阳煤二矿15#煤层带压开采安全性评价

李 骏

（阳煤集团二矿，山西 阳泉 045000）

1 工程概况

阳泉煤业（集团）股份有限公司二矿（以下简称二矿）是阳泉煤业（集团）股份有限公司的主要生产矿井，井田内煤层主要分布在二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，石炭系太原组的15#煤层为全井田稳定可采煤层，厚度较大，煤层厚5.30～8.90m，平均6.83m。地下水含水层按成因可划分为四个含水层组。即第四系松散岩类孔隙含水层、二叠系碎屑岩类组成的裂隙含水层组、石炭系石灰岩岩溶裂隙含水层组、奥陶系中统碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组，其中奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层主要由中厚层状石灰岩组成，夹薄层泥质灰岩，该含水层主要为上、下马家沟组，富水性强，埋深从东北部向西南逐渐加深，地下水总的流向为北东-南西。据井田东部施工的供水水源井，单井出水量为2200～2800m3/d，为中等～极强富水性含水层，是矿井的主要供水水源。奥灰水位标高 460m～600.00m，15#煤层底板标高为380m～780m。在井田中部和西部15#煤层底板标高低于奥陶系岩溶水水位标高，存在带压开采的问题。为具体分析15#煤层带压开采的可行性，本文以15#煤层15011首采工作面的回采为工程背景，对15#煤层带压开采的安全性进行综合性评价。

2 15011工作面水文探查

阳煤二矿为多个小窑、矿井整合而成，矿井资料经多方处理，数据的完整性、可靠性无法保证，水文地质资料匮乏，为更加准确的掌握15#煤层底板的第一手水文地质资料，设计在15#煤层的15011首采工作面施工水文探查孔，通过探查孔具体探查15#煤层底板的岩性组合特征、隔水性能、涌水情况等，且施工后的钻孔可进行持续的水文观测。15011工作面为带压开采工作面，故首先对15011工作面底板下方进行水文探查，若将探查孔施工点布置在回采巷道内，钻孔的施工、现场监测过程容易影响工作面的正常生产，通过与矿方、施工方协调商议后，设计将探查孔布置在距15011回风顺槽与专用回风巷交叉点80m的专用回风巷内，探查孔的施工位置详见图1（a）所示。水文探查孔应尽量大的揭露含水层段体积，使钻孔与导水裂隙的接触面达到最大，从而更加准确的探测底板的隔水性能、含水层的富水性。15#煤层与底板下部峰峰组含水层间隔水层平均厚度约为35.0m，因此探查孔终孔的垂深应大于35m，考虑到一定富余，钻孔垂直深度取38m，钻孔在水平方向的投影和专用回风巷轴向方向垂直，钻孔向下倾斜41°施工，钻孔长度58m，探查孔施工的剖面图如图1（b）所示。

图1 15011工作面水文探查孔施工示意图

本次施工采用ZDY-1200S型钻机[1]，钻头选用Ф113mm、Ф75mm三种金刚石复合片钻头，钻孔开孔采用直径113mm的钻头钻进11m，然后放入直径108mm、长度10m的套管，采用水泥浆进行封孔，之后进行耐压试验测试，压力不低于2.5MPa，持续时间不小于0.5h，封孔质量合格后，采用直径75mm的钻头持续钻进44m，最终施工钻孔长度为55m，垂深36m。统计施工过程中钻孔的出水情况、进尺等数据，整理得到表1所示的数据。

