突水系数法在回坡底煤矿奥灰突水危险性评价中的应用与研究

刘德旺（山西焦煤集团公司,山西省太原市,030024）



突水系数法在回坡底煤矿奥灰突水危险性评价中的应用与研究

刘德旺
（山西焦煤集团公司,山西省太原市,030024）

摘要应用突水系数法对回坡底煤矿11＃煤层带压开采的突水危险性进行计算和分区,在此基础上针对11＃煤层存在底板薄和双重底板采动破坏问题,对分区实际安全性加以分析和评价。根据评价提出了11＃煤层带压开采的安全防范技术措施。在采取安全防范措施的条件下,回坡底煤矿已进行了11＃煤层的安全回采。

关键词突水系数法 突水危险性评价 突水危险性分区 防范技术措施

回坡底煤矿11＃煤层是距奥陶系灰岩最近的可采煤层,依据矿井中长期规划,在近5年内开采井田北部奥灰压力水头超过煤层底板的带压区的11＃煤层,因此需要评价11＃煤层带压开采的安全性。通常用隔水层底板所承水压P与煤层底板至奥陶系灰岩顶板之间的厚度M的比值,即突水系数T （P/M）来评价带压开采的安全性,并进行突水危险性分区。由于11＃煤层距奥灰近,底板隔水层薄,因此需要根据矿井的带压特征对分区的实际安全性进行进一步的分析与评价,并在此基础上提出相应的安全防范措施,保障煤矿的生产安全。

1　矿井概况

回坡底煤矿井田范围呈北东—南西向长条多边形分布,总面积40.0088 km2,设计生产能力120 万t/a,分东西两区,现主采下组10＃、11＃煤层。10＃煤层平均厚2.55 m,11＃煤层平均厚3.27 m,两煤层间距平均6.54 m,11＃煤层与奥灰层平均间距25.4 m。

井田主要含水层有太原组（K1、K2、K3）石灰岩溶隙含水组和中奥陶统石灰岩溶隙含水组。太原组灰岩中K2灰岩最厚,平均厚8.9 m,单位涌水量0.0087～0.21 L/s·m,水位标高522.5～695.1 m,含水层富水性属于弱－中等,是下组煤开采的顶板充水含水层。奥灰最上层是峰峰组上段（O2f2）块状石灰岩溶隙含水层,是带压区下组煤层开采的突水威胁含水层,平均厚38.6 m,质纯而溶隙发育,富水性较强。峰峰组水位标高519.2 ～540.6 m,平均530.0 m,低于太原组K2灰岩水位。井田位于上团柏和下团柏边界断层之间,总体为倾向北西,倾角5°～15°的单斜构造,断裂发育一般。煤层埋深向北递增,井田北部为11＃煤层奥灰带压区,带压区约为井田面积的一半。

2　11＃煤层底板突水危险性预测及分区

2.1突水危险性评价方法与计算

带压开采突水危险性评价通常采用《煤矿防治水规定》的突水系数法。

突水系数是水压力和隔水层厚度的比值:

式中:T——突水系数,MPa/m;

P——隔水层底板所承水压,MPa;

M——11＃煤层底板至奥陶系灰岩顶板之间的隔水层厚度,m;

H——奥陶系O2f2承压含水层压力水头标高（水位）,m;

h——煤层底板标高,m。

因此,11＃煤层带奥灰水压突水系数就可用奥灰水位H、11＃煤层底板（底面）标高h、11＃煤层底板至奥陶系灰岩顶板之间的隔水层厚度M来计算。11＃煤层至奥灰含水层之间的隔水层由铝质泥岩、粉砂岩、泥岩、石英砂岩等致密岩石组成,厚度15.14～35.89 m,一般25.4 m,具有良好的隔水性能。

11＃煤层最低点的突水系数是井田中最大的突水系数,最低点11＃煤层底面标高为＋240 m,隔水层厚度为25.4 m,奥灰压力水头标高为＋530 m,由式（1）计算得出突水系数为0.122 MPa/m,大于完整地段临界突水系数0.1 MPa/m。依据计算结果得井田11＃煤层突水系数等值线图,如图1所示。

图1　11＃煤层突水系数等值线和分区图

2.211＃煤层带压开采突水危险性理论预测分区

按《煤矿防治水规定》临界突水系数在隔水底板构造破坏地段为0.06 MPa/m、隔水层完整无断裂构造破坏地段为0.1 MPa/m的规定值,带压突水危险性分区:相对安全区即带压开采突水危险性小,一般不会发生突水,仅在存在导水构造（导水断裂或陷落柱）时发生突水,其突水系数取值范围为0.0098 MPa/m＜T≤0.06 MPa/m;突水危险区即带压开采突水危险性较大,隔水底板完整地段是安全的,断裂构造破坏地段不安全,一般情况下,底板都存在或大或小的断裂构造,其突水系数取值范围为0.06 MPa/m＜T≤0.1 MPa/m;突水高危险区即带压开采存在突水的高危险,突水系数已超过完整底板的临界值,一般会发生突水,其突水系数取值范围为T＞0.1 MPa/m。

