带压开采工作面安全评价及防治水技术研究

屈少波

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.山西阳泉煤业(集团)有限责任公司五矿，山西 阳泉 045209)

0 引言

阳煤五矿8421工作面奥灰水静止水位标高为+396～+398 m，煤层标高在380～464 m之间，属局部带压。经计算该工作面突水系数最大T=0.014 MPa/m<0.06 MPa/m，属于相对安全区，一般不会存在突水危险性[1]。根据《煤矿安全规程》可以“带水压开采”。但由于五矿岩溶陷落柱、断层比较发育，如遇陷落柱、断层以及构造破坏、奥灰水导升带上升，存在底板突水的危险性。针对8421工作面局部带压的情况，在该面回采前已经采用无线电波透视、矿井瞬变电磁法、直流电法对8421工作面带压段进行了探测[2]，并综合分析划分了3个底板相对富水区，为确保安全开采还需对该工作面进行带压开采安全评价，并提出下一步采取的防治水措施。

1 矿井底板突水系数法评价

1.1 计算基础

根据《煤矿防治水规定》进一步明确了突水系数计算方法

(1)

式中：P—煤层底板隔水层承受的水压，MPa；M—煤层底板隔水层厚度，m。

运用该公式进行8421工作面底板突水系数的计算。该公式适用于回采和掘进工作面，而且该公式在规定中有临界突水系数值可以参照。运用突水系数法进行底板突水危险性预测预报的关键在于确定临界突水系数TS，可定义为每米隔水层厚度所承受的最大水压值，若TTS，则说明底板不安全，发生底板突水的可能性大[3]。

具体的工作步骤如下：①确定计算公式中的各个参量，如水压P和隔水层厚度M；②将各参量代入式(1)，求出研究区的突水系数T；③总结临界突水系数TS；④绘制突水系数等值线图，对底板突水危险性进行预测分区[4]。

1.2 工作面地板等高线图

根据8421工作面所处采区等水位线可知，该区奥陶系灰岩岩溶承压水水位标高为+396.0～+399.0 m。根据工作面周边钻孔(见表1)可以确定工作面底板至奥灰顶距离为47.33.53～50.15 m之间，从偏安全角度考虑，本报告计算压力水头采用水位标高+399.0 m，隔水层厚度采用47.33 m。

表2是巷道掘进时统计的回风巷、进风巷及内错尾巷控制点底板标高，从表2中可以看出底板标高最小为381.8 m，低于奥灰水位约17 m。

表1 8421工作面周围钻孔统计

表2 工作面掘进巷道底板标高(部分)统计表

图1为8421工作面掘进巷道底板等高线图。从底板等高线图可以看出高程相对较低位置主要位于图中左下方，处于工作面开切眼附近。

图1 8421工作面掘进巷道底板等高线图

1.3 底板突水系数与分布

通过计算8421工作面底板突水系数一览表，可以看出奥灰水压P为0～0.645 3 MPa(当奥灰水位低于工作面底板隔水层底板时，由于此时底板隔水层不再承受水压，以底板承受水压值为0进行计算)，突水系数T最大为0.014 MPa/m。总体上，8421工作面底板突水系数介于0～0.014 MPa/m之间[5]。

图2为8421工作面底板等水压线图，图3为8421工作面带压分区图，其中按突水系数0.01 MPa/m将工作面带压区域分为红蓝2区域。由2幅图中可以看出带压区域主要位于图中左下方，即8421工作面切眼向内侧回风巷520 m，进风巷140 m范围之内。

图4为8421工作面突水系数分布图，其中蓝色虚线T=0.01 MPa/m突水系数等值线，根据《煤矿防治水规定》中Ts值一般情况下在具有构造破坏的地段按0.06 MPa/m计算，隔水层完整无断裂构造破坏地段按0.1 MPa/m计算。可见该工作面底板承受最大突水系数值T=0.014 MPa/m<0.06 MPa/m，因此，结合上述评价，8421工作面底板整体突水威胁小[6]。

图2 8421工作面底板等水压线图

图3 8421工作面带压分区图

图4 8421工作面突水系数分布图

2 带压开采综合评价与安全措施

2.1 工作面带压开采综合评价

综合3种物探结果可知，在8421工作面底板主要存在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ 3个异常区域，如图5为8421工作面底板综合评价图。图中突水系数T>0.01 MPa/m用红色表示，T<0.01 MPa/m用蓝色表示。

图5 8421工作面底板综合评价图(局部)

由物探结果可知道8421工作面范围内Ⅰ号异常区域位于进风巷100～170 m，回风巷270～360 m，异常区横贯工作面，位于两个褶皱核部的连线上。该区域突水系数T介于0.011～0.014 MPa/m之间，从突水系数角度考虑，该区域处于相对安全区。但在直流电法勘探和瞬变电磁勘探结果中均出现了明显的低阻响应，另外结合坑透数据发现，该处存在由于褶皱构造引发的小型裂隙，推测该处地层完整性遭到破坏，具有岩层断裂导水的可能性，属强导含水区域。因此，综合物探及突水系数计算结果，认为该区域具有一定的底板突水危险性，在回采过程中需要采取必要的探查、处理工程，以消除异常，确保回采安全。

