襄垣大平煤矿3#煤层带双压开采临界突水系数的研究

宫来喜 周 平

(山西煤炭进出口集团公司,山西省太原市,030006)

★煤矿安全★——唐山多友矿井专用设备制造有限公司协办

襄垣大平煤矿3#煤层带双压开采临界突水系数的研究

宫来喜 周 平

(山西煤炭进出口集团公司,山西省太原市,030006)

针对襄垣大平煤矿K2和O2灰岩水突出危险情况进行了分析,结合《煤矿防治水规定》中提供的临界突水系数值和全国多个突水矿井的研究成果,计算出了大平煤矿可以带双压开采的临界突水系数值,得出了这些井田可以采用的安全带压开采预测模式。

矿井突水 临界突水系数 破坏深度 导升高度

山西煤炭进出口集团公司有4个煤矿分布在沁水煤田,其中有3个煤矿——大平煤矿、经坊煤矿和霍尔辛赫煤矿存在带双压(K2和O2灰水)开采突水的危险,井田总面积为114.933 km2,总带压开采面积86.6663 km2,影响煤量约为87988.82万t。襄垣县大平煤矿自建井后就进入带双压开采范围,随着年生产能力的增大,采掘范围也在扩大,采掘工作面的底板标高也在逐渐降低,突水危险性也逐渐增大。

太原西峪煤矿及西山煤田的白家庄矿和古交的许多矿区只承受O2灰岩水影响,长治地区的多个煤矿不仅承受O2灰岩水,还承K2灰岩水的影响,而且承压较大,加上O2灰岩水和K2灰岩水已经通过构造相互连通,一旦K2灰岩(在大平矿区溶洞发育,连通性好)水突出,就会有源源不断的O2灰岩水补给。本文参考构造和水文地质条件较复杂的太原西峪煤矿水文地质资料,重点对带双水压(K2和O2灰岩水压)开采严重的襄垣大平煤矿临界突水系数(TS)进行分析研究。

1 突水系数(TS)的计算依据

目前,全国各生产矿井涉及带压开采时,均依据《矿井防治水规定》的突水系数计算公式:

式中:TS——突水系数,MPa/m;

P——隔水层承受的压力,MPa;

M′——底板隔水层厚度,m。

该公式适用于回采和掘进工作面。就全国用此式计算的实际资料看,底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m,正常块段不大于0.1 MPa/m。我国部分矿区突水系数(TS)经验值如下:峰峰矿区0.066～0.076 MPa/m,焦作矿区0.06～0.10 MPa/m,淄博矿区0.06～0.14 MPa/ m,井陉矿区0.06～0.15 MPa/m,轩岗矿区0.075 MPa/m左右。

经过计算,大平煤矿3#煤层开采带K2灰岩水压开采的突水系数在0.052～0.091 MPa/m之间,带O2灰岩水水压开采的突水系数值在0.020～0.047 MPa/m之间,但没有突水资料。

参照太原西峪煤矿,对襄垣县大平煤矿的突水系数进行详细计算和分析。

2 太原西峪煤矿+650 m水平大巷通过拓-3陷落柱水文地质条件分析

太原西峪煤矿二水平二采区绕道口附近的地层位于石炭纪下部,已揭露11#煤层,且煤岩层扭曲比较严重,当+650 m水平中央大巷掘进通过长80 m的拓-3陷落柱时,煤岩层被抬升约30 m,石炭系上统太原组底部的吴家沟灰岩(L0)被揭露出来(厚度约3.0 m),灰岩中含水,且裂隙发育,有水渗漏出,刚穿过陷落柱时的巷道顶板涌水量为5～17 m3/h,3个月后稳定在7～8 m3/h(陷落柱的边缘形态是东侧凹进,西侧凸出),经过超过2 a的渗流,整个巷道干燥无水,说明补给水源也全部枯竭,该陷落柱属疏干型陷落柱(或不导奥灰水的死陷落柱)。

而+650 m水平开拓大巷掘进穿过拓-3陷落柱,揭露吴家沟灰岩(L0)和其它岩层约20 m时,进入11#煤层,此时的煤岩层相对较平缓,推测陷落柱内为1个背斜的轴部或是1条正断层或逆断层,由此计算巷道底板突出系数(TS)为0.114～0.176 MPa/m。据西峪煤矿+650 m大巷实际揭露的煤岩层情况,巷道底板与承压的O2灰岩顶部之间的煤岩层厚度(M)为32.24 m,此地段隔水煤岩柱承受的水压(P)为1.82 MPa。

