马兰矿8#煤层带压开采研究及防治措施

2015-11-12张旭庆

山西焦煤科技 2015年2期

张旭庆

(西山煤电集团公司，山西太原 030053)

1 概述

山西西山煤电股份公司马兰矿是我国“七五”期间建设的国有重点煤矿。1983年建矿，1990年投产，矿井设计生产能力400万t/年，服务年限107年。矿井现开采+910 m水平，现生产8#煤层采区为南一下组煤和北三下组煤采区。

马兰矿井田水文地质条件为复杂型(Ⅲ)，充水水源主要为奥灰岩溶裂隙水、松撒冲积层及基岩风化裂隙水、山西组砂岩裂隙水、太原组灰岩裂隙岩溶水以及小窑采空水。其中，8#煤层受奥灰岩溶水影响较大。奥灰岩溶含水岩组是一组从寒武系至中奥陶系地层，对矿床具有充水危害的主要是O2f、O2s岩溶含水岩组。井田内揭露奥灰水文勘探孔地层厚度及水压统计见表1.

表1 井田揭露奥灰钻孔地层厚度及水压标高统计表

2 8#煤层带压开采现状

马兰井田以547钻孔O2f+O2s混合水位923.25 m为最高水位，主采8#煤层(最低标高为+680 m)带压开采面积约93.2 km2.随矿井采掘向中部及东部转移，以及北三采区8#煤的采掘，矿井生产受奥灰水的影响将越来越大，但严重不足的是:

1)无定量资料，即不能从水量、水位的定量关系上推断各含水层间的联系及分隔程度，以及峰峰组含水层的分块性。

2)隔水层勘探程度不足，即太原组晋祠段及本溪组厚度在井田内的变化趋势不明，尤其铝土岩段的厚度变化趋势，峰峰组上部古风化壳的裂隙充填、胶结程度。

3 带压开采分析

3.1 安全隔水层厚度计算

依《煤矿防治水规定》中计算公式:

式中:

t—安全隔水层厚度，m;

r—采掘工作面底板最大宽度，m;

L—隔水层岩石的容重，t/m3;

Kp—隔水层抗张强度，t/m2;

H—隔水层底板承受的水头压力，tf/m3.

奥灰水静水位依547孔取951.25 m，+910水平8#煤层的最低标高是680 m，8#煤层工作面底板最大宽度为20 m，隔水层的平均容重取2.2 t/m3，隔水层抗张强度取20 t/m2，8#煤层底板至奥灰顶界面的隔水层平均厚度为74 m，代入公式，则8#煤层安全隔水层厚度:

由此可知，910水平8#煤层底板隔水层在不受构造破坏及不出现大的异常的情况下，带压开采是可行的。

3.2 8#煤层底板突水系数计算

根据《煤矿防治水规定》有关要求，突水系数计算采用以下公式:

式中:

T—突水系数，MPa/m;

P—8#煤底板隔水层压强，MPa;

M—8#煤底板底板无破碎隔水层总厚度，m.

就8#煤来讲，威胁煤层开采的底板水源主要来自奥陶系岩溶水。因此，在确定水头压力时，采用奥陶系岩溶水的水压标高减去相应的奥陶系顶面标高值作为煤层底板承受的水压力。

式中:

H—奥灰岩溶水压标高，m;

h—奥灰顶面标高，m.

底板隔水层厚度(M)是指主采煤层底板至下伏对煤层开发有水压力严重威胁的含水层顶面之间的完整隔水岩层总厚度，即:

式中:

H煤—煤层底板标高，m;

h—奥灰顶面标高，m.

