劉德旺（山西焦煤集團(tuán)公司,山西省太原市,030024）

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突水系數(shù)法在回坡底煤礦奧灰突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用與研究

劉德旺
（山西焦煤集團(tuán)公司,山西省太原市,030024）

摘要應(yīng)用突水系數(shù)法對(duì)回坡底煤礦11＃煤層帶壓開采的突水危險(xiǎn)性進(jìn)行計(jì)算和分區(qū),在此基礎(chǔ)上針對(duì)11＃煤層存在底板薄和雙重底板采動(dòng)破壞問(wèn)題,對(duì)分區(qū)實(shí)際安全性加以分析和評(píng)價(jià)。根據(jù)評(píng)價(jià)提出了11＃煤層帶壓開采的安全防范技術(shù)措施。在采取安全防范措施的條件下,回坡底煤礦已進(jìn)行了11＃煤層的安全回采。

關(guān)鍵詞突水系數(shù)法 突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià) 突水危險(xiǎn)性分區(qū) 防范技術(shù)措施

回坡底煤礦11＃煤層是距奧陶系灰?guī)r最近的可采煤層,依據(jù)礦井中長(zhǎng)期規(guī)劃,在近5年內(nèi)開采井田北部奧灰壓力水頭超過(guò)煤層底板的帶壓區(qū)的11＃煤層,因此需要評(píng)價(jià)11＃煤層帶壓開采的安全性。通常用隔水層底板所承水壓P與煤層底板至奧陶系灰?guī)r頂板之間的厚度M的比值,即突水系數(shù)T （P/M）來(lái)評(píng)價(jià)帶壓開采的安全性,并進(jìn)行突水危險(xiǎn)性分區(qū)。由于11＃煤層距奧灰近,底板隔水層薄,因此需要根據(jù)礦井的帶壓特征對(duì)分區(qū)的實(shí)際安全性進(jìn)行進(jìn)一步的分析與評(píng)價(jià),并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的安全防范措施,保障煤礦的生產(chǎn)安全。

1　礦井概況

回坡底煤礦井田范圍呈北東—南西向長(zhǎng)條多邊形分布,總面積40.0088 km2,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120 萬(wàn)t/a,分東西兩區(qū),現(xiàn)主采下組10＃、11＃煤層。10＃煤層平均厚2.55 m,11＃煤層平均厚3.27 m,兩煤層間距平均6.54 m,11＃煤層與奧灰層平均間距25.4 m。

井田主要含水層有太原組（K1、K2、K3）石灰?guī)r溶隙含水組和中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r溶隙含水組。太原組灰?guī)r中K2灰?guī)r最厚,平均厚8.9 m,單位涌水量0.0087～0.21 L/s·m,水位標(biāo)高522.5～695.1 m,含水層富水性屬于弱－中等,是下組煤開采的頂板充水含水層。奧灰最上層是峰峰組上段（O2f2）塊狀石灰?guī)r溶隙含水層,是帶壓區(qū)下組煤層開采的突水威脅含水層,平均厚38.6 m,質(zhì)純而溶隙發(fā)育,富水性較強(qiáng)。峰峰組水位標(biāo)高519.2 ～540.6 m,平均530.0 m,低于太原組K2灰?guī)r水位。井田位于上團(tuán)柏和下團(tuán)柏邊界斷層之間,總體為傾向北西,傾角5°～15°的單斜構(gòu)造,斷裂發(fā)育一般。煤層埋深向北遞增,井田北部為11＃煤層奧灰?guī)簠^(qū),帶壓區(qū)約為井田面積的一半。

2　11＃煤層底板突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)及分區(qū)

2.1突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法與計(jì)算

帶壓開采突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)通常采用《煤礦防治水規(guī)定》的突水系數(shù)法。

突水系數(shù)是水壓力和隔水層厚度的比值:

式中:T——突水系數(shù),MPa/m;

P——隔水層底板所承水壓,MPa;

M——11＃煤層底板至奧陶系灰?guī)r頂板之間的隔水層厚度,m;

H——奧陶系O2f2承壓含水層壓力水頭標(biāo)高（水位）,m;

h——煤層底板標(biāo)高,m。

因此,11＃煤層帶奧灰水壓突水系數(shù)就可用奧灰水位H、11＃煤層底板（底面）標(biāo)高h(yuǎn)、11＃煤層底板至奧陶系灰?guī)r頂板之間的隔水層厚度M來(lái)計(jì)算。11＃煤層至奧灰含水層之間的隔水層由鋁質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖、石英砂巖等致密巖石組成,厚度15.14～35.89 m,一般25.4 m,具有良好的隔水性能。

11＃煤層最低點(diǎn)的突水系數(shù)是井田中最大的突水系數(shù),最低點(diǎn)11＃煤層底面標(biāo)高為＋240 m,隔水層厚度為25.4 m,奧灰壓力水頭標(biāo)高為＋530 m,由式（1）計(jì)算得出突水系數(shù)為0.122 MPa/m,大于完整地段臨界突水系數(shù)0.1 MPa/m。依據(jù)計(jì)算結(jié)果得井田11＃煤層突水系數(shù)等值線圖,如圖1所示。