3 大平煤矿与西峪煤矿水文地质条件对比分析

3.1 巷道底板隔水岩层的扰动破坏深度(CP)或有效破裂带厚度(hⅣ)

(1)按山西省地质工程勘察院《太原西峪煤矿二水平+650 m大巷通过五坡断层F3突水条件分析及防治措施》(1992年),计算的断层带底板破坏深度(CP)为29.6 m,距断层带100 m以外底板破坏深度(CP)为16.8 m。

(2)山东矿院李家祥采用“下三带”计算法,根据河北、河南、安徽、陕西4省8个矿11个工作面的实测资料,采用多元非线性回归分析法得出的经验公式如下:

式中:F——隔水岩柱的坚固性系数,(在正常岩层地段选择F=2.86,断层密集带处取F =1.72,断层破碎带处F=0.06);

α——岩层倾角,rad;

H——盖山厚度,m;

L——回采工作面长度,m。据目前两个矿的地质条件及目前的开采现状,太原西峪煤矿+650 m大巷拓-3陷落柱处的盖山厚度(H)为335 m,巷道的长度取30 m,回采工作面长度(L)为110 m;大平煤矿3105工作面12 m落差断层处,盖山厚度(H)为400 m,回采工作面巷道的长度取200 m,主副下山掘进及其它掘进巷道宽度取6 m。即选择(H)=300、335、400、420 m,L=6、30、110、150和200 m,代入公式(2)分别计算的巷道底板在正常岩层地段和断裂破碎带处的破坏深度分别见表1和表2。

表1 大平煤矿在正常岩层地段巷道底板破坏深度m

表2 大平煤矿在断裂破坏带处巷道底板破坏深度m

由表1、表2对比可知,按公式(2)计算的巷道底板的破坏深度在断裂破碎带处比正常岩层地段处深约0.887 m。

(3)吉林大学胡宽容的采场底板突水功能理论公式:

式中:hⅣ——底板的有效破裂厚度,m;

b——老顶首次或周期来压、垮落的最大空顶距离,m;

L——采面倾向水平长度,m;

M——煤层采厚或累计采厚,m;

kp顶——顶板岩层平均抗张强度,t/m2;

H水底——采场底板承受的水压,t/m2;

kp底——底板岩层平均抗张强度,t/m2; r底——底板岩层平均容重,t/m3。

所得结果见表3。

表3 依据(3)式所求大平煤矿底板有效破裂厚度m

公式(3)计算的底板破坏深度值比较接近实际,是经过几十个矿井的实践(测)检验的,可以作为计算突水系数采用底板破坏深度的重要依据。3.2 岩溶水的导升高度(h)

导升高度指隔水岩柱底部的岩溶承压水沿隔水岩层中的断层或孔裂隙上升的高度。在自然状态下能上升的高度称为“原始导高”。岩溶水的导升成为掘进及采动生产的安全隐患。

据西峪煤矿所施工钻孔的简易水文地质观测及隔水性能,本溪组底部只要有粘土岩的完整存在,在天然状态下是不会有岩溶水导升,即视导升高度为0 m。但在断裂带附近,由于多组结构面的存在,破坏了粘土岩的完整性,尤其在Ⅰ、Ⅱ级断裂结构面附近,使本溪组底部粘土岩缺失或破碎,有的地段使本溪组上部石灰岩与奥灰岩对接。据井陉、邯郸各矿的测试资料及西峪矿区的经验资料,计算突水系数时,大平矿断裂地带采用h=10 m。

3.3 突水系数(TS)的计算

结合全国各突水矿井的突水情况及西峪煤矿的水文地质研究资料,将2009年《煤矿防治水规定》中突水系数公式修正为:

式中符号的意义同前。

3.3.1 太原西峪煤矿+650 m大巷二采区拓-3陷落柱附近底板的突水系数

然而,这条巷道已经掘进过去10年,并且巷道底板通过陷落柱处,由于底臌每年拉底3～4次,至今未有奥灰水突出的迹象,说明奥灰水在此构造处的临界突水系数(TS)大于0.114 MPa/m。

