高承压含水层上煤层安全开采技术探讨

尹会永，魏久传，郭建斌，朱 鲁，施龙青，王以勤

(1.山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东 青岛 266510；2.山东科技大学 地质科学与工程学院，山东 青岛 266510；3.山东珑山矿业有限公司，山东 淄博255200)

奥陶纪灰岩是华北型煤田含煤地层的基底，煤层开采过程中，煤层底板奥灰含水层突水事故时有发生。因此，受底板承压水威胁煤层的安全开采问题，一直是许多学者研究的热点。现已形成了较多的理论及方法，如“突水系数法”[1]、“下三带”理论[2]、“下四带”理论[3]、“关键层”(KS)理论[4]、薄板结构理论[5]、“零位破坏”与“原位张裂”理论[6]、基于GIS的多源信息复合[7]等方法，对承压水上煤层开采起到了良好的指导作用。也有许多学者针对煤矿的具体水文地质条件，提出具体的防治措施[8-10]。但有些理论被现场工作人员使用起来很不方便，且煤矿防治水工作事关重大，导致现场人员对某些理论不敢轻易采纳，也对一些新理论在现场的应用起到一定的限制作用。当前，现场工作人员还是主要以国家、煤炭管理部门颁发的规程、规定为主要依据，制定相应防治水方案、技术。

目前，随着北方东部地区的煤矿开采时间的加长，浅部所剩煤炭储量越来越少，越来越多的矿井进入深部开采。煤层底板奥灰含水层水压随着开采深度的增加而增加，水压已达到近12MPa，其对矿井的威胁性也随之加大。如何寻找高承压水上煤层开采技术并为现场工作人员提供方便、简单、实用的指导，也是目前科技工作者的主要任务之一。

山东省淄博煤田山东珑山矿业公司已开采多年，主要开采太原组10煤。因浅部10煤基本回采完毕，今后矿井将要开采矿井北部的-890m水平的10煤区域，此区域奥灰水压高，最大达到11.5 MPa，而且水文地质条件较为复杂。如何减少底板奥灰突水概率，研究深部开采水害防治措施，保障深部高承压水上10煤的安全开采，是珑山矿业公司面临的主要任务。本文针对珑山矿业公司的地质、水文地质条件，以实用为目的，结合“下三带”防治水理论，提出深部10煤承压水上安全开采技术，指导矿井安全生产。

1 矿井概况

山东珑山矿业有限公司位于山东淄博市博山区夏家庄镇，地形南高北低，地形标高为+165～+250m。矿井生产能力为30万t/a，开采标高+70～-900m。

矿井含煤地层为石炭系上统太原组和二迭系下统山西组，可采煤层为石炭系太原组7、9、10煤，目前主要开采10煤。井田内发育大、中型断层，构造复杂程度属于中等复杂程度。主要含水层为第四系潜水含水层、基岩风化带、山西组砂岩含水层、太原组薄层石灰岩及砂岩、本溪组徐家庄灰岩、奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层，其中对10煤开采有影响含水层为底板徐、奥灰岩溶含水层。

2 井田深部水文地质条件

井田深部区域指10煤底板标高为-650～-900m范围，面积约2.5km2。地面标高+177～+252m，10煤开采深度达到800～1152m。目前，矿井已施工130皮带下山、130轨道下山至-890m深度，并形成排水系统。

该研究区内共发育3条规模较大的正断层，已由多个工作面、巷道控制，控制程度较高。另外，在巷道掘进、工作面开采过程中，也发现较多的小断层，落差在0～3m左右。研究区-900m标高岩浆岩较发育，东部在41号、47号钻孔、三节西一上山、下山处也揭露岩浆岩发育。该区10煤较稳定,厚度约为1.5m，除深部被火成岩局部侵蚀和局部变薄外，全区大部分可采，可采系数77%。

影响10煤开采的主要含水层，主要为徐家庄灰岩和奥陶系灰岩。徐灰在研究区的浅部有两层，厚度从10 m左右由深部向浅部逐渐减小。深部徐灰只有一层，厚度较小，水量较小，水压较大，钻孔未发现涌、漏水现象，富水性较差。奥灰在研究区内富水性不均一，水压高，井下钻孔均出现奥灰涌水现象，水量25.5～90m3/h，是威胁10煤安全开采的最主要含水层。奥灰水位标高为+84～+167m，高程相差较大。根据钻孔资料可知，奥灰在顶面以下20m范围内富水性较弱，是深部开采的有利条件。