工作面内Ⅱ号异常区位于回风巷内X=420～520 m，Y=140～170 m内，该区域地层变化比较平缓，瞬变电磁和直流电法探测该区域存在小范围低阻异常，但无线电波透视结果表明该处存在F4、F5断层，多种物探结果综合推测该区域为富水区域[7]。该异常区范围内突水系数计算结果介于0.005～0.007 MPa/m之间，根据现有奥灰水位资料，该区域底板奥灰水位均低于工作面底板。因此，综合物探及突水系数计算结果，认为该区域无底板奥灰突水威胁，具备安全回采的地质条件[8]。

工作面内Ⅲ号异常区域位于进风巷X=380～540 m，Y=100～180 m范围内，异常区位于背斜核部，处于承压区范围之外，异常区可能受褶皱影响导致岩性变化所致，富水性较弱。由于该区域底板奥灰水位均低于工作面底板，因此，综合物探及突水系数计算结果，认为该区域无底板奥灰突水威胁，具备安全回采的地质条件。

无线电波透视推测存在陷落柱X2、X3，所推测位置为突水系数评价安全区，煤层基本不带压，因此，不具有底板突水威胁。

另外，根据邻近具有类似条件的8403工作面采掘揭露资料，采区总体水文地质条件简单，采掘过程中工作面几乎无涌水，工作面实现了安全回采，这也为8421工作面的带压开采提供了经验。

总体上，依据8421工作面现有地质、水文地质揭露资料，综合工作面底板突水系数计算及物探结果，本工作面除Ⅰ号异常区域具有一定的底板突水威胁外，其它区段为安全区，具备安全带压开采的基本地质条件。

2.2 工作面回采应采取的安全措施

异常区探验与改造：针对具有突水威胁的Ⅰ号强导含水异常区域，由于此区域构造裂隙发育、且位于褶皱核心位置，工作面底板完整性相对较差，且位置相对较低。因此，必须开展该异常区的钻探验证及异常区改造工作，在工作面异常区上下巷对应位置，针对异常区，施工水文地质探查孔，查明底板富水性规律，并结合非异常区打一定量探查孔，对比验证物探结果，并根据探查结果开展针对性的异常区注浆改造工作，在消除安全隐患后，方可进行回采，确保工作面带压开采的安全。

施工奥灰水文孔：考虑到为整个采区的安全生产提供可靠的水文地质资料，建议在井下合适地段施工一个奥灰水文孔，预计孔深100 m左右，以获取更为可靠的工作面底板隔水层厚度、奥灰水位资料以及水文地质参数等。

安装孔口管：在各类井下钻孔施工过程中，必须严格按照《煤矿防治水规定》的要求，安装孔口管，确保钻孔的安全施工与利用。

排水设施的配备：加强工作面防排水设置的配备，确保具备一定的抗灾抢险能力。

动态水文观测：在工作面回采过程中，要加强日常地质及水文地质观测，尤其要加强对工作面揭露的地质异常情况、涌水量异常变化的观测与分析，一旦出现突水征兆要及时撤人，并及时汇报，以便采取应急措施，确保工作面安全生产。

编制应急预案：编制工作面水害应急预案，认真落实各项规程规范及规章制度，加强矿井防治水工作的宣传和安全培训工作。

3 结论

(1)结合区域及矿井地质构造特征、水文地质条件，运用突水系数法对工作面带压区进行了划分，绘制了工作面底板等高线图、工作面底板带压分区图，煤层底板标高381.8～399.0 m区段为带压区域，煤层底板标高>399.0 m的区段为不带压区。其中带压区域主要集中在8421工作面切眼向内侧回风巷520 m，进风巷140 m范围之内。

(2)结合8421工作面周围钻孔资料，该工作面15#煤层底板距含水层最小距离为47.33 m，其底板承受的奥灰水压为0.645 MPa，本工作面地段最大突水系数0.014MPa/m，并以此为依据绘制了8421工作面突水系数分布图。根据《煤矿防治水规定》及《煤矿安全规程》等规范，带压开采区底板受构造破坏块段突水系数应不大于0.06 MPa/m，所以从突水系数角度来看，除上述存在构造及物探结果富水区域外，本工作面其它范围为安全区，可以进行安全带压回采[9]。

(3)综合物探结果及水文地质条件分析评价，对8421工作面回采提出了针对性的防治水措施。工作面回采一定要落实好防治水措施，同时随着采动影响注意观测有无水文异常现象，加强矿压观测及水文长观孔观测提前做好预测预报工作，确保工作面安全生产。