但在2003年后,每年做1次直流电法勘探,发现该巷道底板的实际隔水煤岩层厚度在60 m左右,水位在巷道底板60 m以下,约30 m左右厚的奥灰岩溶洞不发育,不含水,成为隔水岩层。直流电法勘探后重新计算的突水系数为0.041～0.048 MPa/m,小于临界突水系数0.06 MPa/m,不会发生突水。

3.3.2 大平煤矿3105工作面揭露断层及主副下山巷道突水条件分析

经计算,3#煤层底板距离奥灰岩顶面的距离约为133.14～149.15 m,平均为141.15 m,距K2灰岩顶面的距离约为86.7～99.8 m,平均为93.25 m。3105工作面进风巷掘进工作面掘进到距开口1160 m处的巷道底板标高为+545.5 m,隔水岩柱承受的K2灰岩水压为3.64 MPa,承受的O2灰岩水压为2.72 MPa。主副下山巷道已掘进到标高+470 m附近处,3#煤层底板煤岩柱承受的K2灰岩水压为4.33 MPa,承受的O2灰岩水压为4.80 MPa。

3105工作面主、副巷道在2009年12月和2010年3月份分别揭露12 m落差断层时,顶板及底板内均有水渗流出,最大涌水量为80 m3/h,主巷揭露断层后,涌水量增大,副巷中的水量逐渐减少到3 m3/h左右,出水量的疏干时间在12个月或更长时间,说明断层的导水性比较好,疏干也快。目前,该断层没有导通K2和O2灰岩水,可以安全回采。

经计算,3#煤层底板煤岩柱承受K2和O2灰岩水压开采突水系数分别为0.041～0.061 MPa/m和0.020～0.031 MPa/m,暂时没有突水的危险,但是当开拓掘进面延伸到标高+420 m及以下、回采工作面的标高下降到+500 m左右时,就有突水的危险,要引起矿方足够的重视。

4 用其他带压开采预测模式对突水系数验证

用西安煤炭科学研究总院西安分院水文所李京红带压开采预测模式检验。

带压开采预测模式为:

式中:Pa——安全采面底板的最高水压,MPa;

Dph——底板导水破坏深度,m;

δ——弱阻水破坏比率,取60%;

C2——残余阻水系数,取0.15 MPa/m;

Dbm——底板保护层厚度,m;

Ddh——底板导水高度,m;

ZCP——保护层的整体阻抗水压系数,取0.13 MPa/m。

在水文地质条件复杂区和构造部位,Pa需乘以系数0.5,如存在相对隔水层,应计入Dbm。该公式在焦作、峰峰、淄博3个矿区所做的预测计算与以往的突水实例进行对比,符合率分别为83%、98%和87%,这说明对带压开采具有指导意义。

4.1 西峪煤矿二水平+650 m中央大巷二采区绕道口通过拓-3陷落柱处

参数如下:奥灰水水位为803.56 m;现掘进巷道水平(标高)653.58 m,实际测量的水头压力(PW)1.82 MPa;掘巷底板到奥灰岩顶面的距离(或厚度)32.24 m(31.41～33.07 m);掘巷底板的破坏深度(Dph)4.467、2.758、16.8 m;残余阻水系数(C2)取0.15MPa/m;原始导升高度(Ddh)0 m;弱阻水破坏比率δ取60%;保护层的整体阻抗水压系数(ZCP)取0.13 MPa/m。

经计算,Pa分别为3.650、2.0404、2.158 MPa,均大于PW=1.82 MPa,可以安全通过,不必做任何工程,1992年开掘通过构造区直到2010年6月,该地段依然没有任何出水的迹象,矿方和主管单位还在做密切的监控,并作为A级水患预防。

4.2 大平煤矿主、副下山掘进工作面+420 m标高处

参数如下:K2灰岩岩溶水水位为818.59 m;现掘进巷道水平(标高)+420 m;实际测量的水头压力(PW)4.82 MPa;掘巷底板到K2灰岩顶面的距离(或厚度)93.25 m;掘巷底板的破坏深度(Dph)4.42 m;残余阻水系数(C2)取0.15 MPa/ m;原始导升高度(Ddh)0 m(没有构造),弱阻水破坏比率δ取60%;保护层的整体阻抗水压系数(ZCP)取0.13 MPa/m。