10煤与奥灰的间距在研究区内为76.76～119.76m，平均92.36m，向深部逐渐增加。岩性主要为黏土页岩、砂质页岩、细砂岩、砂质黏土、灰岩、杂色页岩、煤层等组成。

研究区突水系数为(0.1136～0.1437)MPa/m，均大于正常地段的临界突水系数，存在奥灰突水危险。因此，需要选择合适安全开采技术，实现高承压含水层上10煤的安全开采。

3 高承压水上10煤安全开采技术分析

3.1 底板注浆改造可行性分析

煤层底板注浆防治水技术是对煤层与有突水危险的含水层之间可注岩层进行注浆，增加其阻隔水性能，达到承压水上安全开采的目的。因此，此技术前提：一是需要有可注岩层，二是岩层稳定且具有一定的厚度。研究区10煤与奥灰含水之间发育一层厚度较薄的徐家庄灰岩，为岩溶含水层，但该灰岩厚度变化较大，厚度为3.5～0.6m。因此，其稳定性不符合注浆要求。另外，其富水性较差，表明此区域徐灰岩溶发育程度较低，溶隙发育较差，容浆性能较差。由此可见，“中间层”——徐灰的可注性较差。而且，在章丘、淄博等地也未有成熟的煤层底板注浆改造含水层的经验。因此，该研究区内10煤底板不具备注浆改造的可行性。

3.2 疏水降压可行性分析

疏水降压是对威胁矿井安全生产的主要充水含水层水，通过专门的工程和技术措施在人工受控的条件下进行超前预疏干或疏降水压，进而减少或消除其在矿井建设和生产过程中对矿井安全的威胁[11]。影响10煤开采的主要含水层为徐灰和奥灰，其中最主要的为奥灰含水层，奥灰涌水量较大，水压高，水位较稳定，而且奥灰厚约800m，属岩溶裂隙含水层，含水性强，为煤系各含水层最大补给来源，具有区域联系性，不是封闭的水文地质单元，以动储量为主。因此，该井田不具有疏水降压的可行性。

3.3 改革采煤方法

通过以上分析，正常回采方法在深部区域煤层开采适用性不强，因此，需改革采煤方法，实现10煤的安全开采。通过改革采煤方法，达到减小底板破坏深度的目的。长壁工作面充填开采，成本太高，对本矿井不宜采用。可通过降低工作面开采宽度的方法达到目的，而且淄博煤田其他矿井也有条带开采成功的经验，为克服煤层底板徐、奥灰水害提供了宝贵的经验和数据。因此，在深部区域开采时，首选条带开采方法。

4 高承压含水层上煤层安全开采技术-条带开采技术

以往条带开采方法的研究主要集中力学分析、矿山压力、数值模拟研究等方面，本文以煤层底板防治水“下三带”理论为指导，对不同开采深度下的煤层底板破坏深度、底板阻水带厚度进行研究，探讨条带开采宽度，为现场技术人员提供一种简便、实用的计算方法。

研究表明，煤层底板破坏深度与工作面开采宽度关系较大[12]，可利用条带开采方法减少煤层底板破坏深度，增加煤层与奥灰含水层间隔水层的有效厚度。条带开采是在开采范围内，沿一定的方向划分条带，采出一条，保留一条，相间排列。

4.1 开采宽度计算

根据“规程”[13]提供经验公式计算底板破坏深度，即：

h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579 (1)

式中：h1为采场底板破坏深度，m；H为采深，取值范围为900～1150m；α为10煤倾角，取12°；L为条带开采宽度，m。

根据式(1)，计算不同条带开采宽度情况下的底板破坏深度。

根据薄板理论[13]，底板岩层阻水带厚度的计算公式为：

式中：h2为底板阻水带厚度，m；h1为采场底板破坏深度，m；γ为底板岩层评价容重，取0.026MN/m3；P为作用于该区底部的水压，取值范围为9.0M～11.5MPa；St为底板岩体抗拉强度，一般取岩石抗压强度的0.15倍，MPa；

