任海波

（山西焦煤霍州煤電干河礦，山西 霍州 031400）

0 引 言

帶壓開(kāi)采因其危險(xiǎn)性、突發(fā)性和破壞性而對(duì)煤礦正常的安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大的隱患，嚴(yán)重威脅著井下現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人的生命安全，是制約礦井實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)的重要因素。根據(jù)干河礦地質(zhì)報(bào)告，太灰水和奧灰水均具有潛在的突水威脅性，特別是斷裂構(gòu)造附近。因此，本文據(jù)此對(duì)干河礦帶壓開(kāi)采進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其帶壓開(kāi)采安全技術(shù)進(jìn)行研究。

1 礦井基本情況

干河礦地處山西省洪洞縣，采用立井開(kāi)拓方式，有主、副、回風(fēng)3 個(gè)立井井筒。井田范圍內(nèi)斷層、無(wú)炭柱等構(gòu)造發(fā)育，其地質(zhì)構(gòu)造類(lèi)型、水溫地質(zhì)類(lèi)型分別為中等、復(fù)雜類(lèi)型，礦井瓦斯的絕對(duì)涌出量、相對(duì)涌出量分別為2.99 m3/min、0.53 m3/t，屬低瓦斯礦井。核定產(chǎn)能為1.80 Mt/a，目前開(kāi)采煤層為2 號(hào)煤層。表1 所示為可采煤層煤特征表。

根據(jù)干河礦地質(zhì)報(bào)告，太灰水最大突水系數(shù)：1號(hào)煤層為0.077 MPa/m，2 號(hào)煤層為0.081 MPa/m。奧灰水突水系數(shù)：1 號(hào)煤層為 0.019～0.056 MPa/m，2 號(hào)煤層為0.022～0.059 MPa/m。由此可見(jiàn)，太原組太灰水的突水系數(shù)比較大，盡管其富水性不強(qiáng)，突水量預(yù)測(cè)值也不大，但由于其工作面近些年在斷裂構(gòu)造附近已發(fā)生數(shù)次突水情況，加之井田內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，2 個(gè)煤層最大突出系數(shù)處在臨界突水系數(shù)附近。綜上所述，必須針對(duì)干河礦帶壓情況進(jìn)行開(kāi)采設(shè)計(jì)并提出相應(yīng)的安全技術(shù)措施。

表1 可采煤層煤特征表

2 采區(qū)開(kāi)采情況

礦井現(xiàn)開(kāi)采+80 水平一采區(qū)、二采區(qū)，準(zhǔn)備采區(qū)為三采區(qū)。采煤工作面布置：2-118D 回采，1-203 回撤；銜接面 3 個(gè)，分別為 2-116、1-218、2-126 工作面。2 個(gè)開(kāi)拓巷道掘進(jìn)工作面，分別為+80 西翼變電所正掘工作面，+80 西翼變電所反掘工作面；1 個(gè)準(zhǔn)備巷道掘進(jìn)面為三采區(qū)皮帶巷，5 個(gè)回采巷道掘進(jìn)面分別為 2-1161 巷、2-116 切巷、1-2181 巷、1-2182 巷、2-1262 巷。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)批復(fù)及未來(lái)5 年該礦的采掘銜接情況，礦井現(xiàn)正在開(kāi)采井田內(nèi)帶壓較為嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行回采，即將開(kāi)采的三采區(qū)處于整個(gè)井田范圍內(nèi)的煤層的最高處，雖然處于帶壓開(kāi)采威脅區(qū)，但是帶壓系數(shù)較小，突水危險(xiǎn)性較低，對(duì)礦井開(kāi)拓、開(kāi)采影響較小。不過(guò)還是要注意對(duì)隱伏構(gòu)造的探查，防治構(gòu)造導(dǎo)水導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

本礦井煤層采用下行式開(kāi)采順序，綜采工作面采用傾斜長(zhǎng)壁后退式采煤方法。

3 工作面帶壓開(kāi)采設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，承壓水上采煤工作面的底板破壞深度與工作面斜長(zhǎng)呈正相關(guān)關(guān)系，而底板突水機(jī)率與隔水層厚度、含水層水壓有很大關(guān)系。因此有必要從防治水的角度控制工作面斜長(zhǎng)，以減小底板隔水層的破壞深度，降低底板突水機(jī)率，保證礦井生產(chǎn)安全。