经计算,Pa为10.6457MPa,由于是构造破碎带,底板的抗压强度按一半计算,即Pa= 10.6457/2=5.323 MPa,大于实际测量的水头压力(PW)4.82 MPa。巷道可以安全通过,一般情况下可以不做防治工程。

5 结论

(1)一般工作面突水,要满足4个条件:工作面的跨度要达到一定的距离,跨度越大破坏深度就越大;工作面回采或推进要达到一定的距离或采空区范围要达到一定的面积;与煤层底部直接接触的石灰岩溶孔、裂系及溶洞内必须富含水;断裂构造属张性或扭张性的,非压性或压扭性的。

(2)目前,襄垣大平煤矿和太原西峪煤矿井田范围内的95%以上的陷落柱属“死的”柱体(不导奥灰水),所以,在陷落柱内及柱体周围承压水不存在导升高度。但是不排除随采动影响一段时间后会有承压水从柱体内及其与围岩接触处突然涌出。

(3)太原西峪煤矿巷道掘进通过断层带处的临界突水系数为0.093 MPa/m左右,由于获取的数据很少,只是超前钻探取水样获得的突水资料,为了安全,西峪煤矿过断层带处的临界突水系数值调整为0.085 MPa/m。

襄垣大平煤矿由于没有突水资料,参照西峪煤矿巷道掘进通过断层带处的临界突水系数,取0.075 MPa/m,正常地段回采掘进工作面的临界突水系数值取0.115 MPa/m作为参考值。井田任意工作面计算的突水系数值接近这些参考数字时,必须采取相应的安全技术预防措施。

(4)大平煤矿不同于太原西峪煤矿之处在于煤层底板承受K2灰岩水压大于所承受的O2灰岩水压,一旦突水后,瞬时涌水量会很大,当压力释放到一定程度后,补给的水压力就是O2灰岩水的静水压力。如果没有O2灰岩水的补给,或者两个含水层水没有联通,涌水量会很快减少、衰竭。

[1]李景红.带压安全开采预测模式及应用方法研究[J].煤田地质与勘探,1997(4)

[2]尹万财.工作面底板突水因素分析及防治对策[J].中国煤田地质,1997(9)

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[4]王作宇,刘鸿泉.承压水上采煤[M].北京:煤炭工业出版社,1993

[5]朴树林,周平.西峪煤矿带压开采对晋祠泉水影响分析[J].中国煤田地质,1998(9)

[6]国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定(施行)[M].北京:煤炭工业出版社, 2009

(责任编辑 梁子荣)

A study on the m in ing practice in#3 coal seam of Xiangyuan Daping coalm ine threatened by critical water inrush

Gong Laixi,Zhou Ping
(Shanxi Provincial Coal Im/Export Group Co Ltd,Taiyuan,Shanxi province 030006,China)

On the basis of an analysis of the danger ofwater inrush from K2and O2limestone strata in Xiangyuan Daping coalmine and also on the basis of the criticalwater inrush values provided in the’Provisions ofwater disaster prevention in coalmines’and the research achievements obtained in multiple coalmines threatened bywater inrush disaster around this country,this paper gives an account about the critical water inrush values underwhich mining can be carried outwhile karstwater appears to under high pressure inDaping coalmine.Also presented is themode to predict the safermining underwaterpressure applicable in coalmines in this category.

water inrush in coal mine,critical water inrush coefficient,depth of destruction, height ofwater table

TD745.21

A

前面表1、表2和表3中的公式分别计算的底板破坏深度值后,得出的突水系数值为TS= 0.114～0.176 MPa/m。

宫来喜(1960-),男,高级工程师,硕士,现任山西煤炭进出口集团有限公司董事、党委委员、副总经理、煤矿安全生产管理局局长。多年来,一直从事煤矿的安全生产管理工作,钻研科技,解决安全生产中的技术难题,主持的8项科研项目荣获国家、省、山西焦煤集团颁发的科研成果奖10余项,其中,“白家庄矿6#煤层蹬空综采技术研究”获中国煤炭工业科学技术二等奖和“山西省科学技术奖”二等奖,“实行目标成本管理的实践”获省经贸委、省企管会三等奖。