式中：L为壁式工作面斜长，m；Ly为沿推进方向工作面老顶初次来压步距，取25m。

根据式(2)，计算不同工作面斜长、不同采深(即水压)条件下所需底板岩层阻水带厚度。

因以往施工的钻孔中未发现奥灰存在导高现象，因此原始导高带高度为零。

开采宽度要综合考虑隔水层真实厚度(W)、底板岩层阻水带厚度(h2)和底板破坏深度(h1)。在正常情况下，只要满足

W>h1+h2(4)

则可以认为开采是安全的。

但考虑到煤层底板为损伤岩体，可增加一个损伤系数，则式(4)变为：

(W×D)>h1+h2(5)

式中，D为岩体损伤系数，D=0.7；其余同前。

10煤至奥灰平均间距为92.36m，根据式(1)、式(2)、式(3)和式(5)确定不同采深条件下采用的开采宽度，见表1。

表1 不同采深条件下10煤安全开采宽度

4.2 煤柱留设宽度计算

煤柱留设宽度的原则为，该留设宽度的煤柱能承受的极限荷载比煤柱实际承受的荷载大，保证煤柱的安全系数大于1。

对于条带开采，忽略煤柱两端的边缘效应[14]，煤柱能承受的极限荷载公式为：

P1=4γH(a-4.92MH×10-3) (6)

式中：P1为煤柱承受的极限荷载值，N/m；a为煤柱的留宽，m；g为上覆岩层的重力密度，N/m；H为采深，m；M为采厚, m。

Wilson(1970)认为，上覆岩层的重量并非完全由煤柱承担[15]，冒落在采空区的岩石同样也承担一部分上覆岩层的重量。采空区承担的载荷量与采空区内各点顶板闭合量有关，即采空区垂直应力与距煤壁的距离成正比，当该距离达到0.3H时，采空区垂直力恢复到原始荷载。

式中，P1′为煤柱承受的极限荷载值，N/m；b为采出条带宽度，m；其余同前。

保证煤柱实际承受的荷载要小于极限荷载，安全系数K≥1.6，即

据式(9)可得不同采深、不同开采宽度条件下煤柱的留设宽度，见表2。

表2 不同采深、采宽条件下煤柱的留设宽度

5 高承压含水层上10煤安全开采水害综合防治措施

5.1 进一步探查10煤底板水文地质条件

在采区和工作面开拓巷道形成后，要对每条巷道进行底板水文地质条件探查。采用先进的物探手段圈定徐、奥灰富水区域，探查徐、奥灰富水程度，为探防水工作提供可靠依据；对隐伏构造进行探查。对探测异常区进行打钻验证；对物探无富水异常的区域，也要适当打钻探查煤层底板隔水层厚度及其岩性组合情况。

5.2 留足断层防水煤柱

开采过程中，采取措施防止断层带突水，对断层进行详细探查，探查其富水性、导水性。对落差较大的断层(落差大于5m)，严格按规定计算留设足够的防水煤柱，防止开采引起断裂构造重新活动诱发突水；对采掘工程揭露的小断层(落差小于5m)，如果发现有导水迹象，要计算留设足够的防水煤柱。巷道穿越断层时，应采取有效支护和防治水措施，避免断层出水或滞后出水。

5.3 进一步完善矿井排水系统

目前，矿井排水能力能满足目前排水需要。但考虑到本矿井为受水威胁矿井，应进一步完善排水系统，增强矿井抗灾能力。水泵、水管、闸阀、排水用的配电设备和输电线路，应当经常检查和维护。在每年雨季前，应当全面检修1次，并对全部工作水泵和备用水泵进行1次联合排水试验，发现问题，及时处理。水仓、沉淀池和水沟中的淤泥，应当及时清理；每年雨季前，应当清理1次。

6 结论

山东珑山矿业公司深部10煤开采，主要威胁含水层为徐、奥灰含水层，其中奥灰富水性较强，水压高，突水危险性大。正常开采条件下，该矿井不具备底板注浆、疏水降压条件，通过改革采煤方法—条带开采，可减少底板破坏深度，保证底板隔水层的隔水性能。除此之外，还需要进行探查底板含水层水文地质条件、留设断层保护煤柱和进一步完善排水系统等综合防治水措施，增强矿井综合抗水灾害能力，实现深部10煤高承压含水层上安全开采。

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