根据水文地质钻孔现场施工情况及表1统计数据，分析总结可得以下结论：①涌水情况；探查孔钻进13.0m后，即钻进垂直深度为8.5m时开始出水，出水量约为1.2m3/h，安装水压表测得压力为0.7MPa，出水量稳定；钻进至36.0m时（垂深23.5m），出水量增大至 3.5m3/h，水压 1.1MPa，持续放水24h后，钻孔出水量稳定在1.5m3/h左右，水压0.9MPa；之后随着钻孔继续钻进，出水量无大的波动，直至钻孔钻进52.0m（垂深41.0m），出水量剧增至8.5m3/h，水压为1.6MPa；综上可知本溪组砂岩含水层富水性较弱，峰峰组灰岩含水层富水性较强。②隔水性能；由水压、涌水量两方面分析考虑，本溪组泥岩及峰峰组上部泥岩、灰岩组合岩层隔水性能良好，根据探查结果可认为15#煤层和下部石灰岩含水层存在厚度35.0m的隔水层。③底板柱状图；根据水文探查孔取得的岩心识别、度量，可得到15011底板柱状图如图2所示。综上可得，本溪组富水性较弱，不具备引发工作面或采空区突水的条件，下方峰峰组灰岩含水层富水性较强，具备引发工作面突水的条件，峰峰组含水层和15#煤层间存在厚度约为35.0m的铝质泥岩、砂岩组合隔水层，隔水性能良好。

表1 钻孔施工相关数据统计表

图2 15#煤层底板岩性柱状图

3 15011工作面底板突水危险性预测

3.1 底板塑性破坏深度计算

不管采用何种方法进行底板突水危险性的评价，均离不开对工作面采动影响下底板破坏深度的分析，工作面底板破坏深度应综合考虑采动矿压和承压水压力的共同作用下，底板塑性破坏深度叠加计算公式为[2]：

由于采动影响引起的底板破坏深度：

式中：k1为工作面煤壁附近应力集中系数，为2.5；h为15011工作面平均埋深，为450m；γ上覆岩层平均容重，为2.65MN/m3；Cm底板岩层的内聚力，为12.78MPa；Φ底板岩层平均内摩擦角，为26°；M工作面采高，为5.8m；将以上参数代入式（2）计算可得采动影响下底板破坏深度为7.8m，带入式（1）可得15011工作面回采期间底板破坏深度为11.6m。

3.2 突水危险性综合分析

3.2.1 突水系数法

采用突水系数法确定工作面底板突水危险性的公式如下[3]：

式中：Ts为突水系数，单位：MPa/m；P为工作面与下方含水层间水头压差，根据现场测试结果取1.6MPa；M为有效隔水层厚度，15011工作面与奥灰含水层间岩层总厚为35.0m，破板塑性破坏深度为11.6m，承压水导升带高度为4.5m，则M=18.9m，代入式（3）可得突水系数为0.085MPa/m，通过查阅相关的研究成果可知[4]，完整底板条件下临界突水系数值为0.1MPa/m，1551工作面底板突水系数小于0.1MPa/m，故可认为1551工作面带压开采比较安全。

3.2.2 底板突水极限水压力分析

工作面回采期间，可将底板简化为四边固支的矩形薄板，将整个隔水层划分为底板采动破坏带（h1）、完整隔水层带（h2）、导升带（h3），如图 3 所示，底板是否存在突水的可能性，主要取决于有效隔水层厚度及其承载能力，该问题可通过Ritz法求解，最终得到底板有效隔水层带能承载的极限水头压力为[4]：

式中：Lx为薄板的长度，即为工作面长度220m；Ly为薄板宽度，即为工作面周期来压最大悬顶距，为45m；τ为抗剪强度，为8.5MPa；h2有效隔水层厚度，为 18.9m；γ 为岩石平均容重，为2.65MN/m3；μ为底板岩层破松比，为0.33；H底板隔水层总厚度，为35m；将以上参数代入式（4）计算可得Ps=5.6MPa，远大于15#煤层底板奥灰水的水压，故可知底板无突水危险。

图3 底板隔水带力学模型

4 结论

通过现场施工水文地质探查钻孔研究表明，阳煤二矿15011工作面下方本溪组富水性较弱，不具备引发工作面或采空区突水的条件，下方峰峰组灰岩含水层富水性较强，水头压力约为1.6MPa，隔水层厚度为35m，具备引发底板突水的条件。进一步理论分析计算表明，15011工作面采动影响下底板破坏深度为11.6m，突水系数为0.085MPa/m，突水系数小于0.1MPa/m，极限水压为5.6MPa，远大于实际水压，在完整底板条件下工作面能够安全的生产。