育異常區(qū)主要分布在井田的北部地區(qū)和南部地區(qū)，從整體看奧陶系灰?guī)r頂界面以下100 m內(nèi)巖溶發(fā)育相對(duì)較弱；奧陶系灰?guī)r頂界面以下100 m～200 m內(nèi)巖溶發(fā)育異常區(qū)主要分布在西北部含南部地區(qū)，其他地方零星分布，從整體看奧陶系灰?guī)r頂界面以下100 m～200 m內(nèi)巖溶發(fā)育相對(duì)較強(qiáng)。根據(jù)井田內(nèi)水源井對(duì)奧陶系中統(tǒng)巖溶裂隙含水層抽水試驗(yàn)資料分析，富水性中等，水化學(xué)類型屬HCO3·SO4-Ca型，水位標(biāo)高+820.07 m。結(jié)合區(qū)域資料，推測井田內(nèi)的奧灰水水位標(biāo)高為+820 m～+823 m。

阜生煤業(yè)位于太行山以西的煤田區(qū)域，因礦井服務(wù)年限已長，面臨資源枯竭，礦井現(xiàn)開采深度不斷延伸，導(dǎo)致底板含水層的水位高于煤層的標(biāo)高，礦井轉(zhuǎn)入奧陶系巖溶承壓水面下進(jìn)行采掘作業(yè)，加上屬于資源整合保留礦井，地質(zhì)資料及勘探資料薄弱，對(duì)井下開采條件具有不確定因素，在井下作業(yè)現(xiàn)場地下水有涌入開采工作面和巷道的危險(xiǎn)性，對(duì)礦井的生產(chǎn)及人身安全產(chǎn)生巨大威脅。

2 安全治理措施

經(jīng)分析礦井井田開采的水文地質(zhì)條件，結(jié)合礦井實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)情況，對(duì)礦井的帶壓水害區(qū)域探索開采制訂了可行性的安全治理措施及方案。

2.1 水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探

礦井水文地質(zhì)條件的研究程度薄弱，雖然井田內(nèi)水源井對(duì)奧灰含水層進(jìn)行過抽水試驗(yàn)，但是不能真實(shí)反映出礦井的奧灰實(shí)際情況，據(jù)此資料作出的評(píng)價(jià)具有單一性，須進(jìn)行水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探，目的是探明奧陶系灰?guī)r含水層，其正是礦井井田影響15號(hào)煤層開采的主要含水層。因此，礦井由具有資質(zhì)的地測部門采用水文地質(zhì)鉆探、抽水試驗(yàn)、水化學(xué)特征探查、地下水動(dòng)態(tài)觀測進(jìn)行補(bǔ)充勘探，通過“四位一體”反映出井下具體地質(zhì)實(shí)況，建立奧灰水位觀測系統(tǒng)，在采掘作業(yè)中邊推進(jìn)邊勘探，綜合分析，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌握奧灰水位。

2.2 工作面布置及要求

礦井開采至今，經(jīng)過多年開采實(shí)踐、現(xiàn)場勘探及研究分析，煤層底板破壞與工作面的長短、巷道開掘斷面、錨桿錨索規(guī)格設(shè)置、工作面順槽及切眼的布置長度關(guān)系較為緊密。工作面布置是水害防治主要的措施之一，經(jīng)過大量試驗(yàn)證明，15#煤層的頂?shù)装迤茐某潭扰c工作面的布置、采掘順序均有一定的聯(lián)系。通過對(duì)礦井采掘活動(dòng)造成的礦山壓力及頂、底板突水試驗(yàn)、勘查與研究，主要采取以下措施：

1) 設(shè)計(jì)工作面順槽及切眼長度

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，在底板隔水層厚度及強(qiáng)度不夠或構(gòu)造裂隙發(fā)育時(shí)，為降低礦井突水的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，應(yīng)考慮大面改小面，縮短回采工作面斜長以減少頂?shù)装迤茐某潭取＝?jīng)計(jì)算，帶壓區(qū)內(nèi)工作面斜長≤148.8 m時(shí)，底板突水可能性不大。因此，今后在帶壓區(qū)內(nèi)布置工作面時(shí)，應(yīng)酌情減少工作面巷道斜長長度。