根据上述带压突水危险性分区情况及式（1）和图1得出,当承压含水层压力水头刚到开采11＃煤层底面时,突水系数0.0098 MPa/m以上的井田北半部处于带压区,11＃煤层带压区存在高危险区、危险区和相对安全区3个突水危险性分区。高危险区位于井田北东部局部地区;危险区在北部呈北东向长条分布;相对安全区分布在带压区南部,占带压区面积大半。

为保障带压开采安全,对突水危险性理论分区进行实际安全性的评价。

3　11＃煤层带压分区的安全性分析与评价

3.1底板隔水层厚度安全分析

临界突水系数是隔水底板平均每米厚度所能承受的最大安全水压力,代表底板的隔水质量,临界突水系数越大,隔水质量越高。计算突水系数的M是整个底板的厚度,而不是有效隔水层厚度。

11＃煤层隔水层厚度15.14～35.89 m,厚度变化较大,在隔水层薄弱处、构造裂隙发育处需要进行底板注浆加固。

3.2突水危险性分区实际安全性的评价

影响底板突水主要有水压P,底板厚度M、底板岩性及组合、构造发育程度及导水性、底板承压含水层的岩溶发育程度、煤厚或采高、采煤方法的工程条件（如工作面长度等）等因素。按一般突水系数法对回坡底矿井11＃煤层带压区进行计算和分区。但一般突水系数法仅包含水压和厚度两种因素,而且在厚度中未考虑实际存在的底板导水破坏深度,这在一般情况下是可以的,但在矿井有特殊情况时是不够的,需要针对实际情况,对分区安全性进行分析与评价。

回坡底煤矿对安全生产不利的特殊情况是11＃煤层底板偏薄及与上覆开采煤层10＃煤层间距小。

（1）底板偏薄。11＃煤层平均厚度25.4 m较一般中等厚度偏薄,在底板导水破坏深度和底板自重等因素作用下,其实际临界安全压力和临界突水系数都偏小,破坏地段的实际临界突水系数小于0.06 MPa/m。

按底板破坏深度经验公式计算,长度150 m回采工作面底板破坏深度约为16 m。依照此破坏深度,11＃煤层底板的有效隔水层厚度为0～20 m,平均10 m,占底板平均厚度的39%,小于一半,因此底板平均隔水质量偏低,实际临界突水系数小于规定值（0.06 MPa/m、0.1 MPa/m）。当遇到较大断层时,底板有效隔水层厚度就为零或接近于零。

（2）底板双重采动破坏。11＃煤层较厚,平均为3.27 m,其上的10＃煤层平均厚2.5 m,且两煤层层间距平均为6.54 m,故先采10＃煤层,因此开采11＃煤层就存在双重采动破坏问题,破坏力度和深度大,大幅减小了底板有效隔水层厚度,对带压安全开采不利。

4　11＃煤层带压开采的安全防范技术措施

（1）将11＃煤层突水系数超过0.10 MPa/m的突水高危险区列为禁采区。

（2）在突水系数超过0.06 MPa/m的突水危险区,不得将开拓巷道设计（布置）在11＃煤层底板中。

（3）利用10＃煤层开采资料,对落差大于5 m的较大断层进行注浆加固或留设11＃煤层防隔水煤柱;对11＃煤层底板薄弱处进行底板注浆加固。

（4）带压区开采由浅至深,循深渐进,回采工作面不跳采。

（5）加强11＃煤层整个带压区的水文动态观测,准确测定深部奥灰峰峰组含水层水位标高,同时加强对井下涌水量的观测。

（6）加强和完善东一采区排水系统,排水设备采用具有抗淹没性能的潜水电泵,以卧式为宜。带压采区深部建立由潜水泵组成的抗灾强排系统,强排水能力不小于400 m3/h。

（7）制定11＃煤层带压开采奥灰突水处置预案,带压开采期间24 h有人进行底板水情观测记录,保证通讯畅通。

（8）加强有掘必探、有采必探、有疑必钻,严格执行物探先行、化探跟进、钻探验证的措施,积极采用物探、钻探相结合的手段对断层、陷落柱等隐伏构造进行超前探测,及时对物探异常区进行钻探验证。

（9）完善水灾应急救援预案和现场处置方案,定期组织进行水灾救援演练。

（10）定期组织防治水知识培训教育,使各级管理技术人员、一线职工熟悉透水征兆、避水灾路线,提高其水害防范意识。

5　结语

应用突水系数法对矿井11＃煤层带压开采的突水危险性进行计算和分区,在此基础上针对11＃煤层存在底板薄和双重底板采动

破坏问题,对分区实际安全性加以分析和评价。根据评价提出了11＃煤层带压开采的安全防范技术措施。在采取安全防范措施的条件下,回坡底煤矿已进行了11＃煤层的安全回采。

参考文献:

［1］卜昌森.煤矿水害探查、防治实用技术应用与展望［J］.中国煤炭,2014（7）

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［4］王梦玉.矿井防治水和水资管理研究论文选集［M］.北京:煤炭工业出版社,2011

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［6］武强,刘守强等.脆弱性指数法在煤层底板突水评价中的应用［J］.中国煤炭,2010（6）

（责任编辑张艳华）

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

中图分类号TD745

文献标识码A

作者简介:刘德旺（1972－）,男,山西平遥人,高级工程师,2015年7月中国矿业大学（北京）地质工程专业硕士毕业,目前主要从事矿井水害防治方面的研究工作。