锦瑞煤业奥灰水带压开采危险性评价

付 晓

（晋能集团锦瑞煤业有限公司，山西 吕梁 033400）

1 工程地质概况

山西锦瑞煤业位于河东煤田中段柳林国家规划矿区柳林北区的东北部，三交详查区中东部，设计生产能力为120 万t/a，矿井剩余可采煤层为8、9号煤层。8 号煤层最低开采标高为+700m，9 号煤层最低开采标高为+690m，两层煤层间距平均为8.23m。

该井田位于柳林泉域的北部径流带，含水岩组主要为奥陶系中统峰峰组及上马家沟组灰岩含水层。根据收集区域资料显示，上马家沟组岩溶发育程度最高，富水性最强，峰峰组次之。井田内奥灰水位标高为+802.2m～+805.4m，单位涌水量为0.13303L/s•m。井田内8、9 号煤层为局部带压开采煤层。

2 奥灰水突水条件

（1）底板突水影响因素分析

① 底板隔水层厚度及分布特征

8、9 号煤层平均间距仅8.23m，二者水文地质条件相似。9 号煤底板至奥陶系灰岩顶面，以铝质泥岩、泥质、砂质泥岩为主夹不稳定的薄层砂岩和石灰岩，平均55.0m，岩性致密，特别是本溪组的铝土泥岩质地细腻，具有极好的隔水性能，为矿区主要隔水层组，对下伏奥灰水起到了重要的阻隔作用。

② 底板隔水层岩性组合特征

9 号煤层底板为泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩、泥灰岩，软硬相间，属软弱～半坚硬类底板，具有良好的隔水作用。其岩石物理力学特性见表1。

（2）奥灰水水文地质特征

① 奥灰水位

井田内奥灰水位为802.2 ～805.4m，地下水总趋势为由北向南，向柳林泉方向排泄。

② 奥灰岩溶含水层富水性

含水层富水性是底板发生突水的内在因素，决定着突水量的大小及其稳定性。据ZK4 号孔O2f+O2s抽水试验，水位埋深161.20m，水位标高796.46m，单位涌水量0.13303 L/s•m，渗透系数0.5887m/d，富水性中等。

（3）地质构造对底板突水的影响

井田为一单斜构造，未发现断层和陷落柱。目前发现的地质构造情况不会对奥灰水突水造成影响。

（4）突水系数计算

采用突水系数法对井田8、9 号煤层进行突水危险性评价，其计算公式为：

其中：

K-突水系数，MPa/m；

P-底板静水压力，MPa；

M-隔水层厚度，m。

各煤层钻孔突水系数计算结果见表2。

表2 各煤层钻孔突水系数计算结果表

根据上表计算结果可知，8 号、9 号煤层的最大突水系数小于受构造破坏块段突水的临界值0.06MPa/m，均属于相对安全区。

3 矿井带压开采危险性评价

3.1 奥灰水带压对开拓巷道影响的评价

（1）井下开拓巷道层位

采区大巷采用分区布置，一采区8、9 号煤层联合布置，大巷层位大多沿8 号煤层顶板布置，局部沿9 号煤层布置；二采区8、9 号煤层分层布置大巷，大巷层位分别沿8、9 号煤层布置。以上巷道最低层位位于9 号煤层中，9 号煤层底板内无开拓巷道。

（2）井下开拓巷道带压分析

井筒落底巷道、井底硐室、东翼大巷西段及西翼大巷部分巷道位于奥灰带压的相对安全区，突水系数小于0.06MPa/m。

（3）井下开拓巷道承压分析

奥灰带压区掘进巷道底板隔水层安全水头压力值按下式计算：

P=2Kp·t2/L2+rt

式中：

P-底板隔水层能承受的安全水压，MPa；

t-隔水层厚度，取平均厚度55m；

L-巷道宽度，取大巷最大宽度5.2m。

r-底板隔水层的平均重度，2.59×10-2MN/m3；

Kp-底板隔水层的平均抗拉强度，取0.04MPa。

带入计算得8、9 号煤层开拓大巷底板隔水层能承受的安全水压为10.375MPa。从上述计算分析，8、9 号煤层开拓大巷底板隔水层能承受的安全水压为10.375MPa，远大于9 号煤层最大水头压力1.736MPa。因此，8、9 号煤层开拓大巷沿8、9 号煤层顶板布置合理，满足奥灰带压开采要求。

（4）导水构造威胁分析

根据8、9 号煤层已有巷道实际揭露情况及以往勘察报告及5、8 号煤层采掘现状分析，井田内主要开拓大巷均未揭露导水断层、陷落柱等，不存在突水威胁。

综合以上分析，位于奥灰带压区内的开拓大巷层位布置不受奥灰突水威胁，无需改造。

3.2 奥灰水带压对回采工作面开采影响的评价

（1）现有工作面长度合理性分析

① 底板扰动破坏分析

采用“三下开采规范”经验公式进行计算：

式中：

H-开采深度，m；

α-煤层倾角，取8°；

L-工作面斜长，按设计取255m。

根据本次及以往地质勘探资料，井田内9 号煤层位于带压区钻孔为ZK2、ZK4、ZK5，底板破坏深度计算成果见表3。

表3 9号煤层底板破坏深度计算成果表

根据上述计算，底板破坏后有效隔水层厚度为26.24～30.43m。井田内8、9 号煤层工作面长度为255m 开采时，底板隔水层厚度均大于矿压作用对煤层底板的破坏深度，具有一定的保护层。

② 回采工作面采动后的安全水压分析

回采工作面安全水压计算：

依据《煤矿防治水细则》附录中安全水头压力值计算公式

式中：

P-安全水压，MPa；

M-底板隔水岩柱厚度，m；Ts-临界突水系数，MPa/m。

水头压力计算：

式中：

H-水头高度，m；

h1-奥灰水位标高，m；

h2-煤层底板标高，m；

h3-奥灰顶面标高，m；

M-底板隔水岩柱厚度，m；

P-水头压力，MPa。

井田内奥灰带压区钻孔安全水头压力值计算成果见表4。

表4 回采工作面安全水头压力值对比表

综上分析，井田内8、9 号煤层工作面长度为255m 开采扰动后，底板有效隔水层厚度，能够有效抑制奥灰岩溶水突破煤层底板隔水层的能力，具备带压安全开采的条件。

（2）回采工作面最大长度论证

井田内8、9 号煤层工作面最大长度计算公式：

式中，h1小于有效隔水岩柱厚度M有效。

M有效=P/Ts

P-实际水头压力；

Ts-临界突水系数，MPa/m。

经计算得出井田内8、9 号煤层工作面最大长度Lmax，详见表5。

表5 8、9 号煤层工作面最大长度对比表

根据上述计算，在不考虑底板导升带前提下，井田内8、9 号煤层工作面最大长度Lmax小于272.21m 时，具备带压安全开采的条件。

4 结束语

通过对锦瑞煤业9 煤底板隔水岩层物理力学性质分析，采用突水系数法对井田8、9 号煤层进行带压开采分区和突水危险性评价。经过分析和计算，位于奥灰带压区内的开拓大巷层位布置不受奥灰突水威胁，无需改造；井田内8、9 号煤层工作面长度为255m 开采扰动后，底板有效隔水层厚度，能够有效抑制奥灰岩溶水突破煤层底板隔水层的能力，具备带压安全开采的条件。并得出在不考虑底板导升带前提下，井田内8、9 号煤层工作面最大长度应小于272m，目前工作面设计长度为255m，满足奥灰带压开采要求。