圖1　11＃煤層突水系數(shù)等值線和分區(qū)圖

2.211＃煤層帶壓開采突水危險(xiǎn)性理論預(yù)測(cè)分區(qū)

按《煤礦防治水規(guī)定》臨界突水系數(shù)在隔水底板構(gòu)造破壞地段為0.06 MPa/m、隔水層完整無(wú)斷裂構(gòu)造破壞地段為0.1 MPa/m的規(guī)定值,帶壓突水危險(xiǎn)性分區(qū):相對(duì)安全區(qū)即帶壓開采突水危險(xiǎn)性小,一般不會(huì)發(fā)生突水,僅在存在導(dǎo)水構(gòu)造（導(dǎo)水?dāng)嗔鸦蛳萋渲r(shí)發(fā)生突水,其突水系數(shù)取值范圍為0.0098 MPa/m＜T≤0.06 MPa/m;突水危險(xiǎn)區(qū)即帶壓開采突水危險(xiǎn)性較大,隔水底板完整地段是安全的,斷裂構(gòu)造破壞地段不安全,一般情況下,底板都存在或大或小的斷裂構(gòu)造,其突水系數(shù)取值范圍為0.06 MPa/m＜T≤0.1 MPa/m;突水高危險(xiǎn)區(qū)即帶壓開采存在突水的高危險(xiǎn),突水系數(shù)已超過(guò)完整底板的臨界值,一般會(huì)發(fā)生突水,其突水系數(shù)取值范圍為T＞0.1 MPa/m。

根據(jù)上述帶壓突水危險(xiǎn)性分區(qū)情況及式（1）和圖1得出,當(dāng)承壓含水層壓力水頭剛到開采11＃煤層底面時(shí),突水系數(shù)0.0098 MPa/m以上的井田北半部處于帶壓區(qū),11＃煤層帶壓區(qū)存在高危險(xiǎn)區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)和相對(duì)安全區(qū)3個(gè)突水危險(xiǎn)性分區(qū)。高危險(xiǎn)區(qū)位于井田北東部局部地區(qū);危險(xiǎn)區(qū)在北部呈北東向長(zhǎng)條分布;相對(duì)安全區(qū)分布在帶壓區(qū)南部,占帶壓區(qū)面積大半。

為保障帶壓開采安全,對(duì)突水危險(xiǎn)性理論分區(qū)進(jìn)行實(shí)際安全性的評(píng)價(jià)。

3　11＃煤層帶壓分區(qū)的安全性分析與評(píng)價(jià)

3.1底板隔水層厚度安全分析

臨界突水系數(shù)是隔水底板平均每米厚度所能承受的最大安全水壓力,代表底板的隔水質(zhì)量,臨界突水系數(shù)越大,隔水質(zhì)量越高。計(jì)算突水系數(shù)的M是整個(gè)底板的厚度,而不是有效隔水層厚度。

11＃煤層隔水層厚度15.14～35.89 m,厚度變化較大,在隔水層薄弱處、構(gòu)造裂隙發(fā)育處需要進(jìn)行底板注漿加固。

3.2突水危險(xiǎn)性分區(qū)實(shí)際安全性的評(píng)價(jià)

影響底板突水主要有水壓P,底板厚度M、底板巖性及組合、構(gòu)造發(fā)育程度及導(dǎo)水性、底板承壓含水層的巖溶發(fā)育程度、煤厚或采高、采煤方法的工程條件（如工作面長(zhǎng)度等）等因素。按一般突水系數(shù)法對(duì)回坡底礦井11＃煤層帶壓區(qū)進(jìn)行計(jì)算和分區(qū)。但一般突水系數(shù)法僅包含水壓和厚度兩種因素,而且在厚度中未考慮實(shí)際存在的底板導(dǎo)水破壞深度,這在一般情況下是可以的,但在礦井有特殊情況時(shí)是不夠的,需要針對(duì)實(shí)際情況,對(duì)分區(qū)安全性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

回坡底煤礦對(duì)安全生產(chǎn)不利的特殊情況是11＃煤層底板偏薄及與上覆開采煤層10＃煤層間距小。

（1）底板偏薄。11＃煤層平均厚度25.4 m較一般中等厚度偏薄,在底板導(dǎo)水破壞深度和底板自重等因素作用下,其實(shí)際臨界安全壓力和臨界突水系數(shù)都偏小,破壞地段的實(shí)際臨界突水系數(shù)小于0.06 MPa/m。