结合式(1)中有关数据，完整隔水岩层总厚度取8#煤层底板至奥灰顶界面的隔水层平均厚度74 m，参考全国的平均系数0.06 MPa/m，经计算，8#煤最大突水系数为:

可见，+910水平8#煤层带压开采是可行的。

4 地质构造破坏区奥灰突水可能性分析

4.1 陷落柱因素

截止2013年，井田内共发现陷落柱147个，其中地表出露8个，钻孔揭露5个，井巷揭露117个。仅17个陷落柱时有淋水、滴水现象，最大突水量达14 m3/h，一般在2.5 ～4 m3/h，1 ～2 天即疏干，补给水源有限，为煤系围岩水特征，应是赋存的构造水。而在南一8#下组煤18306工作面揭露S71导水陷落柱，突水量7～12 m3/h，水源为奥陶系岩溶水。可以判断有奥灰岩溶水的混合补给。由以上事实得出，如果陷落柱发育至8#煤以下，由于陷落柱的未胶结带、空洞带、陷落柱冒落裂隙带的存在，将大大减少有效隔水层厚度，增大了突水的可能性。

4.2 断层因素

马兰井田内部地质构造发育，主要受压扭应力的作用，断层面紧密，破碎带不大，且发育有断层泥。截止2013年7月底，马兰井田共揭露5 m以上断层96条，多属高角度正断层。矿井内断层虽然较多，对井下采煤及工作面布置影响较大，但据矿井地质报告井田内落差＞20 m的断层并不发育，落差较小的断层一般不会造成有效隔水层厚度的大幅减小，但较大正断层往往使煤层与奥灰水体间距缩小，增大突水的可能性。另外，根据勘探，断层附近富水性一般较强，在掘进中揭露断层时没有发生突水，随着采动而发生应力重新分布，也可能使底板及断层带遭受异常的破坏，变不导水为导水。

综上所述，带压开采是可行的，但应预防构造破坏区发生奥灰水突水的可能性。

5 奥灰水防治措施

5.1 全面强化水文地质勘查工作

1)加快水文地质补勘进度，并建立针对奥灰水的水文动态观测网，为防治奥灰水及定量分析奥灰水提供依据。

2)加强煤层底板隔水层的岩性组合、厚度、力学性质的勘探及实验工作，为防治奥灰水提供基础资料。

3)积极采用新技术、新经验加强对充水、导水因素的探测研究工作，采取有效防突水措施。

5.2 防突水安全措施

1)在8#煤层回采过程中应采用水文地质物探方法，包括采用直流电法超前探测或井下瞬变电磁法超前探测掘进迎头前方富水异常区。其中瞬变电磁法对含水体更为敏感，可以用来查找探测含水层及富水区范围，也可以进行探查断裂构造及陷落柱的导水性情况。对探测异常区应该按照要求建设防水设施。

因此，在近5年的时间里需要进行的物探工程量和费用见表2.

表2 矿井物探工程量及费用表

同时要采取进一步的钻探方法验证探测情况。根据马兰矿2015—2019年的开采规划，矿井计划总掘进长度29 659 m.近5年施工探放水钻孔累深达到98 280 m，总施工钻孔数为1 944个。钻探工程量见表3.

表3 矿井掘进钻探工程量及费用表

2)加强排水系统建设。首先应在南五下组煤采区最低点施工直排水系统，在南五下组煤正前与南五进风大巷间施工110 m垂深的管道井，使南五下组煤采区涌水可以沿管道井将水通过麻家口立井直接排至地面，同时实现水泵远控管理，可以有效解决南五下组煤采区和未来南八下组煤采区水害事故发生时的抗灾应急排水。具体施工工程量及设备见表4.

表4 南五下组煤采取排水系统施工工程量及设备表

北三下组煤采区为防止采区开采过程中突发水患造成重大事故，应在北三下组煤采区最低点施工盘区集中水仓，安装防爆潜水电泵，在水仓合适位置处施工管道立井敷设排水管路，通过管道立井将水直接排至地面。立井地面标高+1 275 mm，距矿地面北二35 kV变电站2 300 m.地面建一配电室放置供电及电气控制系统设备。具体工程量及设备见表5.

3)加强矿井防治水工程建设。a)在南二下组煤需施工一个专门的水文观测孔，对奥灰水水位、水压等进行动态监测。b) 在18305、18306、18308、18303 工作面回采结束后应设计施工专门防水闸墙，进行封闭隔离，防止采动影响造成的奥灰水害事故。c)升级改造中央井底变电所、主斜井底通道的5道防水防火密闭门，使之成为可远控自动关闭的电动防水防火设施。d)升级改造矿井水文观测系统，在南、北大巷及南一下组煤水沟增加3处明渠观测站点，动态监测主要水文孔奥灰水位以及水仓水位的变化情况。