計(jì)算工作面斜長(zhǎng)的方法有很多，從減小煤層底板破壞深度的角度考慮，2 號(hào)煤工作面的斜長(zhǎng)可采用突水系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)突水系數(shù)與底板破壞深度的計(jì)算公式：

式中：P為承壓含水層水壓；M為隔水層厚度；Ldp為底板導(dǎo)水破壞帶深度；d為承壓水原始導(dǎo)高。

隨著帶壓開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，對(duì)底板導(dǎo)水破壞深度及承壓水原始導(dǎo)高的研究不斷深入，取得了很多底板破壞深度的經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。根據(jù)底板導(dǎo)水破壞深度和工作面斜長(zhǎng)作兩者的相關(guān)曲線圖，通過(guò)回歸分析，得到正常情況下工作面底板導(dǎo)水破壞深度的經(jīng)驗(yàn)公式為：

將式2 帶入式1，通過(guò)整理可得：

式中：TS為臨界突水系數(shù)。

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，正常塊段臨界突水系數(shù)取0.06 MPa /m，M 取2 號(hào)煤底板隔水層平均厚度117.50 m，井田范圍內(nèi)奧灰對(duì)煤層底板隔水層水壓平均為4.85 MPa。

根據(jù)地質(zhì)資料顯示，該礦隔水層由致密的泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖組成，其隔水性能較好，為此本次設(shè)計(jì)正常塊段奧灰原始導(dǎo)高為0。將以上數(shù)據(jù)帶入式2，計(jì)算求得臨界工作面斜長(zhǎng)L＝291 m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合礦井剩余儲(chǔ)量分布情況，設(shè)備配備情況，近年來(lái)礦井實(shí)際組織生產(chǎn)情況等諸多因素，本次設(shè)計(jì)2 號(hào)煤工作面斜長(zhǎng)取200～230 m。

4 礦井涌水量預(yù)測(cè)

干河礦現(xiàn)跳采2 號(hào)煤層，已經(jīng)歷3 次突水事故，其礦井下涌水量構(gòu)成主要為巷道涌水量、工作面涌水量和井筒殘留水量、采空區(qū)來(lái)水量。在采掘過(guò)程中對(duì)井下出水點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)記錄，主要包括：出水點(diǎn)位置、水量和水質(zhì)變化規(guī)律等方面。通過(guò)上述排水觀測(cè)資料分析，礦井回采2 號(hào)煤層生產(chǎn)期間正常用涌水量1 302 m3/d （58.33 m3/h），最大涌水量 1 909 m3/d（79.5m3/h）。根據(jù)目前干河礦生產(chǎn)能力，從井田采掘分布及排水系統(tǒng)布置看，2 號(hào)煤層屬全排型，排水量可視為礦井涌水量。

目前礦井涌水量，并未考慮斷層或陷落柱的影響，當(dāng)導(dǎo)水?dāng)鄬踊蛳萋渲鶞贤藠W灰水時(shí)，礦井涌水量會(huì)突然增大。2019 年9 月，計(jì)劃203 回采工作面施工擋水墻進(jìn)行封閉，2020 年底一采區(qū)施工擋水墻進(jìn)行封閉，這2 處擋水墻封閉完成后預(yù)計(jì)礦井涌水量會(huì)發(fā)生變化。因此必須在大巷或工作面推進(jìn)至斷層及陷落柱附近時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施，堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則，防治水害發(fā)生。

5 排水系統(tǒng)能力情況

中央水泵房安裝 5 臺(tái)多級(jí)離心水泵，3 臺(tái)MD280-65×8 離心水泵，2 臺(tái) MD500-57×9 離心水泵，2 臺(tái)應(yīng)急直排泵，工作3 臺(tái)、備用檢修各1 臺(tái)。中央水倉(cāng)設(shè)內(nèi)倉(cāng)（700 m3）、中倉(cāng)（1 600 m3）、外倉(cāng)（3 700 m3），總?cè)萘繛?6 000 m3，副井井筒安裝了 3 趟φ325 mm 和 2 趟φ273 mm 管路，其中 2 趟φ273mm 管路供 3 臺(tái) 710 kW 水泵，2 趟φ325 mm管路供2 臺(tái) 1 400 kW 水泵和 1 臺(tái) 1 400 kW 應(yīng)急強(qiáng)排泵，另1 趟φ325 mm 管路專(zhuān)供1 臺(tái)1 400 kW 應(yīng)急強(qiáng)排泵進(jìn)行排水。采掘工作面通過(guò)水溝將涌水排水至中央水倉(cāng)。