按底板破壞深度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,長(zhǎng)度150 m回采工作面底板破壞深度約為16 m。依照此破壞深度,11＃煤層底板的有效隔水層厚度為0～20 m,平均10 m,占底板平均厚度的39%,小于一半,因此底板平均隔水質(zhì)量偏低,實(shí)際臨界突水系數(shù)小于規(guī)定值（0.06 MPa/m、0.1 MPa/m）。當(dāng)遇到較大斷層時(shí),底板有效隔水層厚度就為零或接近于零。

（2）底板雙重采動(dòng)破壞。11＃煤層較厚,平均為3.27 m,其上的10＃煤層平均厚2.5 m,且兩煤層層間距平均為6.54 m,故先采10＃煤層,因此開采11＃煤層就存在雙重采動(dòng)破壞問(wèn)題,破壞力度和深度大,大幅減小了底板有效隔水層厚度,對(duì)帶壓安全開采不利。

4　11＃煤層帶壓開采的安全防范技術(shù)措施

（1）將11＃煤層突水系數(shù)超過(guò)0.10 MPa/m的突水高危險(xiǎn)區(qū)列為禁采區(qū)。

（2）在突水系數(shù)超過(guò)0.06 MPa/m的突水危險(xiǎn)區(qū),不得將開拓巷道設(shè)計(jì)（布置）在11＃煤層底板中。

（3）利用10＃煤層開采資料,對(duì)落差大于5 m的較大斷層進(jìn)行注漿加固或留設(shè)11＃煤層防隔水煤柱;對(duì)11＃煤層底板薄弱處進(jìn)行底板注漿加固。

（4）帶壓區(qū)開采由淺至深,循深漸進(jìn),回采工作面不跳采。

（5）加強(qiáng)11＃煤層整個(gè)帶壓區(qū)的水文動(dòng)態(tài)觀測(cè),準(zhǔn)確測(cè)定深部奧灰峰峰組含水層水位標(biāo)高,同時(shí)加強(qiáng)對(duì)井下涌水量的觀測(cè)。

（6）加強(qiáng)和完善東一采區(qū)排水系統(tǒng),排水設(shè)備采用具有抗淹沒(méi)性能的潛水電泵,以臥式為宜。帶壓采區(qū)深部建立由潛水泵組成的抗災(zāi)強(qiáng)排系統(tǒng),強(qiáng)排水能力不小于400 m3/h。

（7）制定11＃煤層帶壓開采奧灰突水處置預(yù)案,帶壓開采期間24 h有人進(jìn)行底板水情觀測(cè)記錄,保證通訊暢通。

（8）加強(qiáng)有掘必探、有采必探、有疑必鉆,嚴(yán)格執(zhí)行物探先行、化探跟進(jìn)、鉆探驗(yàn)證的措施,積極采用物探、鉆探相結(jié)合的手段對(duì)斷層、陷落柱等隱伏構(gòu)造進(jìn)行超前探測(cè),及時(shí)對(duì)物探異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

（9）完善水災(zāi)應(yīng)急救援預(yù)案和現(xiàn)場(chǎng)處置方案,定期組織進(jìn)行水災(zāi)救援演練。

（10）定期組織防治水知識(shí)培訓(xùn)教育,使各級(jí)管理技術(shù)人員、一線職工熟悉透水征兆、避水災(zāi)路線,提高其水害防范意識(shí)。

5　結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用突水系數(shù)法對(duì)礦井11＃煤層帶壓開采的突水危險(xiǎn)性進(jìn)行計(jì)算和分區(qū),在此基礎(chǔ)上針對(duì)11＃煤層存在底板薄和雙重底板采動(dòng)

破壞問(wèn)題,對(duì)分區(qū)實(shí)際安全性加以分析和評(píng)價(jià)。根據(jù)評(píng)價(jià)提出了11＃煤層帶壓開采的安全防范技術(shù)措施。在采取安全防范措施的條件下,回坡底煤礦已進(jìn)行了11＃煤層的安全回采。

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（責(zé)任編輯張艷華）

The study on the water inrush risk assessment of Ordovician limestone using water inrush coefficient method and its application in the Huipodi Coal Mine

Liu Dewang
（Shanxi Coking Coal Group Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030024,China）

AbstractThe water inrush risk on which the No.11 coal seam of Huipodi Coal Mine was mined under safe water pressure of aquifer using water inrush coefficient method was calculated and zoned,and then,the analysis and assessment of actual safety of water inrush risk zoning was carried out aiming at the issues that there was the thin floor and the double mining failures of floor in the No.11 coal seam.The prevention technical measures,which were used to mine the No.11 coal seam under safe water pressure of aquifer,were proposed according to above assessment.The No.11 coal seam was safely mined in the Huipodi Coal Mine after applying the measures.

Key wordswater inrush coefficient method,water inrush risk assessment,water inrush risk zoning,prevention technical measures

中圖分類號(hào)TD745

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

作者簡(jiǎn)介:劉德旺（1972－）,男,山西平遙人,高級(jí)工程師,2015年7月中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地質(zhì)工程專業(yè)碩士畢業(yè),目前主要從事礦井水害防治方面的研究工作。