帶壓開采工作面安全評價及防治水技術(shù)研究

屈少波

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.山西陽泉煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司五礦，山西 陽泉 045209)

0 引言

陽煤五礦8421工作面奧灰水靜止水位標(biāo)高為+396～+398 m，煤層標(biāo)高在380～464 m之間，屬局部帶壓。經(jīng)計算該工作面突水系數(shù)最大T=0.014 MPa/m<0.06 MPa/m，屬于相對安全區(qū)，一般不會存在突水危險性[1]。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》可以“帶水壓開采”。但由于五礦巖溶陷落柱、斷層比較發(fā)育，如遇陷落柱、斷層以及構(gòu)造破壞、奧灰水導(dǎo)升帶上升，存在底板突水的危險性。針對8421工作面局部帶壓的情況，在該面回采前已經(jīng)采用無線電波透視、礦井瞬變電磁法、直流電法對8421工作面帶壓段進行了探測[2]，并綜合分析劃分了3個底板相對富水區(qū)，為確保安全開采還需對該工作面進行帶壓開采安全評價，并提出下一步采取的防治水措施。

1 礦井底板突水系數(shù)法評價

1.1 計算基礎(chǔ)

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》進一步明確了突水系數(shù)計算方法

(1)

式中：P—煤層底板隔水層承受的水壓，MPa；M—煤層底板隔水層厚度，m。

運用該公式進行8421工作面底板突水系數(shù)的計算。該公式適用于回采和掘進工作面，而且該公式在規(guī)定中有臨界突水系數(shù)值可以參照。運用突水系數(shù)法進行底板突水危險性預(yù)測預(yù)報的關(guān)鍵在于確定臨界突水系數(shù)TS，可定義為每米隔水層厚度所承受的最大水壓值，若TTS，則說明底板不安全，發(fā)生底板突水的可能性大[3]。

具體的工作步驟如下：①確定計算公式中的各個參量，如水壓P和隔水層厚度M；②將各參量代入式(1)，求出研究區(qū)的突水系數(shù)T；③總結(jié)臨界突水系數(shù)TS；④繪制突水系數(shù)等值線圖，對底板突水危險性進行預(yù)測分區(qū)[4]。

1.2 工作面地板等高線圖

根據(jù)8421工作面所處采區(qū)等水位線可知，該區(qū)奧陶系灰?guī)r巖溶承壓水水位標(biāo)高為+396.0～+399.0 m。根據(jù)工作面周邊鉆孔(見表1)可以確定工作面底板至奧灰頂距離為47.33.53～50.15 m之間，從偏安全角度考慮，本報告計算壓力水頭采用水位標(biāo)高+399.0 m，隔水層厚度采用47.33 m。

表2是巷道掘進時統(tǒng)計的回風(fēng)巷、進風(fēng)巷及內(nèi)錯尾巷控制點底板標(biāo)高，從表2中可以看出底板標(biāo)高最小為381.8 m，低于奧灰水位約17 m。

表1 8421工作面周圍鉆孔統(tǒng)計

表2 工作面掘進巷道底板標(biāo)高(部分)統(tǒng)計表

圖1為8421工作面掘進巷道底板等高線圖。從底板等高線圖可以看出高程相對較低位置主要位于圖中左下方，處于工作面開切眼附近。

圖1 8421工作面掘進巷道底板等高線圖

1.3 底板突水系數(shù)與分布

通過計算8421工作面底板突水系數(shù)一覽表，可以看出奧灰水壓P為0～0.645 3 MPa(當(dāng)奧灰水位低于工作面底板隔水層底板時，由于此時底板隔水層不再承受水壓，以底板承受水壓值為0進行計算)，突水系數(shù)T最大為0.014 MPa/m?？傮w上，8421工作面底板突水系數(shù)介于0～0.014 MPa/m之間[5]。

圖2為8421工作面底板等水壓線圖，圖3為8421工作面帶壓分區(qū)圖，其中按突水系數(shù)0.01 MPa/m將工作面帶壓區(qū)域分為紅藍2區(qū)域。由2幅圖中可以看出帶壓區(qū)域主要位于圖中左下方，即8421工作面切眼向內(nèi)側(cè)回風(fēng)巷520 m，進風(fēng)巷140 m范圍之內(nèi)。