為增加礦井抗水災(zāi)能力，中央水泵房增加應(yīng)急排水系統(tǒng)，增加地面深井潛水泵BQ550-536/14-1400/W-S（2 臺(tái)），電機(jī)型號(hào)：YBQ1800/4-S，應(yīng)急排水時(shí)，3趟φ325 mm 管路、2 趟φ273 mm 管路同時(shí)排水，最大排水能力可達(dá)到2 000 m3/h。2 臺(tái)應(yīng)急直排泵采用獨(dú)立供電方式。利用已有的臥泵房6 號(hào)吸水井并進(jìn)行擴(kuò)巷，作為應(yīng)急強(qiáng)排系統(tǒng)的潛水泵井，潛水泵在泵井內(nèi)沿巷道底板水平布置。采區(qū)水倉(cāng)設(shè)有內(nèi)、外2 個(gè)倉(cāng)，水倉(cāng)總?cè)萘繛? 500 m3，其中，內(nèi)倉(cāng)1 500 m3，外倉(cāng)2 000 m3，水泵房安裝4 臺(tái)水泵，型號(hào)為：MD650－80×3（3 臺(tái)），水泵流量為 650 m3/h，揚(yáng)程為 240 m，4 臺(tái)水泵交替運(yùn)轉(zhuǎn)，分別與377 排水管路（3 趟）連接。

中央水泵房水泵、管路及水倉(cāng)能力：

工作水泵20 h 排水量：

10 916 m3＞24 h×58.33 m3/h=1 400 m3。

工作和備用水泵20 h 總排水量：

19 680 m3＞24 h×79.5 m3/h=1 908 m3。

水倉(cāng)容量：6 000 m3＞8 h×58.33 m3/h=467 m3。

由此可得，水泵、管路及水倉(cāng)能力均滿足要求。

6 帶壓開(kāi)采水患防治措施

6.1 水患防治措施

按照上述帶壓開(kāi)采分析結(jié)果，針對(duì)斷層、無(wú)炭柱等斷裂構(gòu)造造成底板導(dǎo)通奧灰水的水害事故隱患，確定本礦井下各煤層開(kāi)采采用綜合防治、帶壓開(kāi)采方案，即：對(duì)于導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造，留設(shè)防隔水煤（巖）柱；對(duì)于開(kāi)采無(wú)法避開(kāi)的導(dǎo)水通道，采用注漿封堵的方法，對(duì)導(dǎo)水通道進(jìn)行改造；對(duì)于未進(jìn)行隱伏構(gòu)造以及地層含水層富水性分布探查的區(qū)域，采用物探、鉆探和化探方法查明構(gòu)造及富水區(qū)分布情況。

井田內(nèi)共發(fā)育大小斷層116 條，大部分?jǐn)鄬泳诓删蜻^(guò)程中揭露，根據(jù)該礦多年實(shí)際揭露斷層情況及回采經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合礦井實(shí)際的采掘工程平面圖，小于15 m 斷距的斷層不會(huì)導(dǎo)通相關(guān)含水層，對(duì)礦井開(kāi)采并無(wú)突水影響，為此本次設(shè)計(jì)原則上斷距在15 m 以下的斷層不考慮留設(shè)防隔水煤柱，大于15 m 的斷層需要根據(jù)實(shí)際情況，補(bǔ)充相關(guān)斷層煤柱的留設(shè)。

根據(jù)礦井井田邊界、煤層可采范圍，對(duì)礦井開(kāi)采區(qū)內(nèi)有影響的構(gòu)造有F14 斷層、下張端斷層、F1 斷層。其中F14 斷層在可采區(qū)域內(nèi)最大的斷距為40 m，斷層附近最小隔水層厚度為126.02 m，未與奧灰接觸；下張端斷層在可采區(qū)域內(nèi)最大的斷距為120 m，因該斷層為正斷層，且可采范圍正好在斷層的下盤(pán)，為此斷層附近最小隔水層厚度為117.6 m，未與奧灰接觸；F1 斷層斷層在可采區(qū)域內(nèi)最大的斷距為90 m，斷層附近最小隔水層厚度為145.28 m，未與奧灰接觸，為此，本次采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)這3 個(gè)斷層的煤柱留設(shè)進(jìn)行計(jì)算。

式中:M為煤層厚度；p為隔水層承受的水壓；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度；K為安全系數(shù)，一般取5。各斷層煤柱計(jì)算詳見(jiàn)表2。