2) 調(diào)整采掘工作面布置

采掘工作面布置應(yīng)盡量避免與斷層帶平行，要降低礦山壓力引起的斷層斷裂帶與周邊剪切疊加后造成的突水幾率。

3) 頂板控制

根據(jù)周邊礦井以往開采實(shí)踐和現(xiàn)場測定結(jié)果，當(dāng)頂板堅(jiān)硬不易冒落而形成懸頂跨距過大時(shí)，應(yīng)進(jìn)行人工放頂，減少懸頂面積，降低初次來壓強(qiáng)度，保證初次來壓步距小于10 m～15 m，最好不大于20 m。

4) 底板注漿加固工作

對(duì)有礦井導(dǎo)高大的區(qū)域、導(dǎo)水陷落柱、斷裂異常導(dǎo)水帶等、要進(jìn)行注漿封堵加固，增加隔水層阻抗強(qiáng)度，防治底板突水。

此外，嚴(yán)格執(zhí)行防治水分區(qū)，若礦井發(fā)生奧灰突水，把水害威脅降至最低。

2.3 掘進(jìn)巷道防治水措施

掘進(jìn)工作面嚴(yán)格按照探放水規(guī)定，采取前方超前探測，并對(duì)地質(zhì)異常區(qū)域進(jìn)行探放水工作，確保掘進(jìn)安全。

1) 超前探測

礦井帶壓區(qū)域巷道掘進(jìn)中，日常防治水重點(diǎn)是超前探測，前方發(fā)現(xiàn)或揭露斷層，且斷層導(dǎo)含水性、位置可能與已有的資料不符，其突水存在不可預(yù)知性，采用直流電法、瞬變電磁技術(shù)、地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行掘進(jìn)頭超前綜合探查，全方位立體式地明確現(xiàn)場構(gòu)造，為下一步作業(yè)提供安全保障。

2) 探放水

帶壓掘進(jìn)中，嚴(yán)格按照《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦防治水規(guī)定》制定的探放水設(shè)計(jì)和措施組織施工，要求邊探邊掘，遇到水文地質(zhì)異常地段、斷裂富水帶及老空水立即停止開掘，執(zhí)行超前鉆探，從左右煤壁、迎頭煤壁及頂?shù)装宀煌轿徊煌嵌却蛱讲榭准胺潘住?/p>

3) 超前注漿封堵

物探和鉆探查明構(gòu)造存在具體位置及影響范圍實(shí)況，遇到斷層、陷落柱、老空等地質(zhì)薄弱帶，采取超前注漿對(duì)煤壁及煤頂板封堵，待形成帷幕且鉆探驗(yàn)證安全后再進(jìn)行掘進(jìn)，確保掘進(jìn)安全的同時(shí)也為下一步順利開采提前進(jìn)行加固管理。

2.4 工作面防治水措施

1) 綜合物探

綜合分析研究地面物探成果，以井下物探為主，以一種物探方法為主，其他物探為輔，探明采區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件特征。

采掘過程中要加強(qiáng)井下物探工作，帶壓開采工作面的探測工作應(yīng)在危險(xiǎn)地段如斷層、陷落柱水文異常區(qū)等地段加強(qiáng)井下超前探測。常用有效的物探方法有瞬變電磁側(cè)向探測、無線電波坑道透視等。

2) 井下探放水

利用綜合物探手段對(duì)導(dǎo)水構(gòu)造的具體位置、形態(tài)進(jìn)行更為準(zhǔn)確的探測和導(dǎo)水評(píng)價(jià)是必不可少的工作，由于物探具有多解性的特點(diǎn)，鉆探驗(yàn)證不可缺少。各工作面應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況編制物探異常區(qū)超前鉆探設(shè)計(jì)，鉆探的設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)包括：鉆孔布設(shè)方案，鉆孔類型、結(jié)構(gòu)、鉆孔參數(shù)、終孔層位，鉆探施工、下套管、套管耐壓試驗(yàn)、施工機(jī)械及施工技術(shù)要求。

根據(jù)我礦井田的情況，對(duì)斷層探水后，如果水壓比較大，以留設(shè)煤柱為宜；對(duì)巖溶陷落柱，應(yīng)探明其導(dǎo)水性后再采取相應(yīng)的措施，若陷落柱面積較大則應(yīng)以留設(shè)防水煤柱為主要措施。