圖4為8421工作面突水系數(shù)分布圖，其中藍色虛線T=0.01 MPa/m突水系數(shù)等值線，根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中Ts值一般情況下在具有構(gòu)造破壞的地段按0.06 MPa/m計算，隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞地段按0.1 MPa/m計算。可見該工作面底板承受最大突水系數(shù)值T=0.014 MPa/m<0.06 MPa/m，因此，結(jié)合上述評價，8421工作面底板整體突水威脅小[6]。

圖2 8421工作面底板等水壓線圖

圖3 8421工作面帶壓分區(qū)圖

圖4 8421工作面突水系數(shù)分布圖

2 帶壓開采綜合評價與安全措施

2.1 工作面帶壓開采綜合評價

綜合3種物探結(jié)果可知，在8421工作面底板主要存在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ 3個異常區(qū)域，如圖5為8421工作面底板綜合評價圖。圖中突水系數(shù)T>0.01 MPa/m用紅色表示，T<0.01 MPa/m用藍色表示。

圖5 8421工作面底板綜合評價圖(局部)

由物探結(jié)果可知道8421工作面范圍內(nèi)Ⅰ號異常區(qū)域位于進風(fēng)巷100～170 m，回風(fēng)巷270～360 m，異常區(qū)橫貫工作面，位于兩個褶皺核部的連線上。該區(qū)域突水系數(shù)T介于0.011～0.014 MPa/m之間，從突水系數(shù)角度考慮，該區(qū)域處于相對安全區(qū)。但在直流電法勘探和瞬變電磁勘探結(jié)果中均出現(xiàn)了明顯的低阻響應(yīng)，另外結(jié)合坑透數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該處存在由于褶皺構(gòu)造引發(fā)的小型裂隙，推測該處地層完整性遭到破壞，具有巖層斷裂導(dǎo)水的可能性，屬強導(dǎo)含水區(qū)域。因此，綜合物探及突水系數(shù)計算結(jié)果，認(rèn)為該區(qū)域具有一定的底板突水危險性，在回采過程中需要采取必要的探查、處理工程，以消除異常，確保回采安全。

工作面內(nèi)Ⅱ號異常區(qū)位于回風(fēng)巷內(nèi)X=420～520 m，Y=140～170 m內(nèi)，該區(qū)域地層變化比較平緩，瞬變電磁和直流電法探測該區(qū)域存在小范圍低阻異常，但無線電波透視結(jié)果表明該處存在F4、F5斷層，多種物探結(jié)果綜合推測該區(qū)域為富水區(qū)域[7]。該異常區(qū)范圍內(nèi)突水系數(shù)計算結(jié)果介于0.005～0.007 MPa/m之間，根據(jù)現(xiàn)有奧灰水位資料，該區(qū)域底板奧灰水位均低于工作面底板。因此，綜合物探及突水系數(shù)計算結(jié)果，認(rèn)為該區(qū)域無底板奧灰突水威脅，具備安全回采的地質(zhì)條件[8]。

工作面內(nèi)Ⅲ號異常區(qū)域位于進風(fēng)巷X=380～540 m，Y=100～180 m范圍內(nèi)，異常區(qū)位于背斜核部，處于承壓區(qū)范圍之外，異常區(qū)可能受褶皺影響導(dǎo)致巖性變化所致，富水性較弱。由于該區(qū)域底板奧灰水位均低于工作面底板，因此，綜合物探及突水系數(shù)計算結(jié)果，認(rèn)為該區(qū)域無底板奧灰突水威脅，具備安全回采的地質(zhì)條件。

無線電波透視推測存在陷落柱X2、X3，所推測位置為突水系數(shù)評價安全區(qū)，煤層基本不帶壓，因此，不具有底板突水威脅。

另外，根據(jù)鄰近具有類似條件的8403工作面采掘揭露資料，采區(qū)總體水文地質(zhì)條件簡單，采掘過程中工作面幾乎無涌水，工作面實現(xiàn)了安全回采，這也為8421工作面的帶壓開采提供了經(jīng)驗。