表2 2 號(hào)煤層各斷層煤柱計(jì)算表

6.2 帶壓區(qū)內(nèi)采掘布署及防治奧灰水措施

6.2.1 帶壓區(qū)內(nèi)采掘布署

根據(jù)礦井實(shí)際采掘布置及相關(guān)設(shè)計(jì)情況、井田內(nèi)煤層賦存情況，該礦采區(qū)巷道布置及工作面如下：

以井底煤倉(cāng)為中心以北偏西120°的方位布置+80 西軌道巷、+80 西皮帶巷、+80 西回風(fēng)巷至 B3-5鉆孔附近，然后轉(zhuǎn)向北偏東150°布置三采區(qū)皮帶巷、三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷、三采區(qū)回風(fēng)巷至井田2-118工作面采空區(qū)。礦井利用這2 組巷道對(duì)井田內(nèi)1、2 號(hào)煤層剩余資源進(jìn)行回采。

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)報(bào)告及實(shí)際揭露情況，該礦現(xiàn)有及規(guī)劃巷道、工作面均位于帶壓開(kāi)采威脅區(qū)，且隔水層平均為117.50 m，突水危險(xiǎn)性較低，可以安全的進(jìn)行采掘作業(yè)。

根據(jù)該礦實(shí)際采掘安排及已批復(fù)的初步設(shè)計(jì)，工作面長(zhǎng)度均在200～230 m，小于計(jì)算的最大工作面長(zhǎng)度291 m，工作面布置較為合理，突水危險(xiǎn)性較小。

另外根據(jù)煤層底板等高線及礦井實(shí)際揭露的煤層賦存情況，整個(gè)井田呈現(xiàn)西高東低的趨勢(shì)，也就是說(shuō)在剩余的煤層可采范圍內(nèi)副立井井底為整個(gè)儲(chǔ)量的最低位置，為此設(shè)計(jì)利用已有的副立井井底的主排水及強(qiáng)排水系統(tǒng)是合理可行的。

6.2.2 帶壓區(qū)巷道掘進(jìn)防治奧灰水措施

1）掘進(jìn)工作面掘進(jìn)時(shí)必須堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、探掘分離、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則。嚴(yán)格按照規(guī)定采取探放水措施。

2）探放水前必須編制專(zhuān)項(xiàng)探放水設(shè)計(jì)，由專(zhuān)業(yè)探放水隊(duì)伍依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行超前探放水工作。放水時(shí)嚴(yán)格控制放水量，嚴(yán)防失控。

3）采用瞬變電磁法或直流電法超前物探，探測(cè)工作面內(nèi)、巷道頂?shù)装寮熬蜻M(jìn)頭前方巖層內(nèi)的富水區(qū)或?qū)畼?gòu)造，并根據(jù)超前物探報(bào)告成果，嚴(yán)格按照探放水設(shè)計(jì)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

4）帶壓區(qū)內(nèi)加強(qiáng)對(duì)隱伏導(dǎo)水構(gòu)造的探查，查明其導(dǎo)水性，留設(shè)相應(yīng)的防水煤柱。

5）巷道過(guò)斷層時(shí)，要采用封閉支護(hù)或及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，嚴(yán)防冒頂。

6）完善工作面排水系統(tǒng)，保證足夠排水能力。6.2.3 帶壓區(qū)開(kāi)采防治奧灰水措施

1）運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽、切眼貫通后對(duì)工作面構(gòu)造發(fā)育情況進(jìn)行探測(cè)。

2）工作面回采前進(jìn)行坑透探查工作。

3）回采工作面遇斷層時(shí)應(yīng)與斷層垂直穿過(guò)，盡量避免與斷層走向平行。

采掘過(guò)程中要時(shí)刻關(guān)注工作面情況，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即撤離工作面，及時(shí)上報(bào)，并發(fā)出警報(bào)。待探明情況或采取有效措施后方可恢復(fù)生產(chǎn)。

7 結(jié)束語(yǔ)

在分析礦井水文地質(zhì)及采區(qū)開(kāi)采現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)工作面帶壓開(kāi)采進(jìn)行設(shè)計(jì)，并預(yù)測(cè)礦井涌出量情況、驗(yàn)算礦井排水系統(tǒng)能力，最后針對(duì)斷層等斷裂構(gòu)造提出帶壓開(kāi)采水患防治措施，保證了礦井的安全高效生產(chǎn)，為該礦區(qū)同類(lèi)型礦井的帶壓開(kāi)采設(shè)計(jì)及安全技術(shù)提供了參考。