2.5 斷層水防治措施

掘進(jìn)中堅(jiān)持“預(yù)測預(yù)報(bào)，有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的方針，必須先行超前探查，明確斷層無水后方可掘進(jìn)。如斷層含水或斷層導(dǎo)致巷道距奧灰較近，必須進(jìn)行注漿加固，并確定無水害方可通過。

根據(jù)以往報(bào)告，對(duì)位于帶壓區(qū)內(nèi)落差大于10 m斷層的防水煤柱進(jìn)行了具體計(jì)算，見式(1)、式(2)。對(duì)落差≥5 m且<10 m的斷層，留設(shè)防水煤柱的寬度；對(duì)落差<5 m的斷層應(yīng)在探明其導(dǎo)水性后再確定是否留設(shè)防隔水煤柱或注漿加固處理。

(1)

式中：L為防隔水煤柱寬度，m；K為安全系數(shù)，一般取2～5；M為煤層厚度或采高，m；P為水頭壓力，MPa；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。

(2)

式中：Ha為導(dǎo)水裂隙帶至含水層間防水巖柱的厚度，m；Ts為臨界突水系數(shù)，MPa/m；α為斷層傾角，(°)；P為水頭壓力，MPa。

按上述公式(1)、式(2)計(jì)算，所得結(jié)果取較大值為留設(shè)的防水煤柱寬度。

根據(jù)以上計(jì)算公式，本報(bào)告對(duì)位于帶壓區(qū)內(nèi)落差>10 m的斷層的防水煤柱進(jìn)行了具體計(jì)算(見表1)。對(duì)落差≥5 m且<10 m的斷層，礦方可按照以上計(jì)算方法自行計(jì)算斷層防水煤柱的寬度；對(duì)落差<5 m的斷層應(yīng)在探明其導(dǎo)水性后再確定是否留設(shè)防水煤柱或注漿加固。

表1 主要斷層防水煤柱寬度一覽表

2.6 陷落柱水防治措施

目前，在帶壓開采區(qū)內(nèi)只在井田西南部邊界附近發(fā)現(xiàn)一陷落柱(DX8)，該陷落柱所處位置對(duì)回采影響不大，可采用留設(shè)保護(hù)煤柱的方法防止突水事故發(fā)生。保護(hù)煤柱留設(shè)方法可參照《煤礦防治水規(guī)定》附錄三公式導(dǎo)水?dāng)鄬臃浪褐牧粼O(shè)方法比照計(jì)算。計(jì)算公式如式(3)。

(3)

式中，L為防隔水煤柱寬度，m；K為安全系數(shù)，一般取2～5；M為煤層厚度或采高，m；P為水頭壓力，MPa；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。

按公式(3)計(jì)算15號(hào)煤層中陷落柱保護(hù)煤柱寬度，見表2。

表2 陷落柱保護(hù)煤柱留設(shè)寬度一覽表

3 實(shí)踐論證

經(jīng)過實(shí)踐，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)如下：

1) 礦井采煤工藝為一次性采全高，對(duì)底板的破壞嚴(yán)重。因此，做好常規(guī)奧灰水文監(jiān)測是最基礎(chǔ)的措施，在采掘作業(yè)中，工作面、巷道的布置優(yōu)化對(duì)防治水害起決定性作用，采用鉆探、物探、注漿對(duì)導(dǎo)水構(gòu)造和底板薄弱帶的探查與治理，建立強(qiáng)大的排水系統(tǒng)保障安全開采。

2) 在礦井帶壓區(qū)域?qū)W灰水的預(yù)防治理及開采措施取得了安全技術(shù)成效。

3) 采取措施查清地質(zhì)構(gòu)造，對(duì)不利的水文地質(zhì)條件進(jìn)行探放水、注漿封堵，甚至保留煤柱繞行布置工作面或縮短工作面及順槽，有效地減少礦井涌水量，杜絕水災(zāi)事故的發(fā)生，達(dá)到能夠在奧灰水的威脅下進(jìn)行安全采煤。

4 結(jié)語

煤礦奧灰?guī)洪_采必須全面掌控井下地質(zhì)條件，做好探放水及礦壓監(jiān)測動(dòng)態(tài)管理工作，采取有效針對(duì)性治理措施，為礦井正常開采創(chuàng)造條件，從而實(shí)現(xiàn)安全效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益最大化。