總體上，依據(jù)8421工作面現(xiàn)有地質(zhì)、水文地質(zhì)揭露資料，綜合工作面底板突水系數(shù)計算及物探結(jié)果，本工作面除Ⅰ號異常區(qū)域具有一定的底板突水威脅外，其它區(qū)段為安全區(qū)，具備安全帶壓開采的基本地質(zhì)條件。

2.2 工作面回采應(yīng)采取的安全措施

異常區(qū)探驗與改造：針對具有突水威脅的Ⅰ號強導(dǎo)含水異常區(qū)域，由于此區(qū)域構(gòu)造裂隙發(fā)育、且位于褶皺核心位置，工作面底板完整性相對較差，且位置相對較低。因此，必須開展該異常區(qū)的鉆探驗證及異常區(qū)改造工作，在工作面異常區(qū)上下巷對應(yīng)位置，針對異常區(qū)，施工水文地質(zhì)探查孔，查明底板富水性規(guī)律，并結(jié)合非異常區(qū)打一定量探查孔，對比驗證物探結(jié)果，并根據(jù)探查結(jié)果開展針對性的異常區(qū)注漿改造工作，在消除安全隱患后，方可進行回采，確保工作面帶壓開采的安全。

施工奧灰水文孔：考慮到為整個采區(qū)的安全生產(chǎn)提供可靠的水文地質(zhì)資料，建議在井下合適地段施工一個奧灰水文孔，預(yù)計孔深100 m左右，以獲取更為可靠的工作面底板隔水層厚度、奧灰水位資料以及水文地質(zhì)參數(shù)等。

安裝孔口管：在各類井下鉆孔施工過程中，必須嚴(yán)格按照《煤礦防治水規(guī)定》的要求，安裝孔口管，確保鉆孔的安全施工與利用。

排水設(shè)施的配備：加強工作面防排水設(shè)置的配備，確保具備一定的抗災(zāi)搶險能力。

動態(tài)水文觀測：在工作面回采過程中，要加強日常地質(zhì)及水文地質(zhì)觀測，尤其要加強對工作面揭露的地質(zhì)異常情況、涌水量異常變化的觀測與分析，一旦出現(xiàn)突水征兆要及時撤人，并及時匯報，以便采取應(yīng)急措施，確保工作面安全生產(chǎn)。

編制應(yīng)急預(yù)案：編制工作面水害應(yīng)急預(yù)案，認(rèn)真落實各項規(guī)程規(guī)范及規(guī)章制度，加強礦井防治水工作的宣傳和安全培訓(xùn)工作。

3 結(jié)論

(1)結(jié)合區(qū)域及礦井地質(zhì)構(gòu)造特征、水文地質(zhì)條件，運用突水系數(shù)法對工作面帶壓區(qū)進行了劃分，繪制了工作面底板等高線圖、工作面底板帶壓分區(qū)圖，煤層底板標(biāo)高381.8～399.0 m區(qū)段為帶壓區(qū)域，煤層底板標(biāo)高>399.0 m的區(qū)段為不帶壓區(qū)。其中帶壓區(qū)域主要集中在8421工作面切眼向內(nèi)側(cè)回風(fēng)巷520 m，進風(fēng)巷140 m范圍之內(nèi)。

(2)結(jié)合8421工作面周圍鉆孔資料，該工作面15#煤層底板距含水層最小距離為47.33 m，其底板承受的奧灰水壓為0.645 MPa，本工作面地段最大突水系數(shù)0.014MPa/m，并以此為依據(jù)繪制了8421工作面突水系數(shù)分布圖。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》及《煤礦安全規(guī)程》等規(guī)范，帶壓開采區(qū)底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)應(yīng)不大于0.06 MPa/m，所以從突水系數(shù)角度來看，除上述存在構(gòu)造及物探結(jié)果富水區(qū)域外，本工作面其它范圍為安全區(qū)，可以進行安全帶壓回采[9]。

(3)綜合物探結(jié)果及水文地質(zhì)條件分析評價，對8421工作面回采提出了針對性的防治水措施。工作面回采一定要落實好防治水措施，同時隨著采動影響注意觀測有無水文異?，F(xiàn)象，加強礦壓觀測及水文長觀孔觀測提前做好預(yù)測預(yù)報工作，確保工作面安全生產